Fodrozódások a téridőben

  • A héten felbolydult a tudományos világ, a Harvard-Smithonian Center for Astrophysics kutatói elég fontos bejelentést tettek.
  • Konyhanyelven: sikerült megtalálni az ősrobbanás nyomait.
  • De mit is jelent mindez, mennyivel lettünk okosabbak? A világ vezető egyetemein dolgozó fiatal magyar kutatókat kérdeztünk.
  • Béky Bence, a Harvard negyedéves doktorandusza, asztrofizikus, tranzitoló exobolygókkal foglalkozik.
  • Ijjas Anna elméleti kozmológus, jelenleg az inflációs elmélet egyik megalapítójának, Paul Steinhardtnak a meghívására a Princeton Egyetemen vendégkutató, nyártól pedig a Princeton Center for Theoretical  Science-ben kezdi el posztdoktori képzését, doktoriját a potsdami Max Planck Intézetben írta. Kutatásának középpontjában a primordiális kozmológia, az infláció és alternatív elméletek fejlesztésé áll.

Kérdéseinket levélben tettük fel. 

  • A mostani felfedezést a BICEP2-távcső segítségével érték el. Mit érdemes tudni a kutatás technikai feltételeiről, hogyan működik egy ilyen eszköz? 

Béky Bence: Egy 26.4 cm átmérőjű rádiótávcsövet használtak, polietilénből készült lencsével.  A detektor 500 apró antennából áll, ezek veszik rádiójeleket. Felük ilyen irányba áll, másik felük merőlegesen, így mérnek polarizációt. 150 GHz-es frekvencián észleltek egy adott égterületet három nyáron keresztül, méghozzá a sugárzás polarizációját is mérve.  Ez kicsit olyan, mintha polárszűrős napszemüvegben szemlélnéd a világot, a fejedet forgatva, s közben figyelnéd, hogy változnak a tárgyak. (Például vízfelszínről vagy üvegről visszavert fényerősség a szemüveg forgatásával változik.)  Ezekkel a megfigyelésekkel láttak hullámokat, fodrokat.

A BICEP2 távcső az antarktiszi állomáson (via Harvard)

Ez úgy jelent bizonyítékot a gravitációs hullámokra, hogy ezeket az egyenetlenségeket a világegyetem nagyon fiatal korában gravitációs hullámok keltették, és azóta a tágulás miatt olyan hatalmasra nőttek, hogy most ekkorának látszódnak.

Ijjas Anna: Egyszerű rádiótávcsövet használtak, mely a Déli-sarkon a mikrohullámú háttérsugárzás egy nagyon kis darabját nézi, és megállapítja a fény elemi részecskéinek, a fotonok, polarizációját. A polarizációs állapot azt mutatja, hogy a hullám milyen irányban rezeg, amikor a rádiótávcsőbe érkezik. Gravitációs hullámok észleléséhez úgynevezett B-móduszú polarizáció mérése szükséges.

  • Miért tűnik ennyire fontosnak ez a felfedezés, mire derült most fény? 

Béky Bence: Ez az első megfigyelt jelenség, ami közvetlen bizonyítékot szolgáltat az inflációs kozmológia elméletére. Az inflációs kozmológia ötlete először 1980-ban merült föl, és a korábbi ősrobbanás-elmélet három hiányossága motiválta: az első, hogy a világegyetem homogén, viszont az ősrobbanás után annyira gyorsan tágult, hogy a különböző részei nem tudtak volna egymással kommunikálni, ami ehhez a homogenitáshoz szükséges lett volna.  A második, hogy a megfigyelések szerint a tér „lapos”, azaz sem gömbszerű, sem hiperbolikus, márpedig a laposságtól való legkisebb eltérés is nagyon gyorsan növekedett volna, így nagyon pontos finomhangolásra lett volna szükség az elején.

Végül pedig a régi elmélet mágneses monopólusok jelenlétét jósolta volna, amit viszont még senki nem látott.  Az infláció elmélete mindhárom hiányosságot orvosolja, azonban eddig semmilyen megfigyelés nem támasztotta alá.

Nagyon leegyszerűsítve az ősrobbanás elmélete azt mondja, hogy a világegyetem egyetlen pontból keletkezett, ami „fölrobbant”, azaz nagyon gyorsan elkezdett tágulni.  Előtte nem volt semmi, sőt, nem volt idő, így nem volt „előtte” sem.  Az infláció elmélete ezt azzal egészíti ki, hogy a kezdeti töredék másodpercben a tágulás nem csak gyors volt, de nagyon-nagyon-nagyon gyors.  (Az infláció szó fölfújódást jelent.)

Ijjas Anna:  A kozmológiai standard paradigma — az úgynevezett infláció — egy primordiális tágulási folyamatot feltételez, aminek eredményeként gravitációs hullámok jönnek létre. Ez az elméleti feltételezés adott okot a kísérleti kutatásra.

