PATKÓS ANDRÁS
A MINDENSÉG MÉRÉSE
A Világmindenség
kora, mérete, a benne található anyag mennyisége és összetétele az emberi
környezetben felfedezett természeti törvényekre építő asztrofizikai
megfigyelési programokkal tanulmányozható. Az észlelési technikák és
adatfeldolgozási módszerek tökéletesedésével alig egy évtized alatt
ugrásszerűen nőtt e kozmológiai adatok ismeretének pontossága. A több mint
tízmilliárd évet felölelő eseménysorra vonatkozó tudományos kép megszilárdulása
megengedi, hogy még messzebbre kíséreljünk meg behatolni Univerzumunk múltjába.
A kozmikus archeológia sok hasonlóságot mutat a földi régészek módszereivel és
gondolkodásával. A 21. században választ remélünk sok, nemrég még egzotikusnak
hangzó kérdésre is, például hogy mitől forrósodott fel az Univerzum, vagy hogy
mi előzte meg a Forró Univerzumhoz vezető ősrobbanást?
I. MI A
KOZMOLÓGIA?
Az Univerzum
egészének keletkezését és fejlődésének történetét tanulmányozó
tudományterületet kozmológiának hívják. E témakör legfontosabb kérdései
a következők:
·
Milyen távol van a legtávolabbi galaxis? (És mi
van azon is túl?)
·
Hogyan keletkezett az Univerzum? Mikor volt az
Ősrobbanás? (És mi volt annak előtte?)
·
Hogyan mozog az Univerzum egésze? (És mi
mozgatja? És mi lesz jövőbeli sorsa?)
A fő kérdésekre
néhány számszerűen jellemezhető adat egyre pontosabb ismeretében egyre
határozottabb válaszokat adhatunk. A megfigyelhető Univerzum méretét,
életkorát, a benne előforduló anyag mennyiségét és az anyag főbb fajtáinak
relatív előfordulási gyakoriságát hívjuk kozmológiai paramétereknek.
Ezek az adatok
nagyon hasonlatosak egy személy vagy egy érdekes tárgy legfontosabb fizikai
jellemzőire vonatkozó kérdéseinkhez: egy kiváló atlétának vagy egy
szépségkirálynőnek nagy valószínűséggel a korát, méreteit (magasság,
mellbőség, lábméret) és tömegét (súlyát) firtatnánk. Ez a profán
párhuzam is azt példázza, hogy a tudományos kutatás legfontosabb kérdései
mélyen emberiek. Talán ez a titka, hogy a szakmai ismeretekkel nem rendelkezők
is nem szűnő kíváncsisággal fordulnak a csillagos ég egyre távolabbi
tartományaiból észlelt jelekről és értelmezésükről szóló híradások felé.
Az egyik
legelterjedtebben használt amerikai egyetemi kozmológia tankönyv húsz évvel
ezelőtt így fogalmazott: „Az Olvasó szerencsésnek érezheti magát, hogy olyan
korban él, amikor a tudomány már képes egy olyan alapvető mennyiséget, mint az
Univerzum kora, egy kettes szorzófaktor bizonytalansága erejéig meghatározni.”
Az akkori adatok alapján az Univerzum korát 10 és 20 milliárd év közöttire
becsülték.
A 20. század
utolsó évtizedében felgyorsultak a kozmológiai megfigyelő kutatások. 2003
márciusa óta az Univerzum életkorára vonatkozó „hivatalos” adat: 13,5-13,9
milliárd év, azaz a 100%-os hiba helyére 2%-os bizonytalanság lépett. A belátható
Univerzum „sugárirányú” mérete 13 milliárd fényév. Úgy tűnik, hogy egyéb
méretek megadására nincs is szükség, mert a Világmindenség egésze, a
megfigyelési pont helyzetétől függetlenül, gömbszerűen szimmetrikus
tulajdonságokat mutat, bármely irányban végzünk is vizsgálatokat. Végül, az
Univerzumot mozgató különféle anyagfajtáknak a láthatárunkon belülre eső
együttes tömegét Galaxisunk (a Tejút) tömegének 1000 milliárdszorosára
becsülik.
Szeretném, ha az
előadás végére egyetérthetnénk abban, hogy a rohamosan pontosodó mérések és a
mérési stratégiát meghatározó elméleti gondolkodás dinamikája következtében a
kozmológia a 21. század egyik vezető természettudományos kutatási irányává
alakul.
II. A
MINDENSÉG MÉRÉSÉNEK LEHETŐSÉGÉRŐL
A
Világmindenségre vonatkozó kutatás a legnagyobb léptékű méretskálán végzett
megfigyelésekből igyekszik válaszolni a Mindenséget mozgató erők mibenlétét
firtató kérdésekre. Kozmikus léptékű kísérletek végzésére nincs
felhatalmazásunk egyetlen Univerzumunkban. Erre a kutatói megközelítésre teljes
mértékben érvényes Isaac Newtonnak a Philosophia Naturalis Principia
Mathematica (A természetfilozófia matematikai alapelvei) című munkájában,
1687-ben megfogalmazott célkitűzése: „A természetfilozófia feladata abban áll,
hogy a mozgásjelenségekből következtessen a természeti erőkre, és
ezeknek az erőknek az ismeretében találjon magyarázatot a többi jelenségre is.”
