Pietų ašigalio teleskopai: visatos gimimo liudijimas

Pa­čios ne­svet­ing­iau­sios Že­mės vie­tos i­dea­liai tin­ka pir­mų­jų vi­sa­tos eg­zi­sta­vi­mo mo­men­tų ste­bė­ji­mui.

Tai vienas didžiausių planetos teleskopų, tačiau jis atrodo visiškai mažas bekraštėse Antarktidos plynėse. Šiame akinančiai balto sniego pasaulyje, kur gruodžio saulė niekada nenusileidžia, atstumus įvertinti sunku. Tikrasis Pietų ašigalio teleskopo (PAT) 10 metrų skersmens antenos dydis pasidaro akivaizdus tik kai mūsų mažas sunkvežimiukas privažiuoja prie pastato, kuriame jis stovi.

Niekas iš JAV Amundseno-Scotto Pietų ašigalio stoties nenuklysta nuo jos toliau, nei keletą šimtų metrų. Nors beveik -40 °C temperatūros vėją stoties gyventojai laiko švelniu, kai nusimaunu pirštines, norėdamas padaryti kelias nuotraukas, savo pirštų netrukus imu nebejausti. Ir nors dėviu pusę veido dengiančius apsauginius akinius, vėjo išspaustos ašaros suledėja man ant vokų.

Stoties vyresniajam mokslininkui Bradui Bensonui iš Čikagos universiteto, ekstremalus šaltis ir atokumas, regis, nė motais. Galiausiai, juk stotyje yra nuosavas muzikinis kambarys, baras, netgi sauna – tikriausiai karščiausia vieta visame žemyne. Kaip bebūtų, daugiausiai entuziazmo Bensonas semiasi iš savo darbo. Jis su kolegomis seka karštu revoliucinio proveržio kosmologijoje pėdsaku. Naudodami jautrias, teleskope vos prieš metus sumontuotas, kameras, jie tikisi įlieti šviesos į pirmąsias trilijonines trilijoninės trilijoninės sekundės dalies po visatos gimimo. Jei dėl to tenka aukotis, tebūnie. „Pietų ašigalis yra viena iš geriausių vietų Žemėje tokiems tyrimams“, – sako Bensonas, traukdamas ledo kristalus iš barzdos.

Naujagimė visata buvo neįtikėtinai tanki, beprotiškai karšta ir kupina energingo spinduliavimo. Visatai plečiantis ir vėstant, spinduliavimo energija skydo ir ir jos bangos ilgėjo, kol beveik po 14 milijardų metų neliko nieko kito, tik visur esantis mikrobangų švytėjimas. Šių kosminių foninių mikrobangų (KFM), dažnai vadinamų „sutvėrimo atšvaitais“, tyrimas yra geriausias būdas kosmologams iššifruoti kosmoso kūdikystę ir tolesnę evoliuciją. Pavyzdžiui, mažos KFM temperatūros variacijos, pirmą kartą aptiktos dešimtojo dešimtmečio kosminėse misijose, atskleidė tankesnių ir retesnių pradinės materijos sričių egzistavimą, vėliau išaugusių į dabar visatoje matomus galaktikų spiečius ir tuštumas.

PAT buvo pastatytas prieš šešerius metus nuodugniam KFM tyrimui. Tačiau, nors KMF stebėjimai PAT ir kitais teleskopais gali parodyti puikius atvaizdus visatos, kai nuo Didžiojo sprogimo tebuvo praėję 380 000 metų, į dar ankstesnius laikus jie pažvelgti negali. Prieš tai erdvė buvo pripildyta kunkuliuojančios plazmos, nuolat absorbuojančios ir išspinduliuojančios fotonus, tad šviesa negalėjo pasprukti. Tiktai temperatūrai galiausiai nukritus pakankamai, kad šios dalelės galėtų susijungti į neutralius atomus, spinduliavimas galėjo laisvai sklisti per visatą. Tad galime pažvelgti į naujai gimusios visatos fotoną tik nuo to momento, kai kosmosas pasidarė skaidrus, bet pačio gimimo dar neužfiksavome.

Tai apmaudu, sako Bensonas, nes teorija sako, kad pačiais pirmaisiais momentais dėjosi nuostabūs dalykai. Pagal kosminės infliacijos hipotezę, visata, būdama vos maždaug 10^-36 sekundės dalies amžiaus, pradėjo plėstis eksponentiškai, varoma paslaptingos vakuumo energijos neigiamo spaudimo. Per trumputę sekundės dalį regimoji visata nuo mažesnio už atomą dydžio išsiplėtė iki maždaug greipfruto. Laimei, infliacija liovėsi, kosminiam laikrodžiui atmatavus 10^-33 sekundės ar panašiai ir įsigalėjus ramesnei plėtimosi formai, leidusiai vėlesnį galaktikų, žvaigždžių ir planetų formavimąsi.

