Jednym z najważniejszych odkryć współczesnej kosmologii było wykrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła – niezwykle słabego sygnału docierającego do nas z całego nieba. To promieniowanie jest swoistą „poświatą” po narodzinach Wszechświata i jednym z najmocniejszych dowodów potwierdzających teorię Wielkiego Wybuchu.
Historia jego odkrycia zaczęła się w latach sześćdziesiątych XX wieku i miała w sobie coś z naukowej zagadki.
Tajemniczy szum w antenie
W 1964 roku dwaj amerykańscy radioastronomowie – Arno Penzias i Robert Wilson – prowadzili badania mikrofal dochodzących z Drogi Mlecznej. Pracowali w laboratoriach firmy Bell, korzystając z ogromnej, siedmiometrowej anteny radiowej znajdującej się w Holmdel w stanie New Jersey.
Podczas obserwacji natrafili jednak na poważny problem. W ich aparaturze pojawiał się nieustanny szum, który zakłócał pomiary. Co gorsza, sygnał ten był obecny niezależnie od kierunku, w którym skierowana była antena.
Początkowo naukowcy podejrzewali, że przyczyną są różnego rodzaju zakłócenia techniczne. Sprawdzili więc całą instalację, kalibrowali sprzęt i szukali źródła problemu w elektronice. Przypuszczali nawet, że za dziwny sygnał mogą odpowiadać… gołębie, które gnieździły się w antenie i pozostawiały w niej swoje odchody. Antena została dokładnie oczyszczona, lecz mimo to szum nie zniknął.
Po wielu próbach stało się jasne, że źródło sygnału nie znajduje się ani w aparaturze, ani w otoczeniu anteny. Szum musiał pochodzić z przestrzeni kosmicznej.
Echo narodzin Wszechświata
Niemal w tym samym czasie inni fizycy pracowali nad teoretycznymi przewidywaniami dotyczącymi początków kosmosu. Już pod koniec lat czterdziestych George Gamow, a także jego współpracownicy Ralph Alpher i Robert Herman, zasugerowali, że po Wielkim Wybuchu powinno pozostać słabe promieniowanie wypełniające cały Wszechświat.
Według ich obliczeń było to promieniowanie, które powstało, gdy młody Wszechświat miał zaledwie kilkaset tysięcy lat. W tamtym okresie temperatura kosmosu była na tyle niska, że protony i elektrony mogły połączyć się w pierwsze neutralne atomy wodoru. Moment ten nazywany jest erą rekombinacji.
Gdy powstały atomy, promieniowanie mogło wreszcie swobodnie podróżować przez przestrzeń kosmiczną. Od tamtej pory Wszechświat się rozszerzał, a promieniowanie stopniowo się ochładzało. Gamow i jego współpracownicy przewidywali, że dziś jego temperatura powinna wynosić zaledwie kilka kelwinów – około 3 K.
Kiedy Penzias i Wilson odkryli tajemniczy mikrofalowy szum, szybko okazało się, że jego właściwości dokładnie odpowiadają temu przewidywaniu. Oznaczało to, że naukowcy przypadkowo natrafili na relikt promieniowania z wczesnego Wszechświata.
Za to odkrycie w 1978 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Niezwykła jednorodność kosmicznego tła
Jedną z najbardziej zdumiewających cech promieniowania tła była jego niemal idealna równomierność. Niezależnie od tego, w którą stronę skierowano antenę radiową, temperatura mikrofal pozostawała praktycznie taka sama.
Średnia temperatura tego promieniowania wynosi dziś około 2,7 kelwina, czyli zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego.
Ta niezwykła izotropowość – czyli jednakowość we wszystkich kierunkach – stanowiła silny argument przemawiający za tym, że promieniowanie pochodzi z czasów, gdy Wszechświat był jeszcze bardzo młody i niezwykle jednorodny.
Jednocześnie kosmologowie wiedzieli, że nie mogło być ono idealnie gładkie. Gdyby w młodym Wszechświecie nie istniały nawet minimalne różnice gęstości materii, nie mogłyby powstać struktury takie jak galaktyki, gromady galaktyk czy wielkoskalowa sieć kosmiczna.