A modern
fizikának Galilei, Kepler és Newton munkásságával elindult története négy
alapvető kölcsönhatást tárt fel. A mai kozmológusok e törvényeket
hipotetikusan az Univerzum egészére érvényesnek fogadják el. Az egyre pontosabb
megfigyelési programok stratégiáját e törvényekre alapozott előrejelzésekre
építik. Az egyre távolabbi tartományokból érkező új tapasztalati tények értelmezésekor
a kutatók azt is ellenőrzik, hogy a földi laboratóriumokban felfedezett
kölcsönhatások irányítják-e az Univerzum távoli tartományainak történéseit is?
Készen állnak arra, hogy a bennünket alkotó anyag elemi építőköveitől eltérő,
új anyagfajtákat és köztük ható új erőket fedezzenek fel a „konzervatív”
várakozásoktól esetleg eltérő megfigyelési eredmények hátterében. Az is
kiderülhet, hogy a kölcsönhatások ma ismert törvényszerűségeinek története van,
és milliárd évekkel korábban az anyag szerveződése a ma ismerttől eltérő
törvényeknek engedelmeskedett.
Nem kívánok
elhallgatni bizonyos súlyos kételyeket sem, amelyekkel a Mindenség egészére
érvényes törvények létét és feltárhatóságát sok tudós is illeti. A modern
fizika (és nyomában minden természettudományos kutatási irányzat) lényege a
kísérlet, amely a jelenségeknek megfelelően kontrollált körülmények közötti ismételt
előidézését és az eredményeknek a matematikai statisztika eszközeivel való megbízhatósági
ellenőrzését is előírja. Nem világos, hogy egyetlen Univerzumunkat
(amelynek neve is jelzi egyedülvalóságát) ilyen statisztikai jellegű
jellemzéssel hogyan közelíthetjük meg. E korlátot hangsúlyozva sokan felvetik,
nincs-e határa az újkori tudomány módszereivel a Világegyetem egészére
feltehető és megválaszolható kérdéseknek? Előadásom azokról az erőfeszítésekről
is szól, melyekkel a kutatók a tudományos módszerű megismerés érvényességi
határait időben és térben egyre távolabb helyezik.
III. AZ
UNIVERZUM KUTATÁSA: KOZMIKUS ARCHEOLÓGIA
A csillagász, az
asztrofizikus, a kozmológus (akik ugyannak a tudományos nemzetségnek kissé
eltérő „tájszólást” beszélő tagjai) az Univerzumot szinte kizárólag az
elektromágneses sugárzást (azon belül fényt) kibocsátó objektumokat megfigyelve
vizsgálja. (Nagy reményeket fűznek a kizárólag gyenge kölcsönhatásban résztvevő
neutrínók megfigyeléséből kapható információkhoz, de mindeddig csak egyetlen
kivételes csillagászati esemény kapcsán sikerült Naprendszeren kívüli, azaz
kozmikus neutrínókat detektálni. A potenciálisan egyedülálló információkat
hordozó kozmológiai eredetű gravitációs hullámok kimutatása a növekvő
erőfeszítések ellenére még évtizedeket várathat magára). A fény véges
sebességgel halad, a Nap fénye 8 perc alatt ér a 150 millió km távolságra lévő
Földre. A csillagászatban az 1 fényév, a fény által egy év, azaz 365 x
24 x 60 perc alatt megtett távolság használatos a távolság egységeként, ami a
Nap-Föld távolság mintegy hatvanezerszerese. Több mint 10 milliárd évre van
szüksége a fénynek ahhoz, hogy a megfigyelhető Univerzum legtávolabbi pontjából
eljusson hozzánk.
Nyilván minél
távolabbról érkezik a fénybe kódolt információ, annál régebben indult útjára,
azaz annál régebbi kozmikus jelenségről hoz hírt. Ez a körülmény lehetőséget ad
az Univerzum történetének feltárására, ha pontosan meg tudjuk határozni a
fényforrások távolságát. Az Univerzum egész történetén áthaladó fény által
hozott információk távolság, azaz korok szerinti szétválasztásának feladata
közelíti a kozmológus munkáját az emberi múltat kutató régészéhez. Célunk, hogy
megismerjük az Univerzum történetének egyes korszakait.
A földi régész az
ember által fokozatosan egymásra épített rétegek korát például a maradványok
környezetében talált fémpénzek, cserepek és más dátumot hordozó tárgyak révén
határolja be, a különböző korú rétegek törmelékes maradványait óvatos munkával
szétválasztja egymástól Az azonos korú törmelékekből megkísérli az egykori
tárgy, épület, festmény stb. fizikai rekonstrukcióját. Ugyanígy vadászik a
kozmológus is a korai Univerzum egy meghatározott korszakáról hírt adó,
jellemző relikviákra. Ezek olyan tipikus kozmikus objektumok, jelenségek,
amelyek elég egyszerűek ahhoz, hogy a fizika mérési eszközeivel
tanulmányozhatók legyenek, és létrejöttük megértéséhez a fizika törvényeit
hívhassuk segítségül.
