V loňském roce se kosmologie dostala i do prostředí sdělovacích prostředků a sociálních sítí. O odborných tématech souvisejících s naším vesmírem najednou debatovali i běžní lidé na internetu. A není divu, francouzsko-německá skupina kosmologů uveřejnila vědeckou studii, která se na základě analýzy dat ze sondy Planck snaží vyřešit záhady, které fyziky i veřejnost zajímají velmi dlouho. Jak velký je náš vesmír? A jaký má tvar? Pokud vás zmíněný výzkum minul, odpovědi jsou možná poněkud překvapivé. Jak jsou však dané výsledky relevantní? Je skutečně na místě jejich velmi odvážná interpretace, které se dopouštěla řada diskutujících v internetových diskuzích?

Reliktní záření

Když byl vesmír starý jen asi 380 000 let, oddělilo se od látky reliktní záření. Přestože teoreticky můžeme nahlédnout i do výrazně dřívějších fází vývoje vesmíru pozorováním reliktních neutrin a reliktních gravitačních vln, zatím umíme detekovat pouze reliktní záření. To nám může poskytnout množství důležitých informací o vesmíru starém 380 000 let a také o množství důležitých kosmologických parametrů našeho vesmíru. Teplota reliktního záření v době jeho oddělení byla 3000 K, nacházelo se tedy ve viditelné části elektromagnetického spektra. Postupně však chladlo a dnes je jeho teplota pouhých 2,7 K. Chceme-li jej pozorovat, musíme se podívat do mikrovlnné a infračervené části spektra.

Původně bylo reliktní záření předpovězeno v roce 1948, posléze znovu v 60. letech a krátce na to, v roce 1964, také objeveno fyziky Arno Penziasem a Robertem Wilsonem. Nicméně mikrovlnné ani infračervené záření neproniká atmosférou Země příliš dobře. Proto se reliktní záření pozoruje buď v polárních či pouštních oblastech, kde je suchý vzduch a vyšší nadmořská výška, na sondážních raketách a balonech, či nejlépe v kosmickém prostoru.

Právě proto se do vesmíru vydalo několik sond, které měly tento mimořádně zajímavý fenomén prozkoumat. Jako první do kosmu odstartovala sovětská družice Prognoz 9 s experimentem RELIKT-1, následovaly americké COBE a WMAP, evropská Planck a koncem tohoto desetiletí na ně naváže japonská družice LiteBIRD. O většině těchto sond jsme již hovořili v minulém příspěvku o historii kosmologie. Dnes nás bude zajímat zejména sonda Planck a ještě konkrétněji jeden mimořádně zajímavý vědecký výsledek, který na základě jejího pozorování vznikl.

Sonda Planck

Po úspěších sovětské mise Prognoz 9 a americké COBE se začala o svoji vlastní observatoř k pozorování reliktního záření zajímat také Evropská kosmická agentura (ESA). Projekt družice pojmenované později po slavném německém fyzikovi Maxi Planckovi započal roku 1996 v rámci programu Horizon 2000. Planck byl postaven ve Francii v Cannes společností Thales Alenia Space, která vyvinula také servisní modul, podobný modulu teleskopu Herschel, s nímž měl společný základ. Kromě Evropy měli na sondě podíl také Američané. V Jet Propulsion Laboratory (JPL) zkonstruovali některé díly vědeckých přístrojů a také části chladícího zařízení.

Sonda samotná měla na výšku asi 3 metry, rozměr primárního zrcadla činil 150 na 190 cm. Na rozdíl od WMAP disponoval Planck pouze jedním primárním zrcadlem, měření z odlišných směrů oblohy probíhala díky rotaci sondy kolem své osy.

Ještě v době činnosti americké sondy WMAP v květnu 2009 vynesla Planck do kosmického prostoru raketa Ariane 5. Start z Kourou ve Francouzské Guyaně naštěstí proběhl úspěšně a Planck tak mohl zahájit několikatýdenní přelet. Manévr umisťující sondu na oběžnou dráhu kolem bodu L2 soustavy Slunce–Země, kde měla strávit nejméně dalších 15 měsíců, byl dokončen začátkem července 2009.

