Jak se fotografovalo reliktní záření?
Reliktní záření bylo předpovězeno teoretiky, objeveno náhodou a postupně zmapováno třemi generacemi vesmírných observatoří – COBE, WMAP a Planck. Každá přinesla přesnější fotku mládí vesmíru a každá změnila kosmologii. Cesta od prvního šumu v anténě k mapám s milionem pixelů trvala šedesát let a je jedním z nejkrásnějších příběhů vědy 20. století.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Předpověď před objevem
Idea, že vesmír musí být obalen slabým pozadím starého světla, vznikla už v padesátých letech 20. století. George Gamow a jeho spolupracovníci Ralph Alpher a Robert Herman vypočítali, že raný vesmír musel být horký a že zbytkové záření by dnes mělo teplotu kolem 5 kelvinů. Tehdy je nikdo nebral vážně. V roce 1964 si však fyzici na Princetonu Robert Dicke a Jim Peebles znovu uvědomili, že velký třesk předpovídá detekovatelné mikrovlnné pozadí, a začali stavět přijímač. Netušili, že je předbehli o pár kilometrů – v Bellových laboratořích v New Jersey už totéž záření dva roky registrovala komunikační anténa, aniž by kdokoli tušil, co má před sebou.
Náhodný objev v roce 1965
Arno Penzias a Robert Wilson tehdy pracovali pro Bellovy laboratoře na kalibraci velké trychtýřové antény určené pro satelitní komunikaci. Zkoušeli odstranit veškerý šum, ale jeden signál zůstával: slabé mikrovlnné záření ze všech směrů, bez ohledu na to, kam anténu natočili. Kontrolovali spoje, vyčistili anténu – šum zůstal. Teprve návštěva Princetonu je přivedla na stopu: Dicke a Peebles právě hledali reliktní záření. Penzias a Wilson změřili teplotu 3,5 kelvinu, publikovali objev a v roce 1978 dostali Nobelovu cenu. Největší vědecký objev dekady přišel z průmyslové antény, která měla sloužit k telefonování.
COBE: první fotka, 1992
Po objevu následovaly desítky let měření z balónů, raket a pozemských stanic. Definitivní obrat přinesla družice COBE (Cosmic Background Explorer), kterou NASA vypustila v roce 1989. Dva roky sbírala data a výsledkem byla historická tisková konference v roce 1992: tým George Smoota ukázal první mapu teplotních fluktuací reliktního záření. Rozdíly byly řádově stotisícinové, ale stačily k tomu, aby se z nich zrodily galaxie. Noviny psaly o fotografii počátku vesmíru. Satelit COBE také potvrdil, že spektrum tohoto záření dokonale odpovídá záření absolutně černého tělesa – Velký třesk od té chvíle neměl konkurenci.
WMAP: když přesnost stoupá
V roce 2001 odstartovala družice WMAP, umístěná v gravitačním bodě L2, 1,5 milionu kilometrů od Země, kde je rušení od Země, Měsíce a Slunce minimalizováno. Devět let sbírala data v pěti frekvenčních pásmech. Výsledky z roku 2003 zpřesnily parametry vesmíru na několik procent: stáří 13,7 miliardy let, složení zhruba pět procent běžné hmoty, čtvrtina temné hmoty a zbytek temná energie. WMAP také detekovala polarizaci reliktního záření – důkaz, že se první fotony ještě před volným letem rozptýlily. Bylo to poprvé, kdy lidstvo měřilo vesmír jako celek s přesností inženýrského přístroje.
Planck: konečná mapa, 2013
Evropská družice Planck odstartovala v roce 2009 a pracovala do roku 2013. Její detektory byly chlazeny na desetinu stupně nad absolutní nulou a dosahovaly úhlového rozlišení až pět obloukových minut – což bylo téměř třikrát ostřeji než u starší sondy WMAP. Výsledná mapa dodnes tvoří základ kosmologie. Planck zpřesnil stáří vesmíru na 13,8 miliardy let a potvrdil standardní model s přesností, která překvapila i samotné vědce. Zároveň přinesl drobné záhady: statisticky významné anomálie, jako je hemisférická asymetrie nebo chladná skvrna. Ty mohou být náhodou – nebo prvním náznakem, že za horizontem číhá něco, co neznáme.
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Každá generace observatoří přinesla přesnější obraz – a každá byla postavena na zklamáních té předchozí. COBE vznikl, protože pozemská měření byla příliš hrubá; WMAP proto, že COBE byl málo citlivý; Planck proto, že WMAP nezodpověděl vše. Je to příběh o tom, jak věda funguje: největší objevy přicházejí z nejmenších nerovností. Fluktuace, které COBE těsně zachytila, určily, kde dnes žijeme. A další generace přístrojů už se připravuje.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)