Az igazi
régészhez méltó végső kihívás valamely rekonstruált relikvia „üzenetének”, a
kor emberi (tárgyi és szellemi) környezetében hordozott jelentésének, az akkori
társadalomról szóló híradásának megfejtése. Ezzel a szellemi próbatétellel
állítható párhuzamba az elméleti fizikusi feladata, hogy értelmezze azt az
összefüggést, mely valamely kozmikus jelenség és az Univerzum egészének mozgása
között áll fenn.
A régész a római
kort jellemző lakóházszerkezetek ismeretében jelentheti ki, hogy a szőnyi
vásártéren fellelt töredékekből életre hívott freskó minden bizonnyal a ház
mennyezetét, nem pedig oldalfalát diszítette A szimbolikus ábrázolás figuráinak
jelentését keresve megvizsgálja a 3-7. századból a Földközi tenger medencéjében
ránk maradt, freskókat hordozó építményeket és felismeri, hogy ez az az
időszak, amikor az épületek szerkezeti elemei között megjelenik a kupola. Az
első kupolákban fellelt díszítő ábrázolások pedig a korabeli himnuszok és más
műfajú leírások szerint mind az égbolthoz kapcsolódtak (még a templomokban is).
Ez annál is könnyebben érthető, mert a görögök és a rómaiak főistenei
Napistenek voltak, és tiszteletük természetes módon tartalmazta az ég
jelenségeinek a templombeli megjelenítését. Egy ruhátlan nőalak és egy felé
forduló ló együttesének megfelelőjét keresve az égbolt csillagképei között (4.
ábra), rátalál az égbolton szomszédos Androméda és Pegazus csillagképekre. Ezek
az ókor egyik közismert mitológiai történetét az égboltra vetítő
csillagkép-család tagjai, s a Kassiopeia, a Cepheus, és a Cetus csillagképek
társaságában az őszi északi égbolt egyik legjobban látható, az éjszakai
tájékozódást segítő szegmensét foglalják el (5. ábra). Érdekes, hogy a régészek
sokáig hajlottak a képnek egy tengeri csikón lovagoló Néreidával való
azonosítására, amíg meg nem találták egy festménytöredéket, amely a lóalak
patáját mutatta.
Ezután a régész a
klasszikafilológia ismeretanyagát hívja segítségül, hogy megfejtse a szőnyi
freskón az állandó csillagok konstellációit szimbolizáló központi alakokat és a
kép külső részén a földi évszakok változását illusztráló motívumokat egymástól
elválasztó kettős körgyűrű kozmológiai jelentését A földi légkör kék gyűrűje
határolja a Föld (az anyag) szféráját és a belső, vörös tűzgyűrű által
közrefogott éteri szférának köszönheti az égbolt a stabilitását. A levegő és az
éter természetét megfogalmazó klasszikus szerzők művei a két tartományt
összekapcsoló díszítő elemeket is jelentéssel ruházzák fel. A régész és a
klasszikafilológus összefogásával kibontakozik előttünk a római kor
univerzum-felfogása egy pannóniai villa termének falain. A részletek iránt is
érdeklődő olvasó még arra a kérdésre is megkaphatja a választ, hogy a
római kor írói szerint mi volt az állócsillagokon túli tartományban, a
kilencedik szférában.
Az ELTE régészei
Borhy László vezetésével - Harsányi Eszter és Kurovszky Zsófia
festő-restaurátor művészek közreműködésével - Komárom-Szőnyben (római nevén
Brigetióban) a kétezer évvel ezelőtti kozmológiai elképzelések ritka teljességű
relikviáját rekonstruálták. A római kor falfestményeinek szakértői az elmúlt
alig tíz év feltáró és értelmező munkája nyomán a komáromi Klapka Múzeumot a
nemzetközi jelentőségű anyaggal rendelkező gyűjtemények közé sorolták. A
tudománytörténeti érdeklődésű amatőr is tanulságos látogatást tehet itt.
A különböző
kozmikus korszakok relikviáinak tanulmányozásával mi az Univerzum folyamatosan
változó szerkezetét meghatározó fizikai hatások történetét kívánjuk
rekonstruálni. A csillagászat és az asztrofizika eszközeivel három, jól
megkülönböztethető korszakban keletkezett „kozmikus relikvia” tanulmányozása
folyik:
·
az Univerzum anyagszigetei, a galaxisok;
·
a kozmikus háttérsugárzás;
·
a kémiai elemek magjainak ős-szintézise.
Az elmúlt bő
évtizedben az első két területen értek el kiemelkedő eredményeket, ezért alább
ezekkel foglalkozom.
IV.
TÁVOLSÁGMÉRÉS A KOZMOSZBAN
A közeli
csillagászati objektumok méreteinek és távolságának megállapítására görög
geométerek matematikailag pontos eljárásokat ajánlottak, amelyeket csak a
mérést céltudatosan alkalmazó újkori tudomány tudott kielégítő pontossággal
megvalósítani. A kis mérési pontosság tette elfogadhatóvá a Föld-középpontú
ptolemaioszi Univerzumot. Az állócsillagok látszólagos mozgásának
felfedezéséhez (parallaxis), amelyet Arisztotelész is a Föld mozgásának
lehetséges bizonyítékaként fogalmazott meg, a megfigyelési pontosság fokozása
vezetett. A parallaxis-mozgásra épülő távolságméréssel induló fejlődésről külön
rövid áttekintést ad, a továbbiakban azonban csak a modern
kozmológiában, a kozmikus távolságok mérésében fontos szerepet játszó két újabb
távolságmérési mód felvázolására van lehetőségünk.