Doba pozorování se nakonec protáhla až 53 měsíců, neboť Planck fungoval nadmíru dobře a také zásoba chladícího média vydržela déle než se původně myslelo. Nakonec byla sonda deaktivována až 23. října 2013. Mezitím však stihla provést řadu zajímavých pozorování. K tomu byla vybavena dvěma přijímači, nízkofrekvenčním a vysokofrekvenčním, které společně pokrývaly dosti široký rozsah kmitočtů a mohly poskytnout komplexní obrázek o klíčových tématech, která si vědci přáli studovat.

Nízkofrekvenční přijímač (NFI) pracoval ve třech frekvenčních pásmech, které pokrývaly oblast od mikrovlnného po infračervenou část spektra. Přístroj NFI byl chlazen na teplotu asi 20 K běžným izotopem helia ⁴He, jehož zásoba stačila až do konce mise v říjnu 2013. Sonda ovšem nesla také vysokofrekvenční přijímač (HFI), který měl k dispozici šest frekvenčních pásem a byl chlazen vzácným izotopem helia ³He. Tento systém umožnil Plancku dosáhnout teploty pouhých sto milikelvinu (0,1 K), tedy desetinu stupně nad absolutní nulu. Díky heliu ³He byla observatoř Planck mezi roky 2009 a 2012 nejchladnějším známým objektem v kosmickém prostoru. Zásoby ³He ovšem došly v lednu 2012, proto bylo od té doby možné provádět pouze některá měření.

Ale i tak vydrželo helium oproti původnímu plánu výrazně déle, sonda tedy mohla udělat pět celých přehlídek oblohy místo dříve zamýšlených dvou. Navíc získala přesnější výsledky než WMAP, pracovala totiž v devíti frekvenčních pásmech oproti pěti u WMAP. A disponovala i přesnějšími přístroji s možností třikrát vyššího úhlového rozlišení a dokonce desetkrát lepším určením teploty. Detektory Plancku také dokázaly pozorovat nejen intenzitu reliktního záření, ale i jeho polarizaci.

Cílem pozorování nebylo ovšem jen reliktní záření, ale rovněž sledování objektů v Mléčné dráze, výzkum galaxií nebo aktivních galaktických jader. V neposlední řadě sonda sledovala velmi vzdálené zárodky hvězd a galaxií v infračerveném spektru a objevovala daleké kupy galaxií pomocí Sunjajevova–Zeldovičova jevu. Ten využívá pozorování vzájemné interakce fotonů reliktního záření s vysoce energetickými elektrony (například právě v horkém plynu kup galaxií).

Nás však pochopitelně zajímají především výsledky kosmologické. Dnes běžně udávané číslo věku vesmíru – 13,8 miliardy let vychází právě z pozorování Plancku. Přesná hodnota činí 13,799 miliard let, přičemž reliktní záření se oddělilo od látky 380 000 let po počátku, což je nejranější fáze vývoje našeho kosmu pozorovatelná v elektromagnetickém spektru. Rudý posuv reliktního záření činí 1 090, vzpomeňte si přitom na skutečnost, že rudý posuv nejvzdálenějších galaxií se pohybuje kolem 11. Přitom reliktní záření je vzdálené 13,79 miliard světelných let a zmíněné galaxie asi 13,39 miliardy světelných let.

Rovněž díky této sondě známe přesný poměr různých složek vesmíru. Dominantní je pochopitelně temná energie s 69,4 % hmoty–energie vesmíru, zbylých 30,6 % potom připadá na hmotu, z čehož je 4,8 % běžné baryonové hmoty a 25,8 % temné hmoty. Hubbleova konstanta určující rychlost vzdalování galaxií je určena na 67,7 (km/s)/Mpc.

Celkově lze považovat misi sondy Planck za mimořádně úspěšnou. Nejen, že nám upřesnila mnoho našich poznatků o vesmíru, ale poskytla též další důkazy pro Lambda–CDM model, současnou verzi teorie velkého třesku. Vzhledem k tomu lze snadno pochopit, že dva klíčoví vědci projektu Nazzareno Mandolesi z Itálie a Jean-Loup Puget z Francie se v roce 2018 podělili o Gruberovu cenu za kosmologii udílenou za objevy vedoucí k zásadnímu pokroku v našem chápání vesmíru. Ve stejném roce získal Jean-Loup Puget ještě Shawovu cenu za astronomii.

