Svět fyziky zasáhla 22. ledna letošního roku nesmírně smutná zpráva. Ve věku 90 let nás navždy opustil vynikající americký kosmolog, astronom a fyzik Arno Allan Penzias, držitel Nobelovy ceny pro rok 1978. Jeho výzkum byl mimořádně důležitý z hlediska fyzik, avšak velmi ovlivnil i kosmonautiku. V zásadě to byl totiž právě Penzias, kdo umožnil existenci sond COBE, WMAP, Planck nebo budoucí LiteBIRD. Proto se domnívám, že je zcela na místě si tohoto jednoho z nejvýznačnějších kosmologů 20. století připomenout i na našem webu.

Dětství a mládí

Arno Penzias se narodil 26. dubna 1933 v Mnichově jako syn Karla a Justine Penziasových. Jeho rodiče tehdy provozovali ve městě kožedělný obchod. Možná vás zaujalo jejich neněmecky znějící příjmení. To je dáno tím, že prarodiče malého Arna se do Mnichova přistěhovali z Polska, kde patřili mezi význačné členy židovské komunity. Prvních několik let Arnova života bylo velmi šťastných, jeho rodiče měli harmonický vztah a tak se svým bratrem Guntherem vyrůstali jako zbožňované děti v láskyplném prostředí.

Vpravo rodina Penziasových. Malý Arno je chlapec v pozadí mezi rodiči. Vlevo Barnet Yudin, muž který jim pomohl uprchnout z Německa.
Zdroj: https://www.goodnewsnetwork.org/

Protože jde však o židovskou rodinu a 30. léta v Německu, pravděpodobně si myslíte, že rodinná pohoda brzy skončila. A bohužel máte pravdu. Právě v době okolo Arnova narození se moci definitivně chopili nacisté a židovské komunitě začaly velmi těžké časy. Arno tím zpočátku příliš ovlivněn nebyl, nicméně o něco později měla být jeho rodina deportována do Polska. Dokonce už tehdy jeli ve vlaku mířícím tím směrem, nakonec byl však rozkaz zrušen a oni mohli zůstat v Mnichově. Přesto si Arno tehdy dle svých slov poprvé uvědomil, že něco není tak docela v pořádku.

Budova Brooklyn Technical High School
Zdroj: https://www.bths.edu/

Krátce po jeho šestých narozeninách si rodiče uvědomili, že se nebezpečí stále zvětšuje a proto oba své syny posadili na vlak do Velké Británie. Naštěstí rodina Penziasových nenásledovala desítky tisíc dalších rodin, které se už nikdy kompletní neshledaly. Karl Penzias totiž dorazil do Velké Británie jen krátce po svých synech, Justine Penzias nakonec mohla vycestovat také, výjezdní povolení získala jen pár týdnů před začátkem války. Rodina strávila v Anglii asi půl roku, nicméně jejich definitivním cílem byly Spojené státy americké, kam dorazili v lednu 1940.

City College od New York
Zdroj: https://www.ccny.cuny.edu/

A zde se jim dařilo velmi dobře, rodiče si našli slušnou práci, zatímco děti studovaly. Arno, který v roce 1946 získal americké státní občanství, během studia na Brooklyn Technical High School, brzy projevil talent na přírodní vědy, proto se očekával jeho nástup na vysokou školu a studium chemie. Tu také skutečně začal studovat na City College od New York. Jenže hned v prvním ročníku studia objevil, že existuje také fyzika, která ho nesmírně zaujala a tak se rozhodl ihned změnit předmět studia. To mělo prudce ovlivnit nejen jeho vlastní život, ale i několik oblastí fyziky samotné.

Studijní život a začátek v Bellových laboratořích

Charles H. Townes
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Fyzika jej velmi naplňovala, takže v roce 1954 zakončil bakalářské studium jako premiant ročníku. Dva roky poté pracoval jako radarový důstojník i US Army Signal Corps a současně asistoval v radiační laboratoři na Columbia University. Zde se v roce 1956 zapsal k dalšímu studiu a obdržel tu magisterský i doktorský titul. Také zde se mu vedlo značně dobře. Působil v týmu věnujícím se mikrovlnné fyzice a učilo jej zde několik (budoucích) laureátů Nobelovy ceny jako byli Charles H. Townes, Polykarp Kusch nebo Isidor I. Rabi (kdo viděl film Oppenheimer, může si jej z něj pamatovat).