A távolság
mérését minden esetben viszonylag gyakori előfordulású, közel azonos belső
csillagdinamikájú (standard) csillagok megfigyelésére építik. A viszonylagos
távolság megállapítása azon az előfeltevésen alapszik, hogy valamely azonos
működésű csillagfajta egyes egyedei azonos fényteljesítményt bocsátanak ki.
Miután a teljesítmény a távolság négyzetével arányosan növekvő felületen oszlik
szét, egyszerű összefüggés adja meg a csillag látszólagos fényességének csökkenését
a távolság függvényében Persze olyan jelenséget kell választanunk, amelyről
okkal remélhetjük, hogy bekövetkeztének időpontjától független a jelenséget
kísérő fénysugárzás teljesítménye.
Első példánk
története a 20. század első évtizedéig nyúlik vissza, amikor Henrietta Leavitt,
amerikai csillagász vizsgálta Galaxisunknak, a Tejútnak azokat a csillagait,
amelyek fényessége néhány napos periodicitással változik Érdekes egybeesés,
hogy az ilyen csillagok prototípusa a brigetiói égbolt-ábrázolás bővebb
mitológiai csillagkép-családjának egyik tagjában, a Cepheusban elhelyezkedő
egyik csillag, ezért e csillagokat Cepheidáknak hívják. Leavitt felfedezte,
hogy az átlagos fényteljesítmény egyenletesen nő a pulzáció periódusidejének
növekedésével Ezzel a periódusidő mérésére vezette vissza a Cepheidák abszolút
fényteljesítményének meghatározását. Ezt az észlelhető gyengébb fényességgel
összevetve meghatározta az új objektumnak a referenciaként használt (ismert
távolságú) Cepheidához képesti relatív távolságát.
Edwin Hubble
azzal a felfedezésével „teremtette meg” a kozmológiát, amikor 1922-ben az
Androméda csillagkép (megint egy ismerős!) irányában, egy szabad szemmel éppen
látható, halvány foltként észlelhető csillaghalmazban sikerült egy Cepheidát
kimutatnia. Ennek távolságára kétmillió fényév adódott, amivel Hubble
bebizonyította, hogy a folt csillaghalmaza a Tejúttól távoli, független
„Univerzum-sziget”, mai szóval galaxis. A galaxiskatalógusokban az M31 nevet
viselő Androméda galaxis a hozzánk legközelebbi galaxis, amiből még ezer
milliárd van az Univerzumban.
A húszas években
a csillagászok egyre több különálló galaxis létét bizonyították, és Hubble szisztematikusan
vizsgálta az azokból érkező fény színképét. A földi spektroszkópusok által
részletesen tanulmányozott hidrogén-színképet ismerte fel kissé eltorzítva. A
hidrogén által kisugárzott fény diszkrét frekvenciái annál jobban eltolódtak a
kisebb frekvenciák, azaz a kéktől a vörös felé, minél nagyobb volt a fényesség
alapján meghatározott távolság. Ezt hívják vöröseltolódásnak. Az az
ábra, amely a vöröseltolódás függvényében mutatja az egyes galaxisok
távolságát, a Hubble-diagram. Edwin Hubble 1929-ben talán tucatnyi
galaxist ábrázolt ebben a diagramban, amelyek közül a legtávolabbi is alig
1%-os vöröseltolódást mutat A Hubble-törvény a következő egyszerű
megfogalmazásban állítható fel: a vöröseltolódás mértéke és a luminozitási
távolság között egyenes arányosság áll fenn. Érdemes a diagramon újabb adatokat is mutatni,
amelyek igazolják, hogy az eredetinél sokszorta
nagyobb távolságra kiterjesztve is érvényes Hubble felfedezése
Ekkora
távolságokon azonban a Cepheidákra alapozott távolságmérési módszer nem
működik. A második példánkban szereplő változó fényességű standard fényforrásra
Walter Baade már az 1930-as években felhívta a csillagászok figyelmét.
Javaslata céltudatos megvalósítására az elmúlt évtizedben került csak sor. A
késésnek az az oka, hogy az ún. Ia típusú szupernovák módszeres vizsgálata, a
robbanás bekövetkeztének előreláthatatlansága miatt egy költséges készenléti
szolgálat megtervezését és működtetését igényli. A távolságmérésre alkalmasnak
tűnő, robbanó csillagok ún. kettős csillagrendszerben fordulnak elő A kötött
rendszer kisméretű csillag-tagjának gravitációs hatása óriáscsillag partnerének
csillaglégköréből folyamatosan anyagot szivattyúz át. Növekvő tömege
tömegvonzási hatásának saját nyomása egy tömeghatáron túllépve nem tud ellenállni,
a csillag összeroppan, szupernóvaként villan fel. A közel azonos tömeg és
anyagi összetétel okán ezeknek a felvillanásoknak az energiatartalma közel
azonos, a kisugárzás fényességének időbeli lefutása is nagyon hasonló.