Jak powstały galaktyki
Teoria powstawania struktur kosmicznych zakłada, że w młodym Wszechświecie istniały niewielkie wahania gęstości materii. Niektóre regiony były odrobinę gęstsze, inne trochę rzadsze.
Z biegiem czasu gęstsze obszary przyciągały coraz więcej materii dzięki silniejszej grawitacji. W ten sposób stopniowo powstawały galaktyki, gromady galaktyk i ogromne kosmiczne struktury przypominające włókna i ściany materii.
Z kolei obszary mniej gęste rozwijały się wolniej i z czasem przekształciły się w wielkie pustki kosmiczne, które dziś oddzielają od siebie gromady galaktyk.
Aby taki proces mógł zajść, różnice gęstości w młodym Wszechświecie musiały być niezwykle małe – rzędu jednej dziesiątej procenta.
Poszukiwanie kosmicznych „zmarszczek”
Jeśli takie fluktuacje gęstości rzeczywiście istniały, powinny pozostawić ślad w mikrofalowym promieniowaniu tła. Kosmologowie spodziewali się więc odnaleźć w nim maleńkie „zmarszczki” – obszary nieco cieplejsze i nieco chłodniejsze.
Pierwsze próby wykrycia takich zmian temperatury podejmowano już w latach siedemdziesiątych. W 1977 roku udało się zaobserwować pewne różnice temperatur, ale okazało się, że są one wynikiem efektu Dopplera.
Zjawisko to było spowodowane ruchem naszej Galaktyki przez przestrzeń wypełnioną promieniowaniem reliktowym. Promieniowanie z kierunku, w którym porusza się Droga Mleczna, wydaje się nieco cieplejsze, natomiast z przeciwnej strony – odrobinę chłodniejsze. Takie zjawisko nazywa się anizotropią dipolową.
Nie były to jednak poszukiwane pierwotne fluktuacje.
Satelita COBE i przełomowe odkrycie
Aby znaleźć prawdziwe ślady wczesnego Wszechświata, potrzebne były znacznie dokładniejsze pomiary. Amerykański kosmolog George Smoot zaprojektował specjalne urządzenie – różnicowy radiometr mikrofalowy (DMR).
Instrument ten mierzył różnice temperatur pomiędzy różnymi fragmentami nieba z niezwykłą precyzją. W jego konstrukcji zastosowano trzy radiometry działające w różnych zakresach częstotliwości, dzięki czemu można było odróżnić promieniowanie tła od sygnałów pochodzących z naszej Galaktyki.
DMR został wyniesiony w przestrzeń kosmiczną w 1989 roku na pokładzie satelity COBE (Cosmic Background Explorer).
Trzy lata później, w 1992 roku, George Smoot ogłosił wyniki analizy danych. Po raz pierwszy udało się zaobserwować pierwotne fluktuacje temperatury w kosmicznym promieniowaniu tła.
Najstarszy obraz Wszechświata
Odkryte zmiany temperatury były niezwykle niewielkie – rzędu jednej stutysięcznej części stopnia. Oznacza to, że różnice temperatur w promieniowaniu tła wynosiły zaledwie kilka milionowych części wartości średniej.
Mimo swojej subtelności fluktuacje te miały ogromne znaczenie. Były one bezpośrednim śladem niewielkich nierówności gęstości w młodym Wszechświecie – zalążków struktur, które później przekształciły się w galaktyki i wielkie kosmiczne skupiska materii.
Odkrycie to stanowiło jedno z najważniejszych potwierdzeń teorii Wielkiego Wybuchu i jednocześnie wskazywało, że ciemna materia musiała odegrać kluczową rolę w procesie formowania się struktur kosmicznych.
Promieniowanie mikrofalowe tła można więc traktować jako najstarszy obraz Wszechświata, jaki jesteśmy w stanie zobaczyć – swoistą feerię subtelnych świateł, które powstały zaledwie kilkaset tysięcy lat po narodzinach kosmosu.