Záhada „chladné skvrny“ trvá: Co je podstatou teplotní anomálie v reliktním záření?
Tým brazilských vědců zpochybnil jednu z důležitých kosmologických hypotéz týkající se reliktního záření a jedné podivné teplotní anomálie ve vesmíru.
Reliktní záření (kosmické mikrovlnné pozadí) je elektromagnetické záření, které přichází z vesmíru ze všech směrů a je považováno za pozůstatek konce Velkého třesku, kdy se záření oddělilo od hmoty prvotních atomů. Reliktní záření je jedním z hlavních důkazů pro teorii Velkého třesku (viz Historie výzkumu reliktního záření) a zároveň nejvýznamnějším zdrojem poznatků o mladém vesmíru.
Díky mnoha letům intenzivního výzkumu víme, že reliktní záření není úplně homogenní a v některých oblastech se jeho teplota poněkud liší. Nejznámější anomálii v tomto směru představuje takzvaná „chladná skvrna“ (anglicky Cold Spot) – oblast o průměru zhruba 10°, kde je teplota reliktního záření nápadně nižší (reálně jde jen o nepatrně odlišné hodnoty) než v jiných koutech vesmíru.
Reliktní záření, jak jej zmapovala starší vesmírná mikrovlnná observatoř WMAP. Chladná skvrna je vyznačena kroužkem. (ilustrace: NASA/WMAP Science Team, CC0)
Kosmologové se dlouhou dobu přikláněli k názoru, že tato „chladná skvrna“ v reliktním záření vznikla proto, že se v té části vesmíru nachází superprázdnota, tedy gigantická oblast kosmického prostoru, který je prakticky úplně prázdný. Pokud by touto ohromující prázdnotou procházelo záření, jevilo by se nám o něco chladnější než na jiných místech oblohy.
Superprázdnota mimo hru
Stephen Owusu z brazilské Federální univerzity v Rio de Janeiru a jeho spolupracovníci ve své doposud nepublikované studii ale hypotézu se superprázdnotou zpochybňují. Z jejich analýz vyplynulo, že kosmické prázdnoty přispívají k rozdílům v teplotě mikrovlnného záření podstatně méně, než jsme si mysleli.
Badatelé zjistili, že kosmické prázdnoty, které známe v dané oblasti oblohy, mohou vysvětlit jen zlomek v rozdílu teploty reliktního záření mezi „chladnou skvrnou“ a okolním vesmírem. Zároveň se ukázalo, že se v dotyčné části vesmíru už ani nemůže vyskytovat doposud neobjevená dostatečně velká prázdnota na to, aby dokázala vysvětlit existenci „chladné skvrny“ v reliktním záření.
TIP: Astronomové představili nejpřesnější mapu známého vesmíru a změřili jeho stáří
Vědci nepřicházejí s žádným vlastním vysvětlením fenoménu „chladné skvrny“, jejich zjištění ale ukazuje, že v otázkách reliktního záření ještě ani zdaleka neznáme odpovědi na všechny důležité otázky.
Historie výzkumu reliktního záření
S počátkem vesmíru je spojen pojem „Velký třesk“, byť jde o termín poněkud zavádějící – navozuje totiž dojem hlučného výbuchu, přestože k ničemu podobnému nedošlo – exploze se šíří prostorem, a při Velkém třesku prostor teprve vznikl.
Podle současných teorií se kosmos zrodil z ohromné „koule“ záření. Krátce po Velkém třesku toto záření jasně dominovalo nad hmotou a jeho energie byla neuvěřitelně velká. Jak se však prostor rozpínal, záření jej vyplňovalo a jeho teplota klesala. Přibližně 300 tisíc let po Velkém třesku se energie hmoty a záření vyrovnaly a od té doby dominuje hmota.
Záření sice chladlo, ale nemohlo zmizet. Astrofyzikové proto usoudili, že jeho zbytky se musely zachovat. Ralph Alpher s Robertem Hermanem publikovali v roce 1948 článek, v němž tvrdili, že toto zbytkové neboli reliktní záření by skutečně mělo existovat, mělo by být detekovatelné a jeho energie by měla odpovídat teplotě přibližně 5 K (kelvinů).
Následující desetiletí se zpětným pohledem zdají být neuvěřitelná. Hned několik badatelů mělo doslova na dosah odhalení hodné Nobelovy ceny – tedy objev reliktního záření téměř přesně tak, jak jej předpověděla teorie. Uskutečněná měření ukazovala, že lze ve vesmíru opravdu spektroskopicky detekovat záření s odpovídající teplotou.
Důležitý objev nakonec čekal na radioastronomy Arna Penziase a Roberta Wilsona z Bellových laboratoří. Když se jedna z tamních antén pro komunikaci se satelity stala po modernizaci systémů nepotřebnou, dostali dva mladí badatelé svolení přestavět ji na radioteleskop, který by sloužil k astronomickým účelům. Jakmile však Wilson s Penziasem anténu vyzkoušeli, detekovali jakýsi šum, jenž ovšem nesouvisel s konkrétním zdrojem. Ať zařízení natáčeli na jakékoliv místo na obloze, šum zůstával přítomný. Pokusili se anténu vyčistit, vyhnali párek holubů, který se v ní usadil, ale nic nepomohlo.
Neúnavní radioastronomové tedy pátrali dál, až se nakonec obrátili na Roberta Dickeho z Princetonu – a po mnoha letech se konečně propojila teorie a data z pozorování. Bylo jasné, že Penzias a Wilson opravdu odhalili ozvěnu Velkého třesku, za což také v roce 1978 obdrželi Nobelovu cenu.
TIP: Historie výzkumu reliktního záření: Tichý svědek počátku vesmíru
Podle mnohých ovšem přišli k ocenění jako slepí k houslím, protože v době svého objevu vůbec nedokázali docenit jeho význam: Článek, kterým jej oznamovali světu, nesl název „Měření nadbytečné anténní teploty na frekvenci 4 080 MHz“. Nicméně odhalení důležité pravdy o vesmíru nepochybně vyžadovalo dostatek znalostí i úsilí. Reliktní záření se později ukázalo jako velmi významný zdroj informací o raném kosmu.
