Otkriveni gravitacijski valovi koji objašnjavaju nastanak Svemira!

Objavljeno je kako su fizičari pronašli lom u svjetlosti nastao nakon Velikog praska. Njegovo otkriće se već dugo predviđa i on predstavlja prvu sliku valova u Svemiru koji se zovu gravitacijski valovi.

To otkriće je izravan dokaz teorije inflacije koja tvrdi kako se Svemir izuzetno brzo širio u prvom dijelu nanosekunde nakon što je nastao. Štoviše, signal je znatno snažniji nego što su očekivali, isključuje mogućnost postajanja mnoštva modela inflacije a možda i ukazuje na nove teorije u fizici, kažu stručnjaci.

„To je važno otkriće“, kaže Marc Kamionkowski, profesor fizike i astronomije na Sveučilištu Johns Hopkins. On nije bio uključen u postupak otkrića, ali još 1997. je godine predvidio da bi dokazi gravitacijskih valova mogli biti pronađeni. „Ne događa se svaki dan da se probudite i saznate nešto sasvim novo o ranom Svemiru. Za mene je ovo otkriće vrijedno Nobelove nagrade.“

Eksperiment Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2), proveden na Južnom polu, otkrio je uzorak zvan primordijalna polarizacija B-mode u svjetlu preostalom nakon Velikog praska, a poznat je i pod imenom kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (CMB). Taj uzorak (u obliku uvojka u polarizaciji ili orijentaciji svjetla) mogu stvoriti samo gravitacijski valovi nastali inflacijom. „Izgleda kao vrtložni oblik na nebu“, kaže Chao-Lin Kuo, fizičar na Sveučilištu Stanford, koji je dizajnirao detektor BICEP2. „Pronašli smo neoboriv dokaz inflacije i dobili smo prvi prikaz gravitacijskih valova na nebu.“
 
Takvo revolucionarno otkriće zahtijeva potvrdu drugim eksperimentima kako bi bilo sasvim uvjerljivo. U svakom slučaju, rezultate hvale mnogi vodeći znanstvenici u tom polju. „Postoji  mogućnost da je u pitanju greška, ali mislim da je vrlo vjerojatno da ćemo potkrijepiti rezultate“, kaže Alan Guth s MIT-a, koji je prvi predvidio inflaciju još 1980. godine. „Mislim da smo izvrsno analizirali rezultate.“

Detektor BICEP2 je pronašao iznenađujuće snažan signal polarizacije B-mode, što je znanstvenicima dalo dovoljno podataka da nadmaše statističko značenje polazišta „5-stigma“. Zapravo, istraživači su bili toliko zapanjeni signalom da su na objavljivanje podataka čekali više od jedne godine jer su tražili sva moguća druga objašnjenja za uzorak koji su pronašli. Naposljetku, kada je nasljednik detektora BICEP2, Keck Array, stigao na isto  mjesto te pokazao iste rezultate, znanstvenici su bili uvjereni u pronalazak. „To je odigralo veliku ulogu i uvjerilo nas da je riječ o nečemu stvarnom“, kaže Kuo.

Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje je blagi sjaj koji prožima cijelo nebo, a potiče tek od 380 000 godina nakon Velikog praska. Prije toga je rani Svemir bio previše zagrijan i gust da bi svjetlo dugo putovalo, a da pri tome ne udari u materiju. Kada se ohladio do razine gdje se mogu stvarati neutralni atomi, svjetlo je moglo slobodno i nesmetano putovati Svemirom, i postalo je CMB. Ovaj sjaj su Arno Penzias i Robert Wilson sasvim slučajno otkrili 1964. godine. Oni su ga prvo greškom vidjeli kao smetnje uzrokovane izmetom golubova na antenama. S vremenom su znanstvenici shvatili da su otkrili otisak iz praiskonskog Svemira, pronalazak koji im je 1978. godine donio Nobelovu nagradu iz područja fizike. „Nevjerojatno je što je nastalo od CMB-a“, kaže Wilson. „Na početku nisam ni približno shvaćao koliko podataka možemo dobiti od njega. S moje točke gledišta, bilo je to predivno putovanje.“

