Redakcja: Czym jest promieniowanie reliktowe i czego możemy się dzięki niemu dowiedzieć?

Prof. Marek Demiański: Żeby odpowiedzieć na to pytanie trzeba się cofnąć do II połowy lat 20. ubiegłego wieku, kiedy Edwin Hubble odkrył, że nasza Droga Mleczna nie jest jedynym takim układem wielu gwiazd, a podobnych obiektów istnieje we wszechświecie bardzo dużo. Hubble odkrył nam więc świat galaktyk. Kiedy zaczął go badać, wyszło na jaw, że te galaktyki się poruszają i poznał również zależność, według której galaktyka oddala się z tym większą prędkością, im dalej się znajduje. Okazało się, że ten największy układ fizyczny, który jesteśmy w stanie obserwować, cały wszechświat, ewoluuje i rozszerza się. Wobec tego na myśl nasuwało się naturalne pytanie, co było wcześniej? Jeżeli teraz wszechświat się rozszerza, to w tych wcześniejszych epokach powinien być mniejszy albo galaktyki powinny znajdować się coraz bliżej.

Na początku lat 20. XX w. rosyjski matematyk Aleksander Friedman rozwiązał równania Einsteina zakładając, że wszechświat jest bardzo prosty, wypełniony w sposób jednorodny i izotropowy materią oraz pokazał, że w takiej sytuacji musiał on mieć początek. Przez pewien okres czasu kwestia tego początku, chociaż niezwykle intrygująca, jeżeli chodzi o takie fundamentalne pytanie filozoficzne, pozostawała bez odpowiedzi. Dopiero w połowie lat 40. inny Rosjanin, przebywający wówczas w Stanach Zjednoczonych, George Gamow zainteresował się tym, jakie fizyczne warunki mogły panować we wczesnych etapach ewolucji wszechświata, które teraz nazywamy Wielkim Wybuchem. Doszedł wtedy do wniosku, że im bardziej się cofamy w przeszłość, tym bardziej materia jest ściśnięta i gęsta, na tyle, że nie mogą już istnieć atomy, czy nawet jądra atomowe, a wszystko zostaje rozbite na najbardziej elementarne składniki. W czasach Gamowa były to proton, neutron, elektron i foton oraz neutrina. Ten bardzo gorący układ zaczął się powoli rozszerzać, no i w trakcie tego procesu powstawały lekkie pierwiastki. Jak jednak Gamow słusznie zauważył, fotony, które również wtedy istniały, nie giną we wszechświecie. One istnieją do dzisiaj i właśnie to tło wczesnych, gorących fotonów z fazy, kiedy wszechświat był bardzo gęsty i złożony głównie z elementarnych składników, nazywamy promieniowaniem reliktowym.

Tak więc już w 1946 r., Gamow przewidywał istnienie promieniowania reliktowego i co więcej oszacował nawet, jaką temperaturę, czyli jaką energię powinny mieć te fotony. Tym tak naprawdę nikt nie interesował się na poważnie i dopiero w roku 1964 przez przypadek zrobili to dwaj amerykańscy inżynierowie, chociaż teraz mówi się, że to byli radioastronomowie. Zainteresowali się oni możliwością przekazu wokół Ziemi sygnałów telewizyjnych i w związku z tym analizowali odbicie sygnałów radiowych od takich dużych balonów, znajdujących się wysoko nad powierzchnią Ziemi. W trakcie tej czynności zauważyli, że ich antena odbiera bardzo słaby sygnał, niezależnie od kierunku jej ustawienia, pory dnia i tego, czy te sygnały telewizyjne były przesyłane czy nie. W pierwszej próbie wyjaśnienia zjawiska uważali, że może to być szum wytwarzany przez bardzo skomplikowany układ wzmacniający sygnały radiowe. Po tym, jak ochłodzili system wzmacniający do temperatury ciekłego azotu, okazało się, że ten sygnał ciągle istnieje. To ich niezwykle zaintrygowało, dlatego też szukali wyjaśnienia.

Z pomocą przyszli fizycy z niedalekiego uniwersytetu w Princeton, którzy przygotowali specjalne doświadczenie. Bardzo szybko okazało się, że sygnał zarejestrowany przez Penziasa i Wilsona pochodzi od promieniowania reliktowego. Z natężenia sygnału i prostego założenia, że jest on wytwarzany właśnie przez takie tło fotonowe, naukowcy mogli ocenić temperaturę tego promieniowania. Okazało się, że wynosi ona jedynie 3 stopnie powyżej absolutnego zera. Za to osiągnięcie Penzias i Wilson otrzymali w 1978 r. Nagrodę Nobla, a problem promieniowania reliktowego stał się niezwykle interesujący dla radioastronomii.

Co ważnego w temacie promieniowania reliktowego dołożyli od siebie nobliści z 2006 r.?

Oczywiście zaraz po odkryciu promieniowania reliktowego przez Penziasa i Wilsona kilka innych grup radioastronomów, przede wszystkim fizycy z Princeton, a następnie radioastronomowie z Cambridge, potwierdzili jego istnienie. Wciąż brakowało jednak dowodu, że ma ono charakter tzw. promieniowania ciała doskonale czarnego*, ponieważ Penzias i Wilson zmierzyli tak naprawdę tylko natężenie promieniowania przy jednej długości fali. Wszyscy zdawali sobie sprawę, że do rozstrzygnięcia tej kwestii potrzebne są jego obserwacje spoza atmosfery ziemskiej. Wówczas, w 1978 r., amerykańska agencja NASA zaczęła pracę nad konstrukcją pierwszego sztucznego satelity Ziemi, specjalnie przeznaczonego do tego, żeby analizować, odbierać i badać to promieniowanie. Satelita został nazwany COBE (Cosmic Background Explorer), a wystrzelono go w listopadzie 1978.

Sam to dobrze pamiętam, ponieważ po dwóch tygodniach obserwacji tego satelity przyglądałem się pierwszym danym i były one szokujące. Okazało się, że promieniowanie reliktowe rzeczywiście ma charakter promieniowania ciała doskonale czarnego i instrument umieszczony w tym satelicie zmierzył dokładnie jego temperaturę. Wynosiła ona 2, 725 Kelwina ponad absolutne zero.  

https://pl.wikipedia.org/wiki/Ciało_doskonale_czarne

Oglądaj całość