1998-ban, közel
tízéves gyűjtőmunka után, két csillagászcsoport egymástól függetlenül összesen
42 ún. SN Ia szupernova fénygörbéjét és látszólagos fényességét tette közzé,
amelyek alapján sikerült azoknak a galaxisoknak a távolságát megállapítani,
amelyekben a robbanás bekövetkezett. Közöttük 60-70%-os vöröseltolódást mutatók
is voltak, aminek alapján immár jelentősen megnövekedett tartományban
vizsgálható a Hubble-törvény érvényessége.
A Doppler osztrák
fizikus által felfedezett, közismert hatás alapján a sugárzás színének észlelt
vörösödését a forrás állandó sebességű távolodása okozza. Ezért a
Hubble-törvény közismert megfogalmazása valójában a Világegyetem legfontosabb
globális mozgástörvénye:
A galaxisok a
távolságukkal arányban növekedő sebességgel távolodnak egymástól.
Einstein azonnal
felismerte, hogy ez az egyszerű szabályt követő tágulás összhangban van az
általános relativitás elméletének egy Univerzum-modelljével, a felfedezőiről
Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker Univerzumnak hívott rendszerrel. Az
általános relativitás elmélete szerint a mozgást az Univerzum anyaga által
hordozott energia hajtja. Az Univerzum tágulása a Föld felszínéről kilőtt
rakéta távolodását követő lehetséges mozgástípusok egyikében végződik Ha a
rakéta energiája pozitív, sebessége meghaladja a szökési sebességet, a kilőtt
objektum pályája mindörökre eltávolodik a Földtől. Ha az energia negatív, a
rakéta emelkedése lelassul, és végül visszahull. Attól függően, hogy az
Univerzum egységnyi térfogatának energiája, az energiasűrűség kisebb-e vagy nagyobb
egy kritikus értéknél, a tágulás mindörökké folytatódik vagy egy összehúzódási
összeomlásba fordul vissza. Az Univerzum jövőjét illetően tehát az átlagos
energiasűrűségnek a kritikus értékhez viszonyított nagysága lép elő a
legfontosabb kozmológiai paraméterként.
Visszatérve az
1998-ban közzétett kiterjesztett Hubble-diagramhoz, a mérési pontokhoz
berajzolhatnánk a nyitott (örökké táguló) és a zárt (végül összeomló)
Világegyetem esetén a Hubble-törvénytől várt eltérést Bármelyik is valósuljon
meg, minél hosszabb idő óta „van úton” egy galaxis, annál inkább lemarad a
tömegvonzás lassító hatására az állandó ütemű tágulástól. Egyben az egyenletes tágulást tükröző
Hubble-törvény szerint vártnál fényesebbnek mutatkozik, azaz növekvő
vöröseltolódással a Hubble-törvény alapján jósoltnál közelebbinek mérik a
távolságát. A meglepetés bombája 2000-ben robbant, mert a 42 SN Ia mozgása nem
lassuló, hanem gyorsuló Univerzum képére utalt. Eszerint az
Univerzumunkat alkotó anyagnak kell, hogy legyen egy „antigravitáló” hatású
összetevője is! Igaz, a szupernováknak a vártnál halványabb fénye esetleg egy
közbenső fényelnyelő közegnek is tulajdonítható. Bruno Leibundgut, az Európai
Déli Csillagvizsgáló vezető szupernova-szakértője 2003 júniusában, egy
balatonfüredi nemzetközi doktori kurzuson arról számolt be, hogy növekvő
érdeklődésnek és támogatásnak örvendő programjukban immár 155 SN Ia-t figyeltek
meg, és az elfogadott, globális szervezésű megfigyelési programmal néhány év
alatt 2000-re akarják növelni a megfigyelt szupernovák számát. Az objektumok
vöröseltolódását a 120%-os értékig kívánják kitolni. A nagyobb számú
szupernovát tartalmazó minta a már letapogatott tartományokon is finomabban
rajzolja ki a tágulás megfigyelhető görbéjét. A vöröseltolódás szélesebb megfigyelési
tartománya pedig lehetővé teszi, hogy az Univerzum globális mozgásának egyes
alapesetei, az extragalaktikus por abszorbciós hatása és a mérési adatok
közötti eltérés megítélhető legyen.
Megemlítjük, hogy
a Hubble Űrteleszkóp által felfedezett egyik szupernova vöröseltolódásának
nagyságáról folyó szakmai vita során, 2001-ben az ELTE akkori doktorandusza,
Budavári Tamás módszere alapján olyan javaslat fogalmazódott meg, amelynek
esetleges megerősítése perdöntő lehet az Univerzum tágulásának gyorsulását
okozó antigravitációs hatás létezésének kérdésében. A 15. ábrán megjelöltem a
fiatal kollégánk részvételével végzett elemzés publikált eredményét, amely nem
értelmezhető galaxisközi abszorbcióval, ezért világosan kizárná a lassulva
táguló Univerzum lehetőségét. De a fizika aranyszabálya szerint egy mérés nem
mérés...