A byl to právě Townes, kdo vedl Penziasovu doktorskou práci. V jejím rámci dostal Arno za úkol sestrojit maserový zesilovač a použít jej v radioastronomickém experimentu dle vlastního výběru. Doktorát získal úspěšně v roce 1961 a následně se přihlásil k práci do Bellových telefonních laboratoří. Původně zde chtěl získat jen dočasné místo, ale jeden z jeho vyučujících mu poradili přijmout stálou pozici, neboť skončit v případě nespokojenosti může vždy. A tak přijal stálý post a vydržel zde pracovat následujících 37 let.

Bellovy laboratoře
Zdroj: https://d1p0gxnqcu0lvz.cloudfront.net/

Penziase velmi zajímala radioastronomie, proto zamýšlel použít velkou rádiovou anténu systému ECHO, která by mu umožnila velmi dobrá pozorování. Jenže v té době byla družice ECHO ještě v provozu, anténa tedy musela sloužit původnímu účelu. Arno se tudíž musel spokojit s jiným zařízením. Pomocí menší antény hledal emise mezihvězdných molekul. Potřeboval ovšem solidní odhad jejich excitace. Očekávalo se, že emisní čára bude ležet na vlnové délce 18 cm, což znamená, že potřeboval znát radiační teplotu prostoru při této vlnové délce. Použil 2 Kelviny, což je o něco více než dříve jeho kolegové. Tehdy už totiž věděl, že nejméně dvě měření z Bellových laboratoří naznačují, že teplotní šum oblohy hodnotu dvou Kelvinů dokonce přesahuje!

Telstar – družice, která odstartovala komunikační éru
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Ano, pokud nemůžete uvěřit tomu, co právě čtete, máte úplnou pravdu. Už tehdy byly v Bellových laboratořích provedeny experimenty, které vcelku jasně poukazovaly na přítomnost elektromagnetického záření v mikrovlnné oblasti, které je rozprostřeno rovnoměrně v celém vesmíru a přichází z celé oblohy. Nikdo tomu tehdy ovšem nepřikládal žádnou zvláštní důležitost. Dokonce i sám Penzias tento výsledek použil ve svém výpočtu, ale měl jej za tak nepodstatný, že na něj poté zcela zapomněl. Když mu to koncem roku 1966 připomněl kolega Field, mohl se jen zoufale chytat za hlavu. Dobře si uvědomoval, že jeho nejvýznačnější objev mohl přijít o několik roků dříve.

Počátkem 60. let měl však jiné starosti. V roce 1962 to byla například komunikace s novou americkou telekomunikační družicí Telstar a také s evropskými partnery, kteří se na projektu této družice podíleli. Krátce poté jej potkala šťastná okolnost. Studium na Kalifornském technologickém institutu dokončil fyzik Robert W. Wilson. Zaujaly jej Bellovy laboratoře, kde se snažil získat práci a nakonec byl také přijat. Oba muži krátce pracovali každý na svých projektech, v roce 1963 se ovšem naštěstí pro budoucí generace kosmologů rozhodli své síly spojit.

Největší objev kosmologie

Robert W. Wilson ve vysílání České televize.
Zdroj: https://img.ceskatelevize.cz/

Penziase s Wilsonem potkala na začátku jejich spolupráce jedna šťastná okolnost, která souvisí s družicí Telstar. Američané se původně domnívali, že evropská strana nebude mít pro komunikaci s družicí připravené dostatečně silné antény a že tedy budou muset využívat nejlepší anténu, kterou mají k dispozici. Naštěstí se ukázalo, že Evropany podcenili a tak byla velká anténa ve tvaru zvířecího rohu, původně určená pro projekt ECHO, k dispozici. Mohli si ji tedy zabavit Penzias a Wilson, kteří ji zamýšleli používat pro své radioastronomické experimenty.

