Picek, Ivica

Repository of Faculty of Science, University of Zagreb

NASTUPANJE ERE PRECIZNIH KOZMOLOSˇKIH MJERENJANobelova nagrada za otkric´e prirode pozadinskog zracˇenjaputem satelita COBEIvica Picek 1 , ZagrebNobelovu nagradu iz fizike za 2006. godinu podijelili su John C. Mather iz NASA-inog Goddard Space Flight centra i George F. Smoot s Kalifornijskog sveucˇilisˇta uBerkeleyu u SAD, “za otkric´e da kozmicˇka mikrovalna pozadina ima oblik zracˇenjacrnog tijela, te za otkric´e njezine anizotropije”. Rijecˇ je o dvojici fizicˇara elementarnihcˇestica, koji su na samom pocˇetku svoje znanstvene karijere uocˇili da im se svemir nudikao prirodni laboratorij za pokuse. Otkric´ima do kojih su pri tome dosˇli, otvorili su erumoderne kozmologije kao discipline u kojoj su moguc´a precizna mjerenja.Era koja je prethodila pokusima satelita COBEKonacˇna potvrda svemira “Velikog praska” dosˇla je neocˇekivanim otkric´em ArnoaPenziasa i Roberta Wilsona iz 1964. godine. Rijecˇ je o otkric´u signala u mikrovalnompodrucˇju, koji do nas dolazi podjednako iz svih smjerova neba, kozmicˇkoj mikrovalnojpozadini (CMB, od engl. Cosmic Microwave Background), za sˇto su Penzias i Wilson1978. nagra -deni Nobelovom nagradom iz fizike. Iako je na takvo zracˇenje kao “jeku”Velikog praska u kojem zapocˇinje nasˇ svemir ukazao George Gamow josˇ 1948. godine,do otkric´a se dosˇlo slucˇajno. Dogodilo se da je rad Gamowa i njegovih studenataAlphera i Hermana u me -duvremenu previ -den ili zaboravljen. Naime, Robert Dicke iJim Peebles s Princetona, koji su se pocˇetkom 60-tih upustili u nezavisnu potragu za timzracˇenjem, uskoro su ustanovili da je stvar rijesˇena otkric´em Penziasa i Wilsona, kojimasu jedino mogli objasniti sˇto je u stvari otkriveno. “Mjerenje temperature antene na4080 MHz” grupe s Bell Labs, objavljeno je istovremeno s (ponovljenim!) teorijskimpredvi -danjem grupe s Princetona. Otkric´e koje se posrec´ilo odjeknulo je na naslovniciNew York Timesa i stavljeno je uz bok Hubbleovog otkric´a sˇirenja svemira, a cˇitavaepizoda slucˇajnog otkric´a svjedocˇi o tome da josˇ sredinom prosˇlog stoljec´a kozmologijanije uzimana ozbiljno. No to je otkric´e oznacˇilo prvu prekretnicu u kozmologiji ipovuklo je za sobom nove projekte.Prvo sˇto je josˇ trebalo nezavisno potvrditi bilo je kozmicˇko porijeklo otkrivenogzracˇenja. Ukoliko je rijecˇ o “jeki” Velikog praska, zracˇenje mora biti termicˇko (zracˇenjecrnog tijela): ono je opisano poznatom Planckovom krivuljom zracˇenja, gdje valna1 Autor je redoviti profesor teorijske fizike. Bavi se problemima fizike elementarnih cˇestica u pristupu teorijepolja te dodirnim tocˇkama fizike cˇestica i kozmologije, http:/ / www.phy.hr/ ˜picek/ .104 Matematicˇko-fizicˇki list, LVII 1 (2006. – 2007.)duljina na kojoj je intenzitet maksimalan ovisi o temperaturi zracˇenja. Za zracˇenjetemperature 3 K krivulja intenziteta ima vrh kod 2 mm, s time da je mjerenje Penziasai Wilsona ucˇinjeno u samo jednoj tocˇki, na 7.35 cm. Uslijedila su i mjerenja nadrugim valnim duljinama vec´im od 2 mm, koja su se uz neka odstupanja podudarala sazracˇenjem crnog tijela. Problem je nastao s mjerenjima na strmijem dijelu krivulje, jerte kratke valne duljine apsorbira atmosfera. Pomoc´u rakete, u okviru americˇko-japanskekolaboracije, 1987. godine su konacˇno ucˇinjena mjerenja na kratkim valnim duljinama.Rezultati