Infliacija yra populiari idėja, remiama kvantų fizikos ir tam tikra dalimi įrodymų, gautų misijose, tokiose, kaip ESA „Planck“ zondas ir NASA Wilkinsono mikrobangų anizotropijos zondas. Ji išsprendžia daugybę kirbančių kosmologijos problemų. Pavyzdžiui, ankstyvos visatos tankio variacijas paaiškina mažų kvantinių fluktuacijų „padidinimą“. Ji netgi gali būti susijusi su keista tamsiąja energija, dabar spartinančia kosmoso plėtimąsi.

Skverbimasis per tamsą

Net jei taip, apie infliacijos fiziką žinoma trikdančiai mažai. Buvo pasiūlyta daug skirtingų modelių ir astronomai netgi nėra visiškai įsitikinę, kad tai iš tiesų nutiko. Negalint pažvelgti į infliacijos epochą, atrodo, neįmanoma išsiaiškinti, kuris modelis, jei kuris nors išvis, yra teisingas.

Bet gali būti būdas. Per pastarąjį dešimtmetį kosmologai ėmė suvokti, kad staigi infliacijos pabaiga erdvėlaikyje turėjo sukelti virpesius, gravitacines bangas, kurių egzistavimą numatė Einšteino bendroji reliatyvumo teorija. Kitaip, nei spinduliavimas, šios pirmykštės gravitacinės bangos galėjo sklisti per karštą jauną visatą, tad jų dažnis ir galia galėtų papasakoti apie visatos būseną, pasibaigus infliacijai.

Pirmykštės gravitacinės bangos yra per silpnos, kad jas būtų galima aptikti eksperimentais, tokiais, kaip dvi Lazerinio interferometro gravitacinės observatorijos Hanforde, Vašingtono valstijoje ir Livingstone, Luizianoje, pastatytose susiliejančių juodųjų bedugnių ar neutroninių žvaigždžių sukeliamiems erdvėlaikio raibuliams aptikti. Tačiau tokios bangos turėtų palikti būdingus pėdsakus KFM spinduliavime. Šių ženklų aptikimas ir charakterizavimas leistų mums atskirti įvairius infliacijos modelius.

Būtent todėl Bensonas taip džiaugiasi naująja komandos kamera, Pietų ašigalio teleskopo poliarimetru (PATpol). Jis sukurtas detaliam KFM spinduliavimo poliarizacijos matavimui. Taip pat, kaip Saulės šviesa poliarizuojasi, atsispindėdama nuo ežero ar kelio, KFM spinduliavimas poliarizuojamas, kai išsklaido elektronus, keliaudamas per visatą. Prognozuojama, kad gravitacijos bangos subtiliai pakeičia poliarizacinį raštą. Risdamosi per erdvėlaikį, jos būdingai pastumia elektronus ir taip palieka žymę KFM spinduliavime.

Žymes aptikti bus sunku – lyg klausytumeisi svirplio čirpimo per roko koncertą. Silpną pirminių gravitacinių bangų signalą užgožia daug galingesni, kilę dėl ankstyvosios visatos tankio fluktuacijų. Šis stiprus signalas pirmą kartą buvo aptiktas 2002-aisiais teleskopu DASI, irgi stovinčiu pietų ašigalyje. Niekas nežino, kaip sunku bus aptikti gravitacinių bangų poliarizacinį pėdsaką, sako Bensonas. „Tai subtilus efektas,“ antrina PAT vyriausiasis tyrėjas Johnas Carlstromas. Kol kas geriausios aukštesniosios gravitacinės bangos poliarizacijos ribos pasiektos 2006 ir 2007 metais dar kitu pietų ašigalio instrumentu, Kosminės ekstragalaktinės poliarizacijos foninio vaizdavimo (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – BICEP) eksperimentu.

Aukštai ir sausai

Kaip nutiko, kad tiek daug KFM teleskopų įsikūrę vienoje nuošaliausių ir atšiauriausių planetos vietų? Norint stebėti kosminę mikrobangų spinduliuotę, reikia būti aukštoje ir sausoje vietoje. Atmosferos vanduo sugeria mikrobangas – dėl to paties principo įkaista vandens puodelis mikrobangėje krosnelėje. Todėl jūros lygyje stebėti KFM negalime: virš teleskopo pernelyg daug vandens prikaupusi atmosfera. Ir netgi aukštikalnėse reikia išties sauso oro. Pietų ašigalis yra 2830 metrų aukštyje ir oras čia itin sausas. Šiuo faktu savo kailiu įsitikina visi lankytojai. Kartais būdavo sunku kvėpuoti, o ir kopti laiptais sudėtinga. Dienos pabaigoje jutau, lyg lūpos būtų iš pergamento.

Išties, tai dar nieko. Mikrobangų fono anizotropijos masyvas (Array for Microwave Background Anisotropy, AMiBA) yra beveik 3400 metrų aukštyje ant Mauna Loa šlaitų Havajuose. Ypatingai geros sąlygos – bent jau teleskopams – Atakamos dykumoje Čilėje. Nuo 2012 metų ant Cerro Toco viršūnės 5200 metrų aukštyje įsikūręs Polarbear eksperimentas, matuojantis KFM poliarizaciją. Vėliau šiais metais prie jo prisijungs netoliese stovinčio Atacama'os kosmologinio teleskopo ACTPol kamera. Tai suteiks jautriausius KFM poliarizacijos matavimus, sako Mike'as Niemackas iš Cornellio universiteto Ithaca'oje, Niujorke, padėjęs sukurti detektorius abiems Pietų ašigalio ir Atacama'os teleskopams ir dabar dirbantis Atacama'os komandoje.