Ha a BICEP kutatócsoportnak sikerült primordiális gravitációs hullámokat találnia, akkor tudjuk, hogy a világegyetem első pillanatának töredékében (10^(-31) sec) a téridőnek nagyon nagy sebességgel kellet kitágulnia. Egy ilyenfajta tágulás hullámokat (illetve fodrozódást) okoz magában a téridőben. A tágulással összefüggő hatalmas energia pedig felerősíti a hullámokat, hogy azok (mai módszerekkel) mérhetők.

  • Milyen kutatási irányokat nyit meg ez a felfedezés, merre lehet továbbhaladni? 

Ijjas Anna: Kísérleti szempontból a természetes irány folytatni a gravitációs hullámok mérését. Itt semmi nem változik, hiszen a kísérletek már folyamatban vannak. A kozmikus háttérsugárzás hihetetlen pontosságú felmérése után, ami önmagában is egy óriási teljesítmény, hiszen itt egyszázezredes hőmérsékleti különbségek méréséről van szó, a következő lépés a gravitációs hullámok mérése — ez utóbbi négy nagyságrenddel nagyobb pontosságot kíván! Több kutatócsoport is dolgozik ezen pillanatnyilag: Planck űrszonda, ACT, ACTPol, SPIDER, SPT, Polarbear, etc. BICEP itt egy kisebb méretű kísérlet, de szakmán belül mindenki tudott és tud ezekről a kísérletekről.

A megtalált fodrok, azaz a gravitációs hullámok nyomai (via BICEP2 Collaboration)

Az elméleti kérdés nehezebb. Azt lehet hallani, a mérés bebizonyítaná az inflációs elméletet. Ez így nem igaz! A Planck és BICEP adatok közötti feszültség miatt pillanatnyilag csak olyan inflációs modellek maradnak versenyben, amik inkább “rondának” mondhatóak, mert sok paramétert és sok designt igényelnek — ez egyáltalán nem jó hír egy paradigma számára!

  • Feltűnt, hogy voltak, akik már hűteni kezdték a kedélyeket, mondván, hogy a mostani felfedezés nem esett át peer review-n vagy más tudományos ellenőrzésen, és ezért a tudományos értékét egyelőre óvatosan kell fogadni. Jogosan gondoljátok ezeket a kritikákat? 

Béky Bence: Több tudományterületen szokás cikkeket föltenni a preprint szerverre, azaz megosztani a tudományos közösséggel az eredményt, mielőtt beadják egy folyóiratnak, vagy azzal egy időben. Nem hiszem, hogy a cikk egyetlen bírálója alaposabban tudná mérlegelni a felfedezés valódiságát, mint az egész tudományos közösség, főleg, hogy ez a felfedezés igen nagy nyilvánosságot kapott. Viszont úgyis csak az idő dönti el, hogy elfogadják-e az elméletet, vagy találnak valami hibát, s lehet, hogy a cikk bírálója átsiklik egy hiba fölött, amire csak akkor derül fény, ha más kutatócsoportok publikálják a független eredményeiket, amiket más műszerekkel mértek. Ha Nobel-díjat kapnak a fölfedezésért, azt úgysem idén fogják kapni, hanem tíz év múlva. Természetesen ez nem jelenti azt, hogy nem fontos a peer review.

Ijjas Anna: . A legnagyobb kihívás egy ilyen típusú kísérlet esetén az, hogy minden alternatív szignálforrást (asztrofizikai forrás, atmoszferikus kontamináció, szisztematikus hiba, etc.) kiszűrjünk.  Még abban az esetben is, ha nem találunk hibát a BICEP kiértékelésében, az eredményt független kísérleteknek meg kell erősíteniük. Erre azért van szükség, mert csak független kísérletek tudják kiszűrni a kísérlet úgynevezett szisztematikus vagyis a hibás mérőeszközből eredő hibát. Leghamarabb kb. 7-8 hónap múlva leszünk okosabbak ebben a tekintetben, amikor a Planck kutatócsoport kihirdeti mérési eredményeit.

  • A médiából az jött át, hogy ez most tényleg egy nagy horderejű tudományos áttörés, hogyan nézett ki a felfedezés szakmai fogadtatása, tényleg ennyire felborított mindent a bejelentés? 

Béky Bence: Itt az intézeten belül, sőt a nem szakmabeliek körében is nagy izgalmat váltott ki.  Az előbbi annak köszönhető, hogy ez úgy látszik, valóban fontos eredmény, az utóbbi pedig annak, hogy jó PR-szakemberek dolgoznak az intézetben.

Ijjas Anna: Nem, erről egyáltalán nincs szó. Szerintem a média túl gyorsan ráharapott erre a sztorira. Pillanatnyilag a szakmabeliek többsége óvatos és ugyanerre az óvatosságra int. Mindenképpen meg kell várni, hogy a BICEP kutatócsoport az összes mérési adatot nyilvánosságra hozza, és azokat függetlenül ellenőrizni kell.

Fenti kép:  REUTERS/Keith Vanderlinde/National Science Foundation

;