— Published on 12/02/2015 / Bug.hr.
U ožujku prošle godine kolaboracija BICEP2 bila je objavila otkriće otiska primordijalnih gravitacijskih valova. Ti primordijalni gravitacijski valovi su, inače, sveti gral kozmologije. Njihovim opažanjem dobila bi se ključna potvrda kozmičke inflacije, najvažnije nadogradnje modela velikog praska. A takva potvrda kozmičke inflacije vrlo bi vjerojatno glavnim istraživačima donijela Nobelovu nagradu. Zato se željno i nestrpljivo čekalo završne rezultate analize podataka sa satelita Planck koju su BICEP-ovo otkriće eventualno mogli potvrditi. Rezultati su stigli, krajem prošle godine, no vijesti za BICEP2 nisu bile dobre. Planck je pronašao puno veću količinu kozmičke prašine u području u kojem je BICEP2 mjerio. A ta je kozmička prašina značajno utjecala na mjerenje polarizacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Pokazalo se da su mjerenja teleskopom BICEP2 bila jako dobra. No, njihova interpretacija nije bila dobra. BICEP2 nije mogao potvrditi primordijalne gravitacijske valove. To je sažetak zajedničke analize koju su BICEP2, Planck i Keck Array objavili prošli tjedan.
Sve u svemu, prilično složena priča. No krenimo od najopćenitijih, lakše razumljivih, dijelova. Kozmologija je, u širem smislu, tumačenje postanka i razvoja svijeta. To je mitologijska ili religijska kozmologija, koja postoji već najmanje pet milenija. Ta nas kozmologija ovdje ne zanima. U užem smislu, kozmologija je znanost o podrijetlu, razvoju, strukturi i dinamici svemira. To je fizička kozmologija, koja postoji tek nekih pola stoljaća. Kad govorim o kozmologiji, mislim isključivo na fizičku kozmologiju.
Vodeći kozmološki model je, naravno, model velikog praska. On nije jednini model razvoja svemira. Uvijek postoje alternativni modeli koji dostupne podatke pokušavaju objasniti na drukčiji način. Naprosto, posao teoretičara je da smišljaju nove modele. No, ti su modeli u međusobnoj kompeticiji. Eksperimenti odabiru favorite, stavljaju na čekanje ili diskvalificiraju modele. Model velikog praska, ili teorija velikog praska (u ovom kontekstu su to sinonimi), danas je apsolutni favorit. Daleko najbolje opisuje postojeće podatke i zapravo nema konkurenciju. Ali, IMA brojne potvrde. Pošto često čujem od raznih ljudi da je veliki prasak "samo teorija koja nije dokazana", moram ponovo reći: veliki prasak je dobro potvrđena teorija. Nije dokazana zato što nijedna teorija u prirodoslovlju ne može biti dokazana. Dokaz je kriva riječ za prirodnoznanstvene teorije. Ali teorija može biti opovrgnuta ili potvrđena. Ili mnogostruko potvrđena, kao primjerice teorija velikog praska.
Potvrde velikog praska možemo grupirati u četiri kategorije: udaljavanje galaksija, kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, udjeli primordijalnih elemenata u svemiru i razvoj izvangalaktičkih objekata. O svakoj bi se kategoriji mogli napisati, i napisani su, tomovi knjiga. Za ovu je priču važno kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje pa ću samo o njimu reći par riječi. To je elektromagnetsko zračenje u mikrovalnom području, između radiovalova i infracrvenog zračenja, u kojem se kupa cijeli svemir. O njemu se obično govori kao o reliktu velikog praska. Izravno je povezano s ranim razvojem svemira, bilo je teorijski predviđeno, a potom otkriveno 1965. godine. Tu godinu smatramo godinom rođenja fizičke kozmologije. Od tada do danas kozmičko mikrovalno zračenje mjerimo sve preciznije.