Význam reliktního záření pro kosmologii

Jak vznikl náš vesmír? Proč dnes vypadá tak jak vypadá? Takové otázky řeší odborníci již dlouhá staletí. Dlouhé tápání a stagnace ale díky rozboru reliktního záření vyústilo ve skokové zlepšení odpovědí na staré otázky. Některé problémy však zůstávají nevyřešeny a dokonce se je ani nikdo seriózně rozluštit nesnažil – až donedávna. Tak například se můžeme ptát jaký je tvar našeho vesmíru nebo pátrat po jeho velikosti. Víme, že průměr pozorovatelného vesmíru je 93 miliard světelných let, což je oblast odkud k nám stihlo přiletět záření. Dále za tzv. horizontem však vesmír pokračuje, existují zde další hvězdy, planety i galaxie. Pozorovat je však nemůžeme, navíc ani nevíme přesně jak velkou část vesmíru tato neviditelná oblast představuje. Avšak i v tomto případě by nám mohlo reliktní záření pomoci.

Už jsme si řekli, že teplota reliktního záření je 2,7 přesněji 2,73 Kelvinů, avšak jsou zde drobné odchylky. Tyto teplotní fluktuace známé také jako anizotropie reliktního záření jsou ovšem v řádu 10^-5 K. Pokud tedy pozorujeme v reliktním záření teplejší či chladnější místa, rozdíl proti průměru je právě jen takto drobný. Nicméně existuje a to je pro nás zcela zásadní. Právě tyto anizotropie poskytují řadu klíčových dat o našem vesmíru.

Podíváme-li se na mapu teplotních fluktuací, nejlépe tu nejnovější z Plancku, můžeme si všimnout, že zde chybí oblasti o větších úhlových rozměrech, od určité velikosti příslušné fluktuace neexistují. To může mít celou řadu příčin. Jednou z nich je i konečná velikost vesmíru, jelikož právě v konečném vesmíru by se za konečnou dobu existence nestihly vytvořit v reliktním záření příliš velké anizotropie.

S podobnými úvahami však musíme zacházet extrémně opatrně. Neexistence úhlově rozměrných fluktuací je skutečnost, která může a nemusí být vysvětlena konečností vesmíru. To, že nepozorujeme velké fluktuace v reliktním záření nutně neznamená, že je vesmír konečný, neboť pro přítomnost pouze úhlově malých oblastí si lze představit i jinou příčinu. Pozorování z Plancku a dalších sond a experimentů lze hypoteticky interpretovat jako podporu pro tvrzení o konečnosti vesmíru, avšak ani v nejmenším to není dostatečný důkaz. Pořád tedy přichází v úvahu i možnost, že vesmír může být prostorově nekonečný, která je navíc podle současných kosmologických dat poměrně pravděpodobná.

Velikost vesmíru

Pokud jsme se výše zabývali problémem jakou velikost má náš vesmír jako celek a jaký je jeho tvar, musíme si připustit, že šlo prozatím o velmi akademickou otázku. Nad ní se sice dalo ve volných chvílích donekonečna debatovat, avšak výsledky takových hovorů pro praktický výzkum byly v podstatě nulové. V minulém roce však všechno změnili Ralf Aurich a Frank Steiner z univerzity v Ulmu a Thomas Buchert a Martin France z Lyonské univerzity, když publikovali zásadní a přelomový výzkum, který se těmto nesnadno řešitelným problémům věnuje.

Už jsme si řekli, že v reliktním záření pozorujeme drobné odchylky od průměrné teploty, které však mají pouze určitou velikost. Právě rozložení a velikost chladnějších a teplejších míst nám může umožnit rozluštění další velké kosmologické záhady. Položme si následující otázku. Pokud by měl vesmír jinou velikost než má náš skutečný vesmír (ať už je tato velikost jakákoliv) vypadala by mapa reliktního záření jinak? A vcelku logicky můžeme ihned dojít ke kladné odpovědi. A toho právě výzkumníci využili, když prováděli množství numerických simulací, v nichž zkoumali podobu reliktního záření v různě velkých vesmírech.