mjerenja odstupali su od spektra zracˇenja crnog tijela i time izazvali nizspekulacija i potrebu za nezavisnim mjerenjima.Drugi problem odnosio se na mjerenje moguc´ih anizotropija pozadinskog zracˇenja.Naime, ono bi se trebalo pokazivati nesˇto toplijim (na razini mK) u smjeru u kojem segibamo kroz kozmicˇku pozadinu. To odgovara poznatom Dopplerovom ucˇinku porastafrekvencije koji se opazˇa kad nam se izvor valova priblizˇava. Uz to, zamisliva sui dodatna mala odstupanja od izotropnosti zracˇenja, koja bi ukazivala na postojanjenehomogenosti u prosˇlosti svemira. Bez njih ne bi mogli objasniti kako je dosˇlo donakupljanja tvari u zvijezde i galaktike u svemiru. Sic´usˇne varijacije u temperaturiodgovarale bi podrucˇjima koja su sjeme zacˇetka nakupljanja tvari, da bi se to nakupljanjenastavilo gravitacijskim privlacˇenjem. Sve to skupa pozivalo je na preciznija izucˇavanjaCMB-a, kakva bi se mogla provesti jedino putem satelitskih mjerenja. Prilika se ukazala1974. godine, kad je americˇka svemirska agencija NASA obznanila otvoreni poziv za“nespecificirani astrofizicˇki projekt”, iz kojega je ro -den COBE.Satelit COBECOBE (COsmic Background Explorer) je zamisˇljen kao NASA-in prvi satelitnamijenjen kozmolosˇkim istrazˇivanjima. Na NASA-in otvoreni poziv odazvale su se trigrupe fizicˇara sa svojim prijedlozima za tri instrumenta koja bi satelit trebao ponijeti;FIRAS (Far InfraRed Absolute Spectrometer), koji bi provjerio da CMB ima spektarcrnog tijela;DMR (Differential Microwave Radiometer), koji bi uz “dipolnu asimetriju” uslijedopisanog gibanja u odnosu na apsolutni sustav Velikog praska, provjerio i postojanjedrugih moguc´ih anizotropija;DIRBE (Differential InfraRed Background Experiment), koji bi u infracrvenojsvjetlosti potrazˇio prvotne objekte u svemiru (prve zvijezde i galaktike). S obzirom nabroj izvora i kolicˇinu infracrvenog zracˇenja posvuda u svemiru, to se pokazalo najtezˇommisijom. No ipak je rasvijetljen niz pojava, od strukture Mlijecˇne staze do difuznesvjetlosti Suncˇevog sustava.U ovom napisu ogranicˇit c´emo se na dva instrumenta, FIRAS i DMR, koja su dovelado ovogodisˇnje Nobelove nagrade.Za glavnog istrazˇivacˇa pokusa FIRAS imenovan je John Mather, ro -den 1946. Nakonsˇto je doktorirao iz fizike elementarnih cˇestica i kod Paula Richardsa na Berkeleyu stekaoiskustvo na mjerenjima CMB-a pomoc´u balona, dobio je postdoktorsku poziciju naGoddardovom institutu za svemirska istrazˇivanja. Tamo je, na sugestiju svojeg savjetnikaPata Thaddeusa, NASA-i predlozˇio satelitsko mjerenje kozmicˇke mikrovalne pozadine.On je s vremenom postao kljucˇna osoba i istinski pokretacˇ cijelog tog poduhvata, u kojemje sudjelovalo visˇe od tisuc´u ljudi sˇirokog spektra zanimanja. Za glavnog istrazˇivacˇapokusa DMR imenovan je George Smoot, ro -den 1945. godine. Studij fizike i doktoratMatematicˇko-fizicˇki list, LVII 1 (2006. – 2007.) 