V. AZ
UNIVERZUM GALAXISTÉRKÉPEI
A modern
asztrofizikai eszközök egyre halványabb fényforrások megfigyelésére képesek. A
bennük használt fényképező eszközök a beérkező fotonok irány szerinti
szétválasztásával az égbolt finomrajzolatú térképének felvételét teszik
lehetővé. Hosszú expozíciós idővel adják össze a fényforrásokból származó
fotonok energiáját az ún. CCD-csipekből felépített kamerákban. Ez a technika
másfél évtized alatt forradalmian átalakította az amatőr fotósok életét is.
Az ezzel a
technikával felszerelt Hubble Űrteleszkópot az égboltnak azokra a tartományaira
irányították, amelyeket a hagyományos csillagászati eszközök tökéletesen
sötétnek mutattak. Az eredmény drámai Galaxisok és galaxis-halmazok sokasága
tárulkozik fel egészen a négyszeresnél is nagyobb (430%-os) vöröseltolódás
tartományáig. Az ismert legöregebb „galaxis-relikviák” felfedezésére vezető
eljárás részletesebb leírását megtalálják.
Évtizedes
előkészítés után, 1999-ben indult be a Sloan Alapítvány által támogatott
digitális ég-térképezési program (SDSS), amely öt év alatt közel egymillió
galaxis többszínű fényképét készíti el automatizáltan. A több színszűrős
fényképsorozatot földi telepítésű teleszkóppal veszik fel Egy magyar kutatók
jelentős hozzájárulásával kidolgozott eljárást használva e fényképekből
meghatározzák az objektumok vöröseltolódásának mértékét – erről bővebben
olvashatnak. A SDSS tartja a legnagyobb vöröseltolódású objektum (egy ún.
kvazár, amelyről még nem bizonyított, hogy galaxis kapcsolható-e hozzá)
megfigyelésének rekordját, amelyre az eltolódás 600%-os.
A
Hubble-törvénytől való esetleges kismértékű eltérések nem változtatják meg a fő
tendenciát: aminek nagyobb a vöröseltolódása, az távolabb van, azaz az
Univerzum korábbi történeti pillanatáról ad hírt. A galaxisokat az égbolt
irányai mentén a vöröseltolódásuk mértékében rendezve alakulnak ki a
galaxistérképek, amelyek az Univerzum csillagcsomóinak szerkezetéről adnak
információt. Az első ilyen térképet az 1980-as évek közepén tették közzé. A
térképezés mélysége kevesebb, mint két évtized alatt óriásit lépett előre. Az
előrehaladás jól érzékelhető, ha a vöröseltolódásnak a régi térképen elért
legnagyobb értékét berajzoljuk a legújabb SDSS térképbe.
A megfigyelt
galaxistérképek kialakulását az elméleti kutatók megpróbálják az általános
tömegvonzás newtoni törvényeinek segítségével értelmezni. Ennek a számítógépes
kozmológiai kutatási iránynak a neve N-test szimuláció. Számításaikban
egy-egy galaxis teljes tömegét pontszerű részecskékbe koncentrálják, és
mozgásukat a Newton-törvénynek megfelelően modellezik szuperszámítógéppel. A
legnagyobb méretű szimulációkban több millió galaxis mozgását követik, és
kirajzolják helyzetük alakulását a vöröseltolódás csökkenésével, azaz a mai
korhoz közelítve. Kiindulásul a legtávolabbi (legkorábbi, legnagyobb
vöröseltolódáshoz tartozó) galaxisoknak az égbolton mért eloszlását
választhatjuk. Természetesen az akkori jóval kisebb térfogatból kell a
rendszert elindítani. A későbbi
eloszlást érzékenyen befolyásolja az Univerzum egészének egyidejű tágulási
mozgása is. A számítógépes „Univerzum-fejlesztés” eredményeként kirajzolódó
égtérképet összehasonlíthatjuk a megfigyeléssel. A gyorsuló vagy a lassuló tágulásra kirajzolódó
térképek közül az észleléssel legjobban egyezőhöz tartozó kozmológiai
paramétereket igyekszünk meghatározni. Ránézésre talán nehéz különbséget tenni
a különféle lehetséges Univerzumok galaxistérképei között, de a statisztikus
elemzés (ún. korrelációs analízis) megbízható választ ad például arra a
kérdésre is, hogy az Univerzum teljes energiájának mekkora hányadát hordozza a
szokásos gravitációjú és mekkora hányadát az „antigravitációs” hatású
(pontosabban gravitációsan nem csomósodó) anyagfajta. A jó egyezéshez e szerint
a vizsgálat szerint jelentős, közel 70%-os részesedésű, gravitációsan
összetömörödésre nem hajló, fényt nem kibocsátó ún. sötét energia
jelenlétét kell feltételezni. Az Univerzum jelenlegi állapotában csak 30% a
newtoni tömegvonzást követő anyag részesedése. Ez a becslés jól egyezik a
gyorsuló tágulás értelmezéséhez legjobban illeszkedő
anyagkoncentráció-összetételre nyert adatokkal.