Anténa používaná Wilsonem a Penziasem. Zde na snímku z roku 1962.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Chtěli pozorovat na vlnových délkách 7 a 21 centimetrů, aby co nejvíce využili možnosti v té době špičkové antény se skvělým rozlišením. Připravili sérii pozorování, z nichž nejnáročnější bylo měření intenzity záření přicházejícího z Mléčné dráhy ve vysokých zeměpisných šířkách. Při pozorování však brzy zjistili, že přijímají jakýsi záhadný šum, kterého se nedokázali zbavit. Původně se domnívali, že jde o rádiový šum z nedalekých velkoměst jako jsou New York, Philadelphia, Washington či Boston. Jenže pár dalších měření stačilo k tomu, aby určili, že se zdroj šumu nenachází na planetě Zemi.

Past na holuby použitá Penziasem a Wilsonem. Dnes je vystavena v Národním muzeu letectví a kosmonautiky ve Washingtonu D. C.
Zdroj: https://th-thumbnailer.cdn-si-edu.com/

Chvíli pak operovali se Sluncem či středem naší Galaxie. Jenže tyto zdroje také brzy vyloučili. Zdálo se, že šum přichází rovnoměrně z celé oblohy. V té době zjistili, že si v jejich anténě udělal hnízdo párek holubů, který by mohl způsobovat špatnou funkci antény v důsledku dielektrického bílého materiálu, který v důsledku jejich činnosti anténu pokryl. Takto poeticky Penzias označoval holubí trus. Odchytili tedy holuby, naložili do auta, odvezli několik desítek kilometrů daleko a tam vypustili. Jenže holubi se brzy vrátili. Celý proces tedy opakovali znovu. Nepomohlo to, holubi znovu přiletěli. Rozhodli se proto pro radikální řešení, oba holuby zabili. Jenže ani to nepomohlo, šum zachytávala anténa stále.

Bernard Burke
Zdroj: https://news.mit.edu/

Penzias a Wilson už byli poměrně zoufalí. Vyloučili všechny možné zdroje šumu i to, že by snad anténa mohla fungovat nesprávně. Také zavrhli veškeré představitelné zdroje ve Sluneční soustavě, i v Mléčné dráze. Bylo jim tedy jasné, že se zdroj musí nacházet v hlubokém vesmíru, o jeho podstatě ale neměli ani ponětí. Penzias si na příhodu starou několik let (viz výše) ani nevzpomněl. Naštěstí však měli kamaráda Bernarda Burkea z Massachusettského technologického institutu (MIT), který věděl o tom, že teoretická skupina na Princetonské univerzitě zrovna pracuje na modelu raného vesmíru, který by snad mohl Penziasovu a Wilsonovu záhadu vyřešit.

Burke tedy propojil Penziase a Wilsona s Princetonskou skupinou v níž působili Robert Dicke, James Peebles, Peter Roll a David Wilkinson. Dicke Penziasovi zaslal vědecký článek, který s kolegy připravili k vydání. Penzias si jej přečetl a rychle mu došlo, co by mohl jejich objev znamenat. Proto pozval kolegy z Princetonu do Bellových laboratoří, aby mohli signál sami prozkoumat. Po krátkém zkoumání dospěly obě skupiny k závěru, že záření objevené v Bellových laboratořích skutečně odpovídá Princetonské předpovědi. O co vlastně šlo?

James Peebles (druhý zleva) na tiskové konferenci Princetonské univerzity.
Zdroj: https://i.ytimg.com/

Princetonské čtveřici došlo, že pokud byl vesmír na počátku nesmírně hustý a horký, mělo by po této jeho fázi do dnešních dní něco zůstat, konkrétně tedy fotony. Původně bylo toto záření emitováno ve viditelné oblasti spektra a mělo teplotu asi 3 000 K, ovšem jak se vesmír rozpínal a chladl, záření se přesunulo až do mikrovlnné oblasti a jeho dnešní teplota je výrazně nižší. Teoretici z Princetonu hovořili o jednotkách Kelvinů, Penzias s Wilsonem určili přesnou teplotu na 2,7 K. To, že toto záření existuje není jen tak. Dokazuje to, že byl vesmír na počátku skutečně takový, jako předpovídá teorie velkého třesku. Pro tuto teorii je to tedy velmi silný důkaz podpory, naopak pro konkurenční modely je to v podstatě konec, neboť tento fakt nedokáží uspokojivě vysvětlit.