105iz fizike elementarnih cˇestica obavio je na Sveucˇilisˇtu MIT, gdje je kod nobelovcaLuisa Alvareza isprva radio na trazˇenju antimaterije u kozmicˇkom zracˇenju. Nakon sˇtoje izvjesno vrijeme izucˇavao anizotropiju CMB-a na letovima NASA-inog sˇpijunskogzrakoplova U-2, on zajedno s Alvarezom predlazˇe satelitsko mjerenje anizotropije.Slika 1. Prikaz satelita COBE i polozˇaja njegovih instrumenata FIRAS, DMR i DIRBE.Bilo je zamisˇljeno da sva tri prihvac´ena instrumenta budu smjesˇtena na gornjemdijelu satelita COBE (slika 1). Pri tome su FIRAS i DIRBE smjesˇteni unutar kriostatakoji pomoc´u tekuc´eg helija odrzˇava temperaturu od 1.4 K, dok je DMR smjesˇten navanjskom dijelu satelita. Originalno je satelit u kruzˇnu orbitu na visini od 560 miljatrebala ponijeti raketa Delta, da bi NASA trazˇila promjenu dizajna satelita, kako bi seu orbitu lansirao putem Shuttlea. Konacˇno, nakon obustavljanja letova Shuttlea uslijedtragedije izazvane eksplozijom Challengera u sijecˇnju 1986. godine, satelit je trebaloznatno olaksˇati da bi se projekt mogao vratiti na raketu Delta, i to na zadnji let te rakete.Nakon svih peripetija i rizika lansiranja, nakon ukupno 15 godina priprema, COBE jekonacˇno sa zebnjom lansiran u studenom 1989. Njegova uspjesˇna misija trajala je poplanu do 1993. godine.COBE-ovi rezultati i njihov znacˇajPri dizajniranju projekta, velika je pazˇnja posvec´ena smjesˇtanju satelita u kruzˇnupolarnu orbitu iz koje bi se moglo precizno izucˇavati cijelo nebo. Nakon sˇto jeto uspjesˇno obavljeno, instrumentu FIRAS trebalo je samo devet minuta da isporucˇimjerenje spektra zracˇenja crnog tijela (slika 2), najsavrsˇenijeg do tada izmjerenog,temperature 2.725 ± 0.002 K. Takvu preciznost omoguc´ilo je FIRAS-ovo referentnocrno tijelo velike apsorptivne moc´i, od preko 99.99% (crno tijelo po definiciji apsorbirasvu svjetlost koja do njega do -de). FIRAS je pokrivao spektar od 0.1 mm do 10 mmi radio je sve dok je bilo dovoljno tekuc´eg helija (do rujna 1990., do kada je prosˇaocijelim nebom 1.6 puta).106 Matematicˇko-fizicˇki list, LVII 1 (2006. – 2007.)Slika 2. Spektar pozadinskog zracˇenja kojega je izmjerio COBE-ov instrument FIRAS,najsavrsˇeniji je ikad izmjereni spektar crnog tijela (pogresˇke mjerenja povec´ane su na slici 400puta).Za izucˇavanje anizotropija trebalo je visˇe vremena. Na temelju podataka skupljanihtijekom prvih sˇest mjeseci izmjerena je savrsˇena dipolna anizotropija (slika 3). No kadje ona izuzeta iz pozadine, preostatak je bio izotropan. Tek nakon analize jednogodisˇnjihpodataka pocˇela se nazirati dodatna anizotropija (slika 4). Opazˇene temperaturnevarijacije od 18 μK u skladu su s ocˇekivanjem temeljenim na modelu Velikog praska,ukoliko uz “obicˇnu” tvar postoji i nevidljiva “nebarionska” tvar. Vazˇnost ovih mjerenjaocˇituje se posebno u moguc´nosti da se, u kombinaciji s ostalim mjerenjima, neizravnoodrede gustoc´e razlicˇitih tvari i energije u svemiru. To je ucˇinilo COBE prekretnicomprema kozmologiji kao preciznoj znanosti: teorijski kozmolosˇki proracˇuni su se mogliusporediti sa stvarnim mjerenjima! Mjerenja su provo -dena kroz cˇetiri godine opazˇanja,tijekom kojih je DMR u razlicˇitom poretku sˇest puta oslikao cijelo nebo. PodaciCOBE-a skupljani su kroz sˇest “rogova” koji su brisali po svim smjerovima neba.Istodobnom uporabom nekoliko rogova, moglo se mjeriti nekoliko smjerova od posedam lucˇnih stupnjeva, tako da se moglo usporediti njihove temperature me -dusobno,ali i s prosjecˇnom temperaturom cijelog neba. U kasnijem pokusu WMAP (WilkinsonMicrowave Anisotropy Probe) upotrijebljeni su rogovi s manjim kutom otvora, koji suomoguc´ili bolju rezoluciju. Tople i hladne mrlje koje je na karti neba iscrtalo mjerenjeDMR-a ocijenjene su kao najstarije opazˇene strukture. Uocˇljivo je da njihove dimenzijeznatno premasˇuju one od jednog