Konkurencija tarp abiejų komandų arši, bet draugiška, sako Niemackas. Ir tai nesibaigs su dabartine poliarimetrų karta. PATpol komanda jau kuria naują, pažangesnį, dešimt kartų jautresnį už savo pirmtaką, instrumentą. Tuo tarpu Niemackas ir jo bendradarbiai kuria patobulintą ACTpol versiją. Jautrumas, kampinė raiška, dažnių ir dangaus padengimas – svarbūs faktoriai paslaptingosios infliacijos poliarizacinių atspaudų medžioklėje. „Kol kas nežinome signalo stiprio. Tai tyrinėjimo mokslas“, – pažymi Davidas Spergelis iš Princetono universiteto.

Kai tiek padėta ant kortos, to paties lobio ieško daug komandų. Pavyzdžiui, Plancko misija, neregėtai detaliai sudarinėjo KFM spinduliavimo žemėlapį nuo jo paleidimo 2009-aisiais. Šių metų kovą komanda publikavo viso dangaus skliauto detaliausią kada nors sudarytą KFM žemėlapį. Tebeanalizuojami palydovo poliarimterų duomenys. „Planuojame paskelbti pirmuosius poliarimterijos duomenis maždaug po metų“, – sako projekto mokslininkas Janas Tauberis iš Europos Kosmoso tyrimų ir technologijų centro Noordwijke, Olandijoje. Jis tikisi, kad Planckas bus pirmasis aptikęs infliacijos gravitacinių bangų poliarizacinį signalą.

Bet Plancko jutikliai ne tokie jautrūs, kaip kai kurių antžeminių instrumentų, ir jie negali stebėti smulkiausio mastelio ženklų. Tai suteikia progą perimti pirmenybę ir kitiems KFM poliarizacijos eksperimentams. Ir jų pilna.

Keletas vyksta aukštose vietose. Kiti, kabantys po balionais, neseniai prasklendė aukštai virš Antarktidos, Australijos ir Naujosios Meksikos. BICEP-2 prietaisas nuo 2009-ųjų veikia mažame teleskope Pietų ašigalyje, tuo tarpu EBEX jutiklis sausį pabaigė 25-ių dienų skrydį balionu virš Antarktidos.

Tačiau dar daugiau eksperimentų planuojama. „Galiu pasakyti užtikrintai, kad per kitus keletą metų bus daug progreso“, – tikina Spergelis. Jis įsitikinęs, kad kosminės infliacijos patvirtinimas per KFM poliarizaciją pelnys fizikos Nobelio premiją.

Ir kas žino, matavimai jau gali būti surinkti – jei ne PATpol ar Plancku, tai BICEP-2 ar EBEX aparatais. „Preliminarius rezultatus planuojame paskelbti šiemet,“ sako Jamie'is Bockas iš BICEP-2 komandos, „bet tebeanalizuojame trejų metų galingesnius duomenis.“ Analizę sudaro kalibravimas, supratimas, kaip būtent instrumentas apdoroja signalus ir triukšmą, ir sisteminių klaidų ieškojimas. „Tai nelengva, – sako Bockas. – Reikia nerimauti dėl visko.“

Bockas teigia, kad BICEP-2 jautrumas pasiekė „įdomius lygius“. Bet jis neišduoda, ar komanda rado kokių nors infliacijos pėdsakų: „Negaliu sakyti, o jei ir galėčiau, negalėčiau sakyti jums.“

Kol kas sritis atvira. „Nežinome, kokio lygio KFM poliarizaciją sukuria pirminės gravitacijos bangos, – sako Shaulas Hanany'is, vadovaujantis EBEX komandai. – Tad nežinome ir kas pirmasis aptiks signalą. Bet aptikimas gali įvykti per kitus porą metų ar panašiai.“ EBEX buvo sugedęs vienas motoras, naudotas nukreipti 1,5 metro skersmens teleskopą skrydžio metu, bet poveikis galutiniams rezultatams dar nenustatytas.

Matydamas, kaip mokslininkai, tokie, kaip Bensonas iškeičia savo patogius namus ilgiems mėnesiams į spartietišką gyvenimą pasaulio pakraštyje, pradedi suprasti, kaip rimtai jie žiūri į tvirtų infliacijos įrodymų patvirtinimo užduotį. Nėra sėkmės garantijos. Jei pirmykštės bangos nepakankamai stiprios, iškalbingas poliarizacijos raštas „gali būti niekada neatrastas, – sako Carlstromas. Tai nereikštų, kad infliacijos nebuvo, priduria jis. – Remiantis poliarizacijos matavimais, niekada neis paneigti infliacijos.“

Kosmologų tokia perspektyva negąsdina. Netgi nieko neišvydus tam tikruose lygiuose, juos bus galima išbraukti iš plačios infliacinių modelių klasės. „Tai progresas“, – sako Spergelis.