Reliktní záření, tak jak jej v roce 1965 viděli Penzias a Wilson. Světlý pruh uprostřed je pás naší Galaxie.
Zdroj: https://astronomy.com/

Obě skupiny připravily k vydání dva články, první sepsala Princetonská čtveřice, druhý Penzias s Wilsonem. Zajímavé je, že svou anténou viděli oba muži reliktní záření, jak se mu začalo říkat (v angličtině CMB – kosmické mikrovlnné pozadí), jako rovnoměrné záření přicházející z celé oblohy. Jedinou výjimku představoval pás uprostřed, tedy rovina naší galaxie. I zde samozřejmě reliktní záření přichází, ale bylo přezářeno galaktickými zdroji.

Ocenění a důsledky objevu

Arno Penzias si přebírá Nobelovu cenu za fyziku
Zdroj: https://d1p0gxnqcu0lvz.cloudfront.net/

Vzhledem k tomu, že objev Penziase a Wilson zásadním způsobem ovlivnil kosmologii i fyziku jako celek, není divu, že oba pánové získali v roce 1978 Nobelovu cenu za fyziku, čekali tedy poměrně krátce. Společně s nimi byl oceněn ještě sovětský fyzik Pjotr Kapica, ten ovšem získal svou část za objev supratekutosti, tedy výzkum, který s tím americkým nijak nesouvisel. Teoretikové tehdy oceněni nebyli. Pouze jeden z nich, James Peebles, se nakonec Nobelovy ceny dočkal, a to v roce 2019. Nemá ji tedy přímo za teoretickou předpověď reliktního záření, nicméně je jasné, že tato okolnost hrála v jeho ocenění významnou úlohu.

Výzkum reliktního záření se později značně rozvinul a stal se z něj základní nástroj kosmologie. Teoreticky byly předpověděny drobné teplotní anizotropie, které byly poté následně objeveny týmem stojícím za sondou COBE. Dva vedoucí obou hlavních experimentů, John Mather a George Smoot, pak získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2006. Tyto anizotropie zkoumaly i balonové experimenty a následně reliktní záření velmi důkladně probádaly americká sonda WMAP a evropská Planck. Právě díky nim dnes známe základní parametry našeho vesmíru.

Sonda Planck
Zdroj: https://www.esa.int/

A výzkum bude pokračovat i v budoucnu, reliktní záření nám totiž může prozradit ještě mnoho nového, co by nás předtím o našem vesmíru ani nenapadlo zjišťovat. Chystá se tak ke startu japonská sonda LiteBIRD, jejímž hlavním úkolem bude zkoumat především polarizaci reliktního záření. Ano, i fotony reliktního záření mohou být polarizované a to z mnoha důvodů. Všechny jsou zajímavé, ale zvláště některé typy polarizace jsou velmi důležité, protože nám mohou prozradit existenci reliktních gravitačních vln ze samotného počátku kosmu a nebo ukázat na topologické defekty, jako jsou kosmické struny či doménové stěny.

Další život A. Penziase

Ale zpět k našemu hrdinovi. Ten i nadále pokračoval v práci na radioastronomii. Pomocí nového zařízení na observatoři Kitt Peak v Arizoně například s Wilsonem objevili a studovali celou řadu mezihvězdných molekulárních mračen, u nichž nalezli mnoho zajímavých chemických látek. V roce 1973 objevili první mezihvězdný oblak s přítomností deuteria (těžký vodík), na základě čehož potom sledoval rozmístění deuteria po celé Mléčné dráze. Ukázalo se, že téměř všechno deuterium v kosmu vzniklo při Velkém třesku, což ještě více podpořilo význam jeho předchozího objevu reliktního záření.