BICEP2 koristi oko 250 detektora polarizacije koji su veličine palca, i njima traži razlike u svjetlu CMB-a s malih dijelova neba, a dobiva ih teleskopom iz dva okomita smjera. Uređaj je prikupio podatke iz razdoblja od siječnja 2010. do prosinca 2012. godine na postaji Amundsen-Scott na Južnom polu, gdje hladnoća i suh zrak pružaju posebno pogodne uvjete za promatranje. Drugi eksperiment koji je tu proveden, a zove se Teleskop Južnog pola, rezultirao je pronalaskom polarizacije B-mode prošle godine, premda je signal koji je tada uočen na nebu bio drugačijeg četvrtastog oblika i bilo je jasno da se javio zbog učinka gravitacijske leće  (iskrivljivanja svjetlosti uzrokovanog velikim predmetima) zbog velikih galaksija, više nego zbog primordijalnih gravitacijskih valova koji su tu viđeni. 
 
Pored detektora BICEP2, u potrazi za polarizacijom B-mode u CMB-u, u istraživanje su uključeni i projekti poput Atacama B-mode Search (ABS) sa Sveučilišta Princeton, eksperiment POLARBEAR sa Kalifornijskog sveučilišta u Berkleyu, E i B Experiment (EBEX) sa Sveučilišta u Minnesoti, Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) sa Sveučilišta John Hopkins, kao i brojni drugi. S obzirom na to da su članovi tima vidjeli tako jasan signal, ta istraživanja bi vrlo lako trebala potvrditi rezultate, ukoliko su oni stvarni. „Sada smo otkrili samo mali dio onoga što još trebamo saznati“, kaže Kamionkowski. „U budućnosti ćemo na osnovu tih saznanja dobiti mnoštvo novih podataka. Velika je to stvar, ne samo za ljude koji su došli do tog otkrića, nego i za sve ljudi do kojih je vijest došla, a različiti eksperimenti bi trebali skupljati dodatne podatke.“
 
Istraživači koji su upravljali detektorom BICEP2 prijavili su iznenađujuće velik broj za r (omjer fluktuacija gravitacijskih valova u CMB-u i fluktuacija koje uzrokuju smetnje u gustoći materije). Na osnovu mapa cijelog neba koje su dobivene zahvaljujući sondi Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)  i satelitu Planck, ranije se procjenjivalo da je taj broj manji od 0,11. Međutim, iznos koji je izračunao BICEP2 je 0,20. „Sve zavisi o malom r“, kaže Guth, „i to mjerenje malo mijenja stvari. Zapravo, modeli koji se prošli tjedan više nisu smatrali upotrebljivima, sada se vraćaju u igru.“ Tako velika vrijednost za r, na primjer, upućuje na to da je inflacija počela i ranije nego što su neki modeli predviđali, tj. da je počela u jednom trilijunu trilijuna trilijuna sekunde nakon Velikog praska.

Vrijeme inflacije fizičarima daje podatke o  razmjeru energije Svemira u vremenu kada se inflacija odvijala. Značaj iznosa r koji je odredio detektor BICEP2 može značiti da je to bio isti razmjer energije pri kojem su sve sile prirode, osim gravitacije (elektromagnetskih, jakih i slabih sila), mogle biti ujedinjene u jednu silu, a ova se ideja naziva Teorijom velikog ujedinjenja. Novi pronalazak podupire ideju Teorije velikog ujedinjenja i eliminira jedan broj modela inflacije koji ne prate takav razmjer energije. „Ovo stvarno znatno uništava moguće modele inflacije“, kaže Kamionkowski. „Umjesto da tražimo iglu u plastu sijena, tražit ćemo iglu u kantici pijeska.“

Teorija velikog ujedinjenja predlaže postojanje novih polja koja djeluju slično polju Higgs koje je povezano s česticom Higgsov bozon otkrivenom 2012. godine. Ta nova polja bi pokazala da i druge čestice, teže od Higgsovog bozona, postoje premda im je masa toliko velika da bi ih bilo nemoguće stvoriti u bilo kojem tradicionalnom akceleratoru čestica. „To izračunavanje nam omogućava da koristimo rani Svemir kao laboratorij za nova polja fizike o razmjeru energije koji bi nam inače ostao nedostupan,“ kaže Kamionkowski. 

Izvor: SciAmerican