Satelitom COBE (COsmic Background Explorer), koji je bio lansiran 1989. godine, kozmologija je postala precizna znanost. COBE je, vrlo detaljno, izmjerio spektar kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja i pokazao da taj spektar ima oblik spektra zračenja crnog tijela kojemu odgovara temperatura od (2,725 ± 0,001) K. Prvi je pokazao da postoje i fine anomalije u tom spektru. Za ta je otkrića Nobelova nagrada dodijeljena 2006. godine. Nakon satelita COBE slijedio je satelit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), lansiran 2001. godine. WMAP je precizno izmjerio fluktuacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja koje odgovaraju začetku formiranja galaksija i koje su bile predviđene modelom velikog praska. Konačno, 2009. godine lansiran je satelit Planck koji je napravio dosad najpreciznije mjerenje anizotropije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Prvi rezultati Plancka bili su objavljeni u proljeće 2013. godine, a konačni rezultati relativno nedavno, na samom kraju 2014. godine.
Osim anizotropije, Planck je mjerio i polarizaciju kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Polarizacija je svojstvo povezano s orijentacijom ravnine titranja elektromagnetskog vala. Nepolarizirani val ima nasumično odabranu orijentaciju ravnine titranja, dok polarizirani val ima neku preferiranu orijentaciju. Možemo zamisliti da okolina natjera val da odabere neku određenu orijentaciju. Mjerenjem polarizacije možemo identificirati taj utjecaj okoline. Primjerice, iz mjerenja polarizacije vidljive svjetlosti koja se odbija od površine mora može se izračunati oblik morskih valova. Nema potrebe to raditi s morem, naravno. Govorim samo načelno da polarizirani fotoni nosi informacije o valovima i da se ta informacije iz mjerenja polarizacije mogu rekonstruirati. Polarizaciju kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja mjerila su još i dva posebna teleskopa: BICEP2 i Keck Array.
BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) bio je teleskop na Južnome polu za dosad najpreciznije mjerenje prostorne raspodjele polarizacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Motivaciju za takva mjerenja dala su teorijska predviđanja da smjerovi polarizacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja odražavaju svojevrsne valove, kao u gornjem primjeru s morem. Ali u ovom kozmičkom slučaju ne valove materije, nego valove samog prostorvremena iz vrlo rane faze razvoja svemira – primordijalne gravitacijske valove. Gravitacijski valovi su svojevrsni nabori u prostorvremenu koji se šire brzinom svjetlosti. Primordijalni gravitacijski valovi, predviđa se, nastali su zbog najsnažnijeg potresanja prostora ikad, zbog kozmičke inflacije. Kozmička inflacija bila je jako, jako rana faza u razvoju svemira kad se u neizmjerno kratkom vremenskom intervalu (10–35 s) odvilo neizmjerno veliko širenje prostora (za faktor od najmanje 1030).
Znači, kozmička inflacija bi uzrokovala primordijalne gravitacijske valove, a oblik tih valova odredio bi prostornu raspodjelu orijentacija polarizacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja koja bi bila opaziva i danas. Kolaboracija BICEP2 bila je objavila da je takav otisak primordijalnih gravitacijskih valova opazila. I da je time potvrdila teoriju kozmičke inflacije. No, ispalo je da je ta interpretacija u najmanju ruku pretjerana. Naime, konačni rezultati satelita Planck pokazali su da je kozmičke prašine puno više nego što je kolaboracija BICEP2 pretpostavljala. A kozmička prašina ima utjecaj na tu vrstu mjerenja. Drugim riječima, mjerenja teleskopa BICEP2 nisu upitna, no upitna je njihova interpretacija. Ne može se pouzdano tvrditi da su uzrok primordijalni gravitacijski valovi. No, time se ne osporava moguće postojanje primordijalnih gravitacijskih valova. Samo se tvrdi da ih BICEP2 nije mogao ustanoviti. Ne osporava se ni kozmička inflacija. Samo se tvrdi da ju BICEP2 nije mogao potvrditi. Time je saga zvana BICEP2 završena, no nije završena potraga za primordijalnim gravitacijskim valovima. Ta potraga tek počinje.