Aktualności (nie tylko) fizyczne
Zawirowanie BICEP2 - 17.03.2014
Tegoroczny Dzień Świętego Patryka może przejść do historii nauki. Jeżeli tylko potwierdzi się to, co ogłosił zespół badawczy eksperymentu BICEP2 [1], to odkrycie Higgsa 4 lipca 2012 roku (też łatwa do zapamiętania data) może się schować. Jeżeli się potwierdzi. Bo wynik został uzyskany w niezwykle zaawansowany sposób – łatwe odkrycia już dawno zostały zrobione. A w nawet najbardziej sumiennie przeprowadzonej analizie coś może umknąć uwagi zwiadowców.

Informacja przetoczyła się przez światowe (więc również polskie) media, ale głównie pod hasłem odkrycia fal grawitacyjnych. Po pierwsze, to nie do końca prawda, po drugie, nie to jest najważniejsze. Jednak proste wytłumaczenie, o co naprawdę chodzi, nie jest łatwe.
Mierzona była polaryzacja docierającego do nas ze wszystkich stron reliktowego
promieniowania tła. Po poprawieniu na efekt Dopplera, wywołany ruchem
Ziemi (chodzi głównie o ruch Układu Słonecznego względem centrum Drogi
Mlecznej), otrzymuje się najbardziej jednorodne spektrum promieniowania ciała
doskonale czarnego, jakie znamy (o temperaturze około
). Jest
ono jednak, w znacznej mierze, pochłaniane przez atmosferę (zwłaszcza
przez parę wodną). Do jego badania najlepiej nadają się instrumenty
wyniesione w przestrzeń kosmiczną lub znajdujące się tak blisko niej,
jak to tylko możliwe.
Chodzi o badanie niejednorodności tego promieniowania, które są
na poziomie
i mniejszym. Promieniowanie to pochodzi z momentu,
gdy rozszerzający się stygnący wszechświat stał się przezroczysty, czyli gdy
nastąpiła rekombinacja plazmy w neutralne atomy. Najpełniejsze wyniki zostały
uzyskane za pomocą satelity Planck (ESA). Zgadzają się one bardzo dobrze
z modelem
według którego obserwowalny wszechświat
rozszerza się od
miliarda lat. Prawie
jego gęstości
energii przypada na tzw. ciemną energię (o naturze której możemy
tylko spekulować), jedną czwartą stanowi ciemna materia (o której
wiemy niewiele więcej), podczas gdy znane formy materii wnoszą zaledwie
około
do bilansu. W sumie energii jest dokładnie tyle, żeby
obserwowalny wszechświat był euklidesowy (wygląda na to, że w dowolnie
dużym trójkącie suma kątów jest równa kątowi półpełnemu). Informacje te
zostały zdobyte głównie za pomocą badania anizotropii temperatury
promieniowania reliktowego oraz, dodatkowo, obserwacji tzw. modu E
rozkładu polaryzacji, który jest oczekiwany dla fal gęstości odciśniętych
w promieniowaniu reliktowym zgodnie z modelem
Jeszcze subtelniejszym efektem jest tzw. mod B polaryzacji. Jeżeli kierunek liniowej polaryzacji promieniowania reliktowego na mapie nieba (w komórkach o określonym rozmiarze kątowym) przedstawimy za pomocą kresek (podobnie jak przedstawia się kierunek wiatru na mapach meteorologicznych), to dla modu E otrzymamy obrazek bezwirowy, natomiast dla modu B przeciwnie, kreski będą układać się w wiry (patrz obok).

Poszukiwanie śladu modu B dla podziału na komórki o rozmiarze kątowym
około jednego stopnia jest związane z interpretacją ewentualnej obserwacji
jako uchwycenia stanu propagujących się fal grawitacyjnych (w analogii
do zdjęcia falującego oceanu), wywołanych w trakcie kosmicznej inflacji, czyli
w chwili, która uważana jest za początek tego, co w ogóle możemy
obserwować (właśnie od której upłynęło te
miliardów lat). Fale
grawitacyjne, w odróżnieniu od skalarnych fal gęstości (dźwiękowych), są
tensorowymi zaburzeniami samej przestrzeni. Dlatego ich wpływ objawia się
nie tylko poprzez mod E, ale również poprzez mod B. Sam wkład
do polaryzacji, o który chodzi, jest związany z tzw. ostatnim oddziaływaniem
fotonów z elektronami, których ruch był wymuszony przez propagujące się
przez plazmę fale.
Instrument BICEP2 działał w latach 2010 – 2012 na biegunie południowym. Jest to idealne miejsce ze względu na możliwość praktycznie ciągłej obserwacji wybranego fragmentu nieba, dużą wysokość n.p.m. oraz bardzo małą wilgotność. Trudno o miejsce na Ziemi mniej przesłonięte przez atmosferę. BICEP2 był w całości schłodzonym do temperatury ciekłego helu teleskopem zwierciadlanym o średnicy 26 cm, z niezwykle precyzyjnym odczytem, którego częścią był SQUID (nadprzewodzący interferometr kwantowy). Bezpośrednim jego poprzednikiem był BICEP1, już działającym następcą jest Keck Array, a wersja BICEP3 ma zacząć obserwacje w przyszłym roku. Oprócz tego całe stado innych zespołów przeprowadza lub planuje podobne badania, na czele z Planckiem, którego analiza ma być opublikowana jeszcze w tym roku.
Efekt, o którym raportuje BICEP2 [1], jest nadspodziewanie duży
(odwrotnie proporcjonalny do wielkości zespołu badawczego). Na podstawie
wcześniejszych pośrednich oszacowań (informacje zdobywane
o promieniowaniu reliktowym są wzajemnie powiązane) spodziewano się
czegoś znacznie mniejszego. A wielkość efektu jest bezpośrednio (choć
jednak modelowo) związana z wartością potencjału inflacyjnego. Jeżeli
potwierdzi się pomiar BICEP2, to jest to energia odpowiadająca wielkiej unifikacji
(energia
).
Po raz pierwszy zmierzone zostało coś o charakterystycznej energii pomiędzy skalą elektrosłabą a skalą Plancka. Ciekawe, do jakiej temperatury podgrzali się zajmujący się tą problematyką teoretycy.