ČRo: Dohlédneme jednou až k velkému třesku?

Jak je takový pohled možný?

Především je třeba si uvědomit rozdíl mezi Hubbleovým teleskopem a sondou WMAP. Zatímco Hubbleův teleskop se dívá na hvězdy a nebo na hvězdné soustavy, což v principu můžeme vidět i očima, sonda WMAP se zabývá tmou mezi hvězdami. Když se podíváte na noční nebe, tak vás možná překvapí, že kromě těch několika tisíců hvězd je tam i spousta tmy. O této tmě jsme se dlouho domnívali, že je opravdu černočerná. Teprve v roce 1965 zjistili dva američtí radioastronomové, že tak úplně černá není. Tma totiž září - ale tak málo, že nesvítí běžným světlem; nesvítí ani v infračerveném oboru světla, ale v tzv. mikrovlnném pásmu, což jsou vlnové délky, používané třeba v mikrovlnných troubách. A v tomto záření je ukrytá informace o daleko starším vesmíru, než jaký vidíme, když se díváme na velmi vzdálené hvězdy. Každý teleskop, a tím spíše ten nejlepší, Hubbleův, dohlédne velice hluboko do vesmíru. Ty vzdálenosti měříme nejenom na miliony, ale dokonce na miliardy světelných roků, což znamená, že světlo, které v dalekohledu vidíme se vydalo na cestu v době, kdy ještě neexistovala zeměkoule. Ale přeci jen je tu jakési omezení. Dobře víme, že i kdybychom měli ideální dalekohled, který by byl ještě lepší než Hubbleův teleskop, nemohli bychom pozorovat žádné útvary ve vesmíru, které by byly mladší než 200 milionů let po velkém třesku. Prostě proto, že takové útvary tehdy ještě neexistovaly - vznikaly později. Za pomoci dalekohledů se tedy příliš hluboko k počátkům vesmíru nedostaneme. Ukázalo se však, že právě ono temné pozadí, čili to slabé mikrovlnné záření poskytuje informaci daleko starší. A jak ukázala sonda WMAP, pojmenovaná po americkém kosmologovi Davidu Wilkinsonovi, který v roce 2002 zemřel, toto záření nám umožňuje sledovat, jak vypadal vesmír v době, kdy od velkého třesku uplynulo teprve necelých 400 tisíc let.

Teď tedy k tomu barevnému oválu. Co nového nám říká o vesmíru a jaké údaje se z něj dají vyčíst?

Teď tedy k tomu barevnému oválu. Co nového nám říká o vesmíru a jaké údaje se z něj dají vyčíst?

Sonda WMAP ale není prvním tělesem, které nám poskytlo podobný barevný ovál?

Koncem 80. let minulého století byla vypuštěna americká sonda COBE; to je zkratka, která znamená "výzkumník kosmického pozadí", čili právě toho záření, o kterém tady hovoříme. Na oběžné dráze pracovala několik roků. Tato družice neměla tak dobré technické parametry, takže nám sice také poskytla "ovál s barvičkami" a ukázala, jak vypadal dávný vesmír, ale byla to jen velice přibližná mapa. Asi jako kdybychom se dívali krátkozrací na nějaký hodně vzdálený obrázek - vidíme jenom nejasné skvrny. Hlavní pokrok je v tom, že nová družice WMAP je asi čtyřicetkrát citlivější a má asi třicetkrát lepší rozlišení, než měla družice COBE. Konečně tedy dostáváme přesné hodnoty. My jsme ještě nedávno věděli pouze tolik, že vesmír je trochu starší než 10 miliard roků a o něco mladší než 15 miliard let, a to byla velká nejistota - 5 miliard roků. Teď, po měřeních nové družice WMAP máme tu nejistotu zmenšenou a chyba v určení stáří vesmíru je v tuto chvíli už jen asi 100 milionů roků. Může se to ještě pořád zdát hodně, ale proti těm 14 miliardám let stáří vesmíru je to opravdu velmi slušný výsledek a velké zpřesnění.

Jakým způsobem sonda WMAP pracovala a jak se k oněm výsledkům došlo?

Nová sonda měla velkou výhodu v tom, že pracovala dostatečně daleko od Země, která jí proto nevadila. (Viz Dodatky za článkem.) Sonda COBE naproti tomu létala nízko nad Zemí a ta pro ní proto byla poměrně značnou překážkou; hlavně proto, že Země je velice teplá. Vychází z ní mnoho záření, které přehlušovalo to slabounké záření, kterému říkáme reliktní, pozůstatkové po velkém třesku. Další výhoda byla, že si sonda mohla vybírat libovolné úseky oblohy a systematicky je prohledávat. Vybrala si nějakou konkrétní oblast, pomalinku přejížděla zorným polem svého radiometru celou oblohu, prohlížela všechno, co se v tom úzkém pruhu nacházelo a zjišťovala nepatrné změny teploty. O to vlastně šlo. O změny teploty, které jsou opravdu velmi malé. Jen tak pro představu - teplota reliktního záření je zhruba 3°K, čili tři stupně nad absolutní nulou a ty změny podél toho jednoho pruhu jsou maximálně na úrovni mikrokelvinů, čili miliontin kelvinu. Abyste mohli změřit alespoň trochu přesně miliontiny, musíte mít přirozeně radiometr nastavený tak, aby měřil desetimiliontiny, protože jinak by se výsledkům nedalo věřit. Když dokončíte jeden pruh, zaměříte zorné pole radiometru hned vedle a měříte další. Takovýmto způsobem doslova oloupete celou oblohu a tím získáte stamiliony měření. Pak se to celé musí udělat ještě alespoň jednou, protože je třeba vyloučit chyby, které vznikají nejrůznějšími poruchami přenosu - přístroje nejsou úplně stabilní a tak podobně. Teprve když zprůměrujete hodnoty z těchto dvou "zametání" celé oblohy, můžete začít sestrojovat mapu. Přirozeně - i toto sestrojení mapy má své problémy, protože na nebi přeci jen sem tam svítí nějaká hvězda nebo planeta. To všechno musíte odečíst, což je opravdu velká práce, neproveditelná bez superpočítačů a obrovského týmu vědeckých pracovníků. Na tomto výzkumu se podle mého odhadu podílelo minimálně 60 astronomů.