lucˇnog stupnja, unutar kojega bi to podrucˇje u prosˇlostimoglo biti kauzalno povezano i gdje bi temperatura bila izjednacˇena. Odgovor na ovuzagonetku nudi Veliki prasak prac´en inflacijom (“inflacijski svemir”): Eksponencijalnobrza ekspanzija iz ranog svemira preslikava ga na podrucˇja neba koja su prividnokauzalno nepoveziva.Slika 3. Izmjerena dipolna anizotropija, koja dolazi od gibanja Zemlje, odnosno Suncˇevogsustava, kroz pozadinsko zracˇenje stvoreno tijekom Velikog praska.Matematicˇko-fizicˇki list, LVII 1 (2006. – 2007.) 107Slika 4. DMR-om izmjerene temperaturne varijacije otvorile su novu eru kozmolosˇkih mjerenja.Na slici je iskljucˇeno podrucˇje galakticˇkog diska Mlijecˇne staze. Kao zanimljivost navedimo daje u galakticˇkom podrucˇju McKellar josˇ 1941. godine nasˇao pobu -dena stanja CN molekule kojaodgovaraju temperaturi 2.3 K, no nije bio svjestan znacˇenja tog otkric´a.Da bi bilo jasno znacˇenje tih rezultata, podsjetimo se osnovnih cˇinjenica vezanih uzCMB kao potvrdu Velikog praska. Porijeklo CMB-a je u ekstremno vruc´oj i gustojranoj fazi svemira, u kojoj se fotoni stvaraju u anihilacijama cˇestica i anticˇestica.Tako stvorena fotonska kupelj ekspanzijom svemira se hladi. Pri tome je ona neznatnokontaminirana neizanihiliranom materijom. Naime, mjerena entropija svemira S danaje opazˇenim omjerom bariona i fotona, S = 5 · 10−10 . To govori da na svakih petmilijardi antikvarkova imamo visˇak od jednog kvarka, sˇto daje preostalu tvar od koje c´ese formirati zvijezde i galaktike. Vazˇni kozmicˇki trenutak odnosi se na otprilike 380 000godina starosti svemira, kad temperatura fotonske kupelji padne na 3000 K. Tu, naime,dolazi do vezanja elektrona i protona u elektricˇki neutralne vodikove atome pa se fotonikonacˇno mogu slobodno sˇiriti. CMB dolazi od te kozmicˇke fotosfere u potpunoj analogijis fotonima koji dolaze tek s povrsˇine Sunca, unutar kojeg u “rasprsˇenjima” prosjecˇnolutaju stotinu tisuc´a godina. Svemirska povrsˇina “zadnjih rasprsˇenja” predstavlja zidneprozirnosti koji nas sprjecˇava da putem fotona gledamo u raniji svemir. No samemrlje, koje je po prvi put razotkrio COBE, ipak otvaraju pogled u raniji svemir. Onepotjecˇu otprilike iz vremena 100 000 godina starosti svemira, s tim da bi ta slikavarijacija mogla biti zapisana josˇ u prvim trenucima stvaranja svemira.Ne cˇudi da je takvo COBE-ovo otkric´e povuklo za sobom kako teorijska istrazˇivanjamoguc´nosti testiranja kozmolosˇkih modela i odre -divanja kozmolosˇkih parametara,tako i nove eksperimentalne misije. Posebice su pokusi s balonima (MAXIMA iBOOMERANG) nastavili s izucˇavanjima anizotropija na manjim kutovima. Ustanovljeni“prvi akusticˇni vrh”, na jednom lucˇnom stupnju, svojom je lokacijom utvrdio do nanekoliko postotaka da je geometrija svemira ravna (da se paralelni pravci nec´e presjec´ini na kozmolosˇkim udaljenostima). Sˇirina tog vrha dala je potporu inflacijskom ranomsvemiru (da se Veliki prasak na samom pocˇetku odvija ekstremno brzom ekspanzijom).Dodatni opazˇeni vrhovi odgovaraju teorijski izucˇenim mehanizmima gravitacijskihnestabilnosti i ukazuju da barionska tvar u svemiru predstavlja samo 5% tvari potrebneda svemir ucˇini ravnim. Josˇ spektakularniji rezultati dolaze sa spomenute NASA-ineWMAP misije, koja je po osoblju i dizajnu izravni sljedbenik COBE-ovog DMR-a.Analize prve godine (vidjeti dolje citirani cˇlanak K. Kumericˇkog) odnosile su se nadvostruko prolazˇenje cijelim nebom, koje se kao sfera opisuje tzv. sfernim funkcijama:• Najnizˇa, l = 0 “monopolna” komponenta odgovara srednjoj temperaturi CMB-a2.725 ± 0.001 K, sˇto po Planckovom zakonu zracˇenja odgovara gustoc´i brojafotona nγ = 411 cm−3 i gustoc´i energije ργ = 0.260 eV cm−3 .