Kitt Peak National Observatory
Zdroj: https://noirlab.edu/

Mezitím Penzias postupoval stále výše v hierarchii organizace. Roku 1972 se stal vedoucím oddělení radiofyzikálního výzkumu, o čtyři roky později se stal ředitelem Radio Research Laboratory. A v roce 1979 se stal dokonce vedoucím celé vědecké divize. Přesto však pokračoval ve svém výzkumu, když se věnoval především izotopům v mezihvězdném prostoru a jaderné astrofyzice. Stále častěji však přenechával vlastní výzkum svým studentům. Roku 1981 navíc Penziasův osobní výzkum téměř skončil, neboť se stal viceprezidentem pro výzkum a na vysoké manažerské pozici už neměl na vědu čas.

Penzias v roce 2007
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

V této pozici byl dlouho spokojen, počátkem 90. let se však rozhodl pro obrovskou změnu. Téměř zcela se odstřihl od původní organizace a odešel do Kalifornie do Silicon Valley, kde pomáhal vytvářet a realizovat začínajícím firmám nové nápady. Zajímaly ho samozřejmě všechny možné technologické novinky, kupříkladu pracoval na nových nadějných zdrojích energie, nicméně začal pronikat i do podnikatelského prostředí. Tyto nové výzvy přijal hlavně proto, že nechtěl odejít do penze. Nedokázal si představit svůj život bez stále nových výzev.

Bohužel, jeho úžasnou kariéru nakonec nadobro zastavila Alzheimerova nemoc, která se u něj v pozdějším věku projevila. Právě na komplikace s ní spojené zemřel tento významný kosmolog 22. ledna 2024 ve věku 90 let. Avšak jeho myšlenky a objevy žijí dále.

Použité a doporučené zdroje

• Nobel Prize: https://www.nobelprize.org/
• Bellovy laboratoře: https://www.bell-labs.com/
• Princeton University: https://www.princeton.edu/
• Columbia University: https://www.columbia.edu/
• City College of New York: https://www.ccny.cuny.edu/
• Brooklyn Technical High School: https://www.bths.edu/
• COBE NASA: https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/

Zdroje obrázků

• https://i.ytimg.com/vi/nC2nDg7cFlg/hqdefault.jpg
• https://www.goodnewsnetwork.org/wp-content/uploads/2022/06/Barnet-Yudin-left-and-Arno-Penzias-between-parents-in-this-photograph-that-was-shown-to-Barnet-Yudin-in-1938-FAMILY-PHOTOS-1024×605.jpg
• https://www.bths.edu/pics/images/school.jpg
• https://www.ccny.cuny.edu/sites/default/files/styles/section_background_image_1440x900/public/2019-08/carlosparker_harrishall.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/54/Charles_Townes.jpg
• https://d1p0gxnqcu0lvz.cloudfront.net/images/MH_drone_front-side_1.width-640.png
• https://www.researchgate.net/profile/Joseph-Pelton/publication/224126023/figure/fig1/AS:393778474045452@1470895513002/The-Telstar-Satellite-prior-to-launch-in-1962-photo-xourtesy-of-NASA.png
• https://img.ceskatelevize.cz/ivysilani/bonuses/photos/crop/189/18887.jpg?1454594751
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Horn_Antenna-in_Holmdel%2C_New_Jersey_-_restoration1.jpg
• https://th-thumbnailer.cdn-si-edu.com/RcKThjl6_P24mP-mzy5I-9JkuAw=/1000×750/filters:no_upscale():focal(399×1342:400×1343)/https://tf-cmsv2-smithsonianmag-media.s3.amazonaws.com/filer/38/35/383598ab-b21a-4390-b5db-d02b87f3bb3c/si-2001-5347.jpg
• https://news.mit.edu/sites/default/files/styles/news_article__image_gallery/public/images/201809/bernard-burke-mit-00.jpg?itok=Ms8KSQN3
• https://i.ytimg.com/vi/GxWFZsdZN-0/maxresdefault.jpg
• https://astronomy.com/-/media/Images/News%20and%20Observing/Intro%20to%20the%20Sky/Astro%20101/CMB/CMB_1965.jpg?mw=600
• https://d1p0gxnqcu0lvz.cloudfront.net/original_images/86-300213.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2007/01/planck_in_space/9880824-3-eng-GB/Planck_in_space_pillars.jpg
• https://noirlab.edu/public/media/archives/images/screen/noirlab-kitt-peak-drone4-3992×2242.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/75/Arno_Penzias.jpg