Porovnání simulací s výsledky sondy Planck vedlo k poněkud překvapivému závěru. Pozorování nejlépe odpovídá vesmír o velikosti zhruba trojnásobku pozorovatelného vesmíru, jehož rozměr astronomové stanovili na 93 miliard světelných let. Pokud by tedy celý vesmír byl třikrát větší, příslušné číslo by bylo 279 miliard světelných let. Což není úplně moc, leckdo by mohl očekávat mnohem větší hodnotu. A z dobrého důvodu, neboť dnes běžně přijímaný inflační kosmologický model hovoří o prudkém rozepnutí vesmíru všemi směry o desítky řádů. K tomu sice mělo dojít na počátku existence našeho kosmu, ale i při relativně malé velikosti vesmíru v té době by se už při inflaci kosmos zvětšil nad výše udávanou hodnotu. Navíc si musíme uvědomit, že se vesmír od té doby ještě dále rozpíná.

Jedná se tedy o důkaz nesmyslnosti inflační teorie a potažmo i ránu pro celý standardní kosmologický model? Prozatím v žádném případě. Důležité je si uvědomit to co jsme si již řekli výše. Nepřítomnost velkých teplotních fluktuací není důkazem konečnosti vesmíru, může mít i jiné vysvětlení. Dospět tedy k definitivním závěrům na základě této jedné studie by bylo krajně nemoudré. Síla práce francouzsko–německé skupiny je v něčem jiném.

Jako první na světě se totiž pokusili seriózně určit velikost našeho vesmíru a zvláště je-li vesmír skutečně konečný, může jít o naprosto převratný výzkum, který se bude v učebnicích připomínat i za stovky let. Nikoliv však kvůli přesnosti, nýbrž vzhledem k principiálnímu pokroku. Zjištěná hodnota se pochopitelně může ještě zásadním způsobem změnit, až budeme mít k dispozici lepší pozorování reliktního záření nebo dokonalejší numerické simulace. Ostatně význam měření Edwina Hubblea také není v určení stáří vesmíru, když si uvědomíme, že se skutečná hodnota liší od té určené ve 30. letech minulého století o několik miliard let. Skutečný význam Hubbleových měření spočívá v podobě důkazu o rozpínání vesmíru. V případě tohoto výzkumu může být situace obdobná.

Tvar vesmíru

Stejný čtyřčlenný tým se rozhodl věnovat ještě otázce tvaru našeho vesmíru. Zajímavé je, že právě tyto odborníky napadlo při jejich práci probádat něco, co předtím nikdo důkladně nezkoumal. Uvědomili si, že z reliktního záření by mohly jít získat další podstatná data pokud by se nezaměřili přímo na anizotropii reliktního záření, ale na změny jeho teplot. S urputností buldoka se tedy do problému zakousli a výsledky na sebe nenechaly dlouho čekat.

Nejprve museli němečtí a francouzští fyzikové stanovit gradient teploty reliktního záření pro všechny body oblohy, tedy de facto vektor určující změnu teploty určený dvěma úhly v prostoru. Po dokončení tohoto úkolu následovala příprava podrobné mapy ukazující velikosti gradientu tepelných výkyvů kosmického mikrovlnného pozadí. Stejně jako v předchozím případě, i nyní proběhlo porovnání mapy s numerickými simulacemi. A také zde jsme se dočkali zajímavého vyvrcholení. Ukázalo se, že při porovnání simulace a observačních dat založených na pozorování Plancku vede na vesmír, který je konečný a současně není jednoduše souvislý.

