Experimentální zařízení na Jižním pólu oznámilo nové výsledky dosažené měřením záření z raných dob našeho vesmíru. Jsou zásadní pro potvrzení teorie „nafouknutí“ našeho vesmíru těsně po Velkém třesku. Může se také jednat o jedno z prvních potvrzení tzv. gravitačních vln, které Einstein předpověděl už v roce 1916.
Tým z pokusu BICEP umístěného v Antarktidě zachytil zajímavé informace o vzniku našeho vesmíru. Nejen, že znovu potvrdil Einsteinovy teorie, ale především se tak poprvé podařilo zachytit důkaz potvrzující, že náš vesmír prošel těsně po svém vzniku v neuvěřitelně krátké době prudkou expanzí. Podle fyziků jde o jeden z největších objevů posledních let. Podle zveřejněných údajů a odborných prací se fyzikům podařilo velmi přesvědčivě zaznamenat „zatočení“ (polarizaci) vln záření, které prostupuje vesmírem z jeho raných dob. Vědci z projektu BICEP zjistili, že vlny tohoto tzv. reliktního (zbytkového) záření jsou zatočeny způsobem, který mohly podle fyziků způsobit pouze gravitační vlny brzy po vzniku vesmíru. Z těchto informací lze pak získat alespoň nějaké informace o tom, jaké podmínky v raném vesmíru panovaly. Získali jsme tak pohled téměř na okamžik Velkého třesku. Jde také o teprve druhé nepřímé pozorování gravitačních vln, které Einstein předpověděl už před zhruba 100 lety, a vůbec první pozorování tohoto typu polarizace reliktního záření. Všechny práce týmu BICEP jsou dostupné na internetu.
Co vzešlo z prapolévky
Experiment BICEP, přesněji jeho současná inkarnace BICEP2, je jeden z mnoha vědeckých pokusů, které se zabývají zkoumáním tzv. reliktního (zbytkového) záření. To je velmi slabé záření, které prostupuje celým vesmírem – tvoří jakýsi „šum v pozadí“ – a vzniklo zároveň s Velkým třeskem. Toto reliktní záření je obrazem vesmíru z dob asi 380 000 let po jeho vzniku, ale nese v sobě i informace o jeho ranějším vývoji. Reliktní záření se podařilo přesvědčivě zachytit poprvé téměř přesně před 50 lety. To byl okamžik, kdy věda o vzniku a podobě vesmíru – tj. kosmologie – přestala být jen teoretickou disciplínou, kde meze kladla pouze fantazie a stala se vědou exaktní. Poprvé měli vědci co měřit. Dnes díky přesnějším měřením z reliktního záření známe například přibližné rozložení hmoty ve vesmíru těsně po jeho vzniku a mnoho detailů o jeho vývoji. Tým z BICEP přišel s dalším důležitým dílem skládačky. Jeho experimenty (BICEP2 předcházel BICEP1) měly zachytit stopy polarizace reliktního záření. Polarizované záření je takové, jehož vlny jsou určitým způsobem uspořádané. Zatímco u nepolarizovaného záření (např. viditelného světla) jsou vlny neuspořádané a jsou orientované náhodně, u polarizovaného například kmitají výhradně v jednom jediném směru kolmém na směr jeho šíření. Polarizované záření je všude kolem nás. Vzniká například z běžného světla při odrazu od zrcadla. BICEP je určen na zachycení jednoho určitého typu polarizace, tzv. B-módu. Můžeme si ho jednoduše představit jako polarizaci do víru. Důležité ovšem je, že k polarizaci dnešního reliktního záření podle fyziků došlo v raném vesmíru během jednoho určitého děje zvaného inflace. Fyzici se zcela neshodují na tom, jak a proč měla inflace probíhat, ale v podstatě jde o nesmírné prudké a rychlé „nafouknutí“ raného vesmíru. Měla být blesková – začít mohla 10–36 sekundy po vzniku vesmíru a skončit během 10–32 sekundy po vzniku vesmíru. Za tento neskutečně krátký časový úsek se měl objem vesmíru zvětšit o 29 řádů, tedy o stovky bilionů biliard. O existenci inflace vesmíru jsme přesvědčeni, protože lepší teorii nemáme. Dnešní podoba vesmíru totiž nezapadá do prověřených fyzikálních teorií, pokud k něčemu podobnému jako inflace v začátku vesmíru nedošlo. Výsledky BICEP jsou tedy první skutečně naměřený podklad pro tuto mezi teoretiky velmi oblíbenou – a pro dnešní kosmologii téměř nezbytnou – teorii.
Čekání na vlnu
Oznámení má ještě jeden důsledek. Z matematicky a fyzikálně velmi solidních důvodů by pozorování tohoto typu polarizace u reliktního záření bylo také potvrzením existence tzv. gravitačních vln v raném vesmíru. To jsou slabounké vlny, které vznikají při pohybu libovolného tělesa v časoprostoru. V podstatě si je můžeme představit jako drobné vibrace, které se šíří od válející se koule po bowlingové dráze. Jejich existence vyplývá ze zhruba jedno století starých Einsteinových rovnic, ale na rozdíl od otřesů od bowlingové koule je těžké si jich všimnout. V 60. letech se jednomu experimentu údajně podařilo tyto vlny zachytit, ale tento výsledek se nikdy nepodařilo zopakovat, a rozhodně to nebylo kvůli nedostatku snahy. Pozorování gravitačních vln je jedna z priorit současné fyziky, přesto jsme do loňského roku měli však jen jediné nepřímé pozorování jejich existence na základě sledování dráhy dvou neutronových hvězd (jde o pulsar PSR B1913+16). V roce 2013 se pak objevil další nepřímý důkaz, ale to je vše. Data týmu BICEP tedy mají i v tomto ohledu nesmírnou cenu. Skutečný přínos výsledků bude samozřejmě možné odhalit až s odstupem času. Ze statistického hlediska se v tuto chvíli zdá, že signál je silný a pozorování poměrně jednoznačné a přesvědčivé (sigma je >5). Nelze vyloučit, že jde o chybu, jako třeba v případě „nadsvětelných“ neutrin na experimentu OPERA před dvěma lety. Ale v tomto případě jde vlastně o výsledky dvou pokusů v jednom: podobný signál se objevil na experimentech BICEP1 i BICEP2, které sice měly stejné cíle, ale pracovaly každý s jinou technologií a byly na sobě nezávislé. Jistý zájem vzbudila skutečnost, že tento typ polarizace neobjevil u reliktního záření vesmírný teleskop Planck, který byl také určen k jejímu zkoumání. Tým z Plancku se ovšem zřejmě ke zveřejnění těchto výsledků jednoduše nedostal a fyzikové z BICEP se nechali slyšet, že podle nich v dohledné době si oba experimenty své výsledky navzájem potvrdí. Zajímavé bude sledovat, co z výsledků vyvodí teoretici. Zatím je například jedno jasné. Potvrzuje, že bude nutné nějak spojit teorii gravitace s kvantovou teorií. Kdyby na gravitaci nebylo ovšem něco kvantového, tento výsledek by se vůbec nepodařilo naměřit. Ale o vytvoření teorie „kvantové gravitace“ se fyzika pokouší celá desetiletí bez úspěchu.