Vajon meddig
egészíthető ki az égtérkép az egyre finomabb észlelési technikák révén
felfedezett újabb és egyre távolabbi galaxisokkal? Más szóval, mikor jelentek
meg az Univerzumban a legősibb galaxisok? Mi történik, ha a szuperszámítógépes
szimulációt nem a kisebb vöröseltolódások irányában, hanem (időben visszafelé)
a nagyobb vöröseltolódási értékek tartománya felé indítjuk útjára? George Gamow
mutatott rá először az 1940-es években, hogy az Univerzum tágulási szakaszain
visszafelé haladva egyre kisebb mérettartományba érkezünk, egyidejűleg a fizika
törvényei szerint a hőmérséklet fokozatosan növekszik (21. ábra), ugyanúgy,
ahogy egy összenyomott gáz is felmelegszik. A forró Univerzumban minden
szilárd anyag megolvad, majd elpárolog. A csillagok sűrű belső tartományaiban
működő nukleáris reakciók a ritka közegben leállnak. Végül a nagyobb
összetettségű kémiai vegyületek is elbomlanak. Visszajutunk abba a korba,
amikor az anyag legegyszerűbb molekuláiból álló gázkeverék többé-kevésbé
egyenletesen töltötte ki a Világegyetemet. A magas hőmérséklet okozta hőmozgás
sikeresen áll ellen a gravitáció csomósító hatásának. A részletes atomfizikai
modellektől függően abban az időszakban, amikor az első struktúrák éppen
elkezdtek csomósodni, az Univerzum mérete huszada vagy legfeljebb tizede volt a
mainak. Ez nagyjából 12-13 milliárd évvel ezelőtt köveetkezett be. A jobb híján
ősgalaxisoknak nevezhető első anyagcsomók egészen más képet mutattak, mint
viszonylag fiatal társaik, hiszen a csillagokat fűtő nukleáris reakciók ebben a
viszonylag egyenletes eloszlású gázban még nem indultak be, az átlagos mozgási
energiával mozgó atomok közötti ütközésekben atomfizikai gerjesztés és ezt
követő fénykibocsátás nem következik be. Az Univerzumban a méret csökkenésével
a sötétség korszakába érünk vissza. Ebben a csillagokat megelőző
korban ráismerhetünk a csillagokon (galaxisokon) túli szférára, amelyet a
görögök nyomán Cicero Nyxnek hívott!
Feltehetjük a
kérdést, remélhet-e a kozmológus olyan relikviát, amely a Mindenség még korábbi
korszakából hoz információt, amikor semmiféle, a hagyományos csillagászat
mérettartományába eső struktúra nem létezett? Lehetséges-e az ősgalaxisok
csomósodásának módjához, majd a mai galaxiseloszláshoz vezető út legelejét
megismernünk? A tovább forrósodó gázkeverék relikviái után kutatva elhagyjuk a
szokásos csillagászati jelenségek tartományát. A kvantumfizika válik a kutatás
fő eszközévé.
VI. A SÖTÉT
ANYAG
A mikrofizikai
kutatás kozmológiai fontosságát még egy nagyon fontos jelenségkör alapján is
megérthetjük. Ez a közbeiktatott fejezet arra keresi a választ, hogy az
Univerzum teljes anyagában 30%-nyi részesedésű, szokásos módon gravitáló anyag
összetételében mekkora a bennünket alkotó atomok és molekulák részaránya. Ebben
a kérdésben a galaxisokat alkotó csillagok, illetve nagyobb méretskálán a
galaxisok alkotta halmazok mozgásának részletei adnak felvilágosítást.
A
galaxishalmazokban résztvevő galaxisok ugyanolyan kötött rendszert alkotnak,
mint a Naprendszer bolygói A halmaz egésze együtt sodródik a Hubble-törvényt
követve a táguló Univerzumban, de az egyes tagok közötti tömegvonzás e mozgásra
zárt pályán való száguldást is „rárajzol”, amelynek jellemző sebessége 1000
km/s. A galaxisok közötti teret forró gáz tölti ki, amelynek hőmérsékletét
abból a tényből lehet megbecsülni, hogy elektromágneses sugárzása a
röntgen-tartományban igen intenzív (23. ábra), éppen ebből tudjuk, hogy a
galaxisközi gáz többezer fokos. Ezen a hőmérsékleten minden anyag, amely
elektromágneses kölcsönhatásra képes, világít. Ezért nem várható, hogy a
bennünket alkotó anyag kisebb darabkái, amelyeket „barna törpéknek” is neveznek,
megbújnának ebben a rendszerben.
A világító anyag
mennyiségére a gáz és a galaxisok sugárzási intenzitásának elemzéséből
megbízható becsléseket lehet tenni. A galaxishalmaz teljes tömegét több
független módszerrel is meg lehet becsülni, ezek közül egy nagyon látványos
optikai effektus segítségével végrehajtott becslést mutatunk be. A nagy tömegek
közelében elhaladó fény elhajlásának jelensége is felhasználható a tömeg
nagyságának megmérésére. A fény elhajlásának az észlelése a Nap környezetében az
általános relativitás elméletének egyik első bizonyítéka volt. Egy
galaxishalmaz tömege a Nap tömegének több milliárdszorosa, ezért a hatás sokkal
látványosabb Látható, hogy a képen a galaxishalmaz centruma körül teljesen
ellipszissé torzult a valóságban gömbszerű alakzatok képe. A leképezés
számszerű értékelésének konklúziója az, hogy a galaxishalmaz össztömegének csak
mintegy 4-5%-a található a taggalaxisokban és 10-15%-a a forró galaxisközi
gázban. A többi az ismeretlen sötét anyag. Kisebb skálán vizsgálták
annak lehetőségét, hogy a nem világító anyag egy része az ismert anyagfajták
hideg csomóiból, úgynevezett barna törpékből áll. A galaxisunkban
végzett megfigyelések szerint e csomók járuléka elhanyagolható. Az elemi részek
fizikájának egyik legfontosabb kihívása annak a mindeddig ismeretlen,
valószínűleg nagytömegű részecskének a felfedezése, amely a sötét anyag
meghatározó komponense.