Právě použité slovní spojení jednoduše souvislý objekt vychází z topologie a značí takový útvar, u nějž lze každou uzavřenou křivku stáhnout do bodu. Tedy například koule je jednoduše souvislá, zatímco válec nebo toroid (objekt ve tvaru donutu či pneumatiky) nikoliv. Přitom geometrie koule i toroidu je stejná, liší se ale právě topologií. Pokud jde o náš vesmír, nejjednodušší možnou verzi představuje vícerozměrná analogie toroidu. Je tedy možné, že náš vesmír vypadá jako n-rozměrný donut. To si pochopitelně neumíme představit, na to bychom se museli sami pohybovat ve vícerozměrném světě. Takový vesmír však můžeme zkoumat matematicky.

Ovšem pozor! Stejně jako v předchozím případě platí, že určitě nejde o definitivní důkaz. Má náš vesmír tedy tvar n-rozměrného toroidu? Možná ano, jistě to ale zatím nevíme a ještě nějakou dobu patrně ani vědět nebudeme. Přesto tento průlomový výzkum odpovědi na tyto velké otázky současné fyziky významně přiblížil.

Závěr

Naše generace má velké štěstí. Zatímco naprostá většina našich předků v uplynulých tisíciletích mohla o velkých kosmologických otázkách pouze spekulovat, v našem věku se tato kdysi zatracovaná věda posunula mílovými kroky kupředu. Nejen, že umíme dosti přesně určit základní parametry našeho vesmíru, ale jak ukazuje dnes probíraný výzkum, pomalu se blížíme vyřešení záhad o nichž si většina fyziků snad ani nemyslela, že někdy budou rozlousknuty. A ve skutečnosti vlastně není ani tak důležitá odpověď, naprostou senzací je už je prostý fakt, že se podobnými problémy vůbec můžeme vážně vědecky zabývat. Ačkoliv tedy pravděpodobně výsledky francouzsko–německé čtveřice nebudou úplně správné, obrovský průlom je už existence článku samotného. A lze důvodně očekávat, že snahy uchopit tuto záhadu nekončí, ba právě naopak. V budoucnu se tak myslím máme v oblasti kosmologie nač těšit.

Doporučené a použité zdroje

• ESA Planck – https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck
• NASA Planck – https://www.nasa.gov/mission_pages/planck

Zdroje obrázků

• 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://miro.medium.com/max/1200/1*Uzvq0XvVvnnJVE-3gHMJbA.jpeg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/Cobe_vision1.jpg
• https://sci.esa.int/sci-images/80/Planck-fuelling_027.jpg
• https://wiki.cosmos.esa.int/planck-legacy-archive/images/thumb/7/74/Thermal_temps.png/500px-Thermal_temps.png
• https://cdn.sci.esa.int/documents/34222/35279/1567218230632-Planck_HFI_LFI_CloseUp_transparent-Box410.jpg
• https://sci.esa.int/sci-images/63/Planck_power_spectrum_orig.jpg
• https://www.nist.gov/sites/default/files/styles/2800_x_2800_limit/public/images/2020/10/13/matter_pie_0.png?itok=VHAm-1J5
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Observable_Universe_with_Measurements_01.png
• https://planck.ipac.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/31/jpg_original/Planck-CMBpolarization.jpg?1423272321
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/03/planck_cmb/12583930-4-eng-GB/Planck_CMB.jpg
• https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2015/06/CMB_Lead_613x3431.jpg
• https://i1.rgstatic.net/publication/354667862_The_variance_of_the_CMB_temperature_gradient_a_new_signature_of_a_multiply_connected_Universe/links/61a649e5b4bbff76e2798e28/largepreview.png
• https://www.researchgate.net/profile/Ralf-Aurich/publication/354667862/figure/fig6/AS:1132017618034696@1646905440371/This-figure-shows-a-simulated-CMB-sky-map-having-the-monopole-and-dipole-subtracted-for.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Ralf-Aurich/publication/354667862/figure/fig7/AS:1132017618034747@1646905440647/Figure-showing-a-simulated-CMB-sky-map-having-the-monopole-and-dipole-subtracted-for-a.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Ralf-Aurich/publication/354667862/figure/fig2/AS:1132017613840528@1646905439894/The-map-of-the-normalizednormof-the-temperature-gradient-field-G-as-defined-in.jpg
• https://imageio.forbes.com/specials-images/imageserve/5bb7ad404bbe6f67d2e8aa11/0x0.jpg?format=jpg&width=1200