Proč je ta hranice, kam sonda WMAP dohlédne právě na úrovni těch necelých čtyř set tisíc let?

To má svůj teoretický důvod, spočívající ve skutečnosti, že vesmír se od velkého třesku neustále rozpíná. A jestliže se rozpíná, znamená to, že hustota látky v něm klesá. V určité chvíli se díky tomuto rozpínání a snižující se hustotě stane vesmír průzračný pro elektromagnetické záření. A to je právě ta chvíle. My tedy dostáváme informaci z toho posledního okamžiku, kdy vesmír ještě průzračný nebyl, protože to, co je předtím, nemůžeme přirozeně zkoumat ani tím zbytkovým zářením. To bychom se ocitli ve stejné situaci jako motorista, který jede na podzim, v noci a za husté mlhy se zapnutými dálkovými reflektory. Ty mu nejsou nic platné, protože svítí jenom na krátkou vzdálenost a jejich zář se rozptyluje na kapičkách mlhy. Přesně ve stejné situaci by byl astronom, který by se chtěl dívat na vesmír mladší než těch 380 nebo 390 tisíc let.

Takže k tomu úplnému počátku se žádným způsobem dohlédnout nedá?

Jak vidíte, matka Příroda je velice rafinovaná, protože nám klade překážky a nastavuje stoličky. Ta první překážka leží na hranici 200 milionů let po velkém třesku, kdy ještě nebyly hvězdy, takže se není na co dívat. Necelých 400 tisíc let po velkém třesku je zase ta mlha, rozptýlená tak, že opět nevidíme blíž. Ale jsou už jisté náznaky, že i v této mlze může být jakási cesta, jak jít ještě blíže k velkému třesku. A to proto, že fyzikové ve 30. letech 20. století objevili částice, kterým říkáme neutrina. Ta mají tu výhodu, že pronikají hmotou jako by to nebyla vůbec žádná překážka; mohou tedy proniknout i skrz tu zárodečnou mlhu vesmíru. Jestliže jednou postavíme odpovídající podzemní lapače neutrin, což jsou takové speciální pasti, které se umisťují ve velkých hloubkách pod zemským povrchem, tak není vyloučeno, že se nám podaří zachytit neutrina, která by nám podala informaci o vesmíru, starém pouhé dvě sekundy. To by byl významný pokrok - ale zatím to neumíme.

Ale to bychom pořád ještě nebyli na úplném začátku...

Ano - tam je další překážka. Při této hustotě vesmíru už nejsou ani neutrina schopna pronikat hmotou... Možná se jednou přijde na něco ještě pronikavějšího, než jsou neutrina, ale to už je opravdu spekulace.

Takže v podstatě můžeme říci, že vesmír, tak jak se na něj díváme, se rozkládá zároveň v prostoru i v čase?

To určitě ano, protože jak z fyziky dobře známe, všechny veličiny na čase závisejí. Když měříme rychlost, ta se může měnit v závislosti na čase; měříme-li hmotu, i té v závislosti na čase třeba přibývá a nebo ubývá. Fyzika je tedy v podstatě věda, která se zabývá časovými změnami. Vesmír a časové změny v něm je to největší, čím se může fyzika zabývat. Když uvádíme nějaké údaje o vesmíru, musíme říci vždy, pro který čas fakticky platí. A je přirozeně pravda, že z hlediska celkového vývoje vesmíru se ty nejzajímavější události odehrály už dávno, těsně po velkém třesku, kdy se nastavily všechny parametry vesmíru. To, že to všechno nakonec dospělo až do toho stádia, ve kterém se dnes nacházíme a vesmír pozorujeme je už jen důsledek fyzikálních zákonů. Právě ta družice WMAP nám mimořádně přesvědčivě ukázala, že všechny parametry byly obsaženy už v samotném zárodku vesmíru. Ten už pak neměl jinou šanci, než dospět k dnešnímu stavu. Právě v té nejranější fázi se tedy odehrálo to nejzajímavější, ale je to také před námi nejlépe ukryto.

S Jiřím Grygarem hovořil Frederik Velinský

POZNÁMKY A DODATKY
WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Sonda byla vynesena 30. června 2001 raketou Delta II. Jejím stanovištěm je tzv. druhý Langrangeův bod (L2), ve kterém jsou v rovnováze přitažlivé síly Slunce a Země, které tak na sondu nepůsobí rušivě. Bod L2 je od Země vzdálen 1,5 milionu kilometrů. Sonda by měla být v provozu do roku 2006. Na webu ji najdete na stránkách NASA.

Článek je převzat z webových stránek magazínu Českého rozhlasu Planetárium, který byl vysílán 13./15. 4. 2003.

Ve zvukové podobě můžete Planetárium slyšet vždy v neděli, krátce po 9. hodině dopolední na frekvencích Českého rozhlasu SEVER (v repríze pak tamtéž hodinu po nedělní půlnoci). Od 1. dubna 2003 vysílá Planetárium i Český rozhlas Regina a Region - každé úterý večer po 20. hodině.