• Najvec´a anizotropija, dipol l = 1 s amplitudom 3.346 ± 0.017 mK, odgovaraspomenutom gibanju Sunca kroz CMB, brzinom v = 368± 2 km s−1 .108 Matematicˇko-fizicˇki list, LVII 1 (2006. – 2007.)Visˇi multipoli se mogu povezati s raznim kozmolosˇkim parametrima i nakon prvihanaliza objavljenih u veljacˇi 2003., s nestrpljenjem se cˇekalo do ozˇujka ove godinena objavljivanje rezultata za tri godine WMAP-a. U kombinaciji s rezultatima drugiheksperimenata, odre -deni su glavni kozmolosˇki parametri u scenariju koji ukljucˇuje itamnu materiju i kozmolosˇku konstantu:• Starost svemira je 13.8 milijardi godina, a njegovo sˇirenje je dano Hubbleovomkonstantom, H0 = 71 ± 2 km/ s/ Mpc.• U sastav svemira ulazi 4.4 ± 0.3% obicˇne (barionske) materije koju uglavnomcˇine atomi, a ostatak materije otpada na hladnu tamnu tvar nepoznate prirode( 22 ± 2%).• Ostatak inventara sacˇinjava josˇ zagonetnija tamna energija ( 74 ± 2%), za kojuistrazˇivanja supernova daju uvjet na jednadzˇbu stanja ( w = −0.97 ± 0.08),konzistentnu s kozmolosˇkom konstantom kojoj odgovara energija kvantno-mehanicˇkog vakuuma.Slika 5. WMAP satelitsko mjerenje biljezˇi vec´ spomenuto mresˇkanje pozadinskog zracˇenja,anizotropiju na razini jednog dijela u sto tisuc´a.Tamna energija je i prirodni kandidat za pogonitelja inflacije pri samom pocˇetkusvemira, da bi imali smislenu sliku svemira Velikog praska. Sama inflacija pak, nudiobjasˇnjenje za porijeklo anizotropija koje je po prvi put izmjerio COBE. Istodobnoinflacija neocˇekivano nudi odgovor i na (sve do nje) otvoreno pitanje porijekla opazˇenihastronomskih struktura. Potrebne nehomogenosti oko kojih su se mogle formiratitakve strukture, inflacija nalazi u kvantnim fluktuacijama pri samom pocˇetku svemira(slika 5). Inflacija strahovito brzom ekspanzijom donosi te mikroskopske fluktuacijena makroskopske dimenzije svemira. One su tamo posijane kao sjeme nakupljanjamakroskopske tvari, kako je to prikazano na slici s naslovnice. Zapanjujuc´e otkric´eCOBE-a, da je vidljivi astronomski svijet preslika kvantnog svijeta sa samog pocˇetkasvemira, je, po rijecˇima Stephena Hawkinga, “najvec´e otkric´e stoljec´a, ako ne i svihvremena”.Literatura[1] http://nobelprize.org/[2] E-sˇkola – Fizika svemira, http://eskola.hfd.hr/fizika_svemira/svemir.html[3] KRESˇIMIR KUMERICˇKI, Nova mjerenja kozmicˇkog pozadinskog zracˇenja,Matematicˇko-fizicˇki list LIII (2003), 4, 278[4] IVICA PICEK, Moderna kozmologija – trijumf i izazov fizike, prilog za simpozijHAZU posvec´en Godini fizike, 2005.(http://www.phy.hr/˜picek/Picek_HAZU05.pdf)Matematicˇko-fizicˇki list, LVII 1 (2006. – 2007.) 109

Nobelova nagrada za otkriće prirode pozadinskog zračenja putem satelita COBE

University of Zagreb Repository

https://repozitorij.unizg.hr/islandora/object/pmf:6882/datastream/FILE0

Nobelova nagrada za otkriće prirode pozadinskog zračenja putem satelita COBE

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of Faculty of Science, University of Zagreb

University of Zagreb Repository