Az N-test
szimulációk kapcsán beszéltünk róla, hogy a newtoni gravitációt kifejtő
anyagfajták nagyjából 30%-át teszik ki az Univerzum alkotórészeinek. A
galaxishalmazokra épülő becslésünkből megérthetjük, hogy a bennünket alkotó
anyag, azaz a fényt kibocsátani képes alkotórészek (az elektron, a kvarkok és
társaik) nem több mint 5%-os súllyal rendelkeznek az Univerzum teljes
anyagában. Ezt a következtetést más, még korábbi kozmológiai korok relikviáinak
elemzése is megerősíti. Nehéz beletörődni, hogy mindaz, amit az emberi tudomány
az Univerzum anyagából mindmáig képes volt megragadni, ilyen kis részt jelent
csak. A tudomány kalandjának lezárhatatlan folyamatában azonban új fejezetek
nyílnak a kíváncsi ember előtt.
VII. A
KOZMIKUS HÁTTÉRSUGÁRZÁSBA KÓDOLT VILÁGTÖRTÉNELEM
Az Univerzum
egyre korábbi történetébe való visszahatolást ott hagytuk félbe, amikor
eltűntek a gravitációval összehúzott (aggregált) struktúrák, és az Univerzumot
helyről helyre kissé ingadozó, de többé-kevésbé azonos sűrűségű atomos
gázkeverék töltötte ki. Ezt a keveréket a legelemibb atomok, tehát szinte
kizárólag hidrogén és hélium alkotta. Az időben visszafelé haladva Gamow,
Alpher és Hermann 1948-ban rámutattak, hogy a felforrósodó gáz ütközései
egyszer csak elérik az ionizációs küszöböt, legelsőként a hidrogénét E felett a
hőmérséklet felett a fény elnyelésével és kisugárzásával járó folyamatok kiegyensúlyozódása
révén a fotonok által hordott energiahányad az ionizált plazmát alkotó
elektronokkal és protonokkal azonos nagyságrendű. A korábbi korszakokból
származó fotonok elnyelődnek az elektronokból és protonokból álló plazmában, a
mai megfigyelőhöz az e korszakot megelőző időszakban kibocsátott fény nem
juthat el!
Most fordítsuk
meg az időnyíl irányát, és vizsgáljuk a hidrogén ionizációs küszöbe környékén
bekövetkezett eseményeket az Univerzum hűlésének (tágulásának) folyamatában. A
fotonok hullámhossza az Univerzum méretének növekedésével egyre vörösebb lesz.
Az a vöröseltolódási érték, amelynél a fotonok átlagos energiája már nem elég
az időről időre hidrogénmolekulává kapcsolódó elektron és proton
szétválasztásához, a földi hidrogén spektrumához képest kb. 110000% (!). Ekkor
az Univerzum mérete a mainak nagyjából ezrede volt. Ezt a rekombinációnak
nevezett jelenséget követően a közel egyenletesen eloszló gáz nem bocsát ki
fotonokat, és nem is nyeli azokat el. A rekombináció időszakától mindmáig fotonokkal
van tele a Világegyetem, amelyek frekvenciája egyre jobban vörösödik a
Világegyetem tágulásával. Ezeket a fotonokat elválasztva a csillagok és a
csillagközi gáz újabb keletű fénykibocsátásától, az Univerzum 13 milliárd évvel
ezelőtti állapotáról nyerhetünk információt.
Gamow és
munkatársai 1948-ban 4,5 Kelvinre becsülték a kozmikus háttérsugárzás
fotonjainak mai hőmérsékletét. Az átlagos hőmérsékletnek a mai mérésekből
elfogadott értéke 2,725 Kelvin (az utolsó értékes jegy lehet 3 vagy 7 is). Mai
környezetünk egy köbcentimétere 410-420 „őskori” fotont hordoz. Ennek a
sugárzásnak az átlagos hullámhossza a mikrohullámú tartományban van. A
mikrohullámú háttérsugárzást 1964-ben Penzias és Wilson mutatta ki elsőként.
Felfedezésükért méltán kaphattak volna régészeti Nobel-díjat, ha létezne olyan.
Így maradt a fizikai.
Az egykori forró
gázkeverék sűrűsége követte a gravitációt meghatározó sötét anyag
sűrűségeloszlásában fellépő kis egyenetlenségeket. Egyben a különböző töltések
közötti erőhatás rezgéseket eredményez az egyensúlyi helyzet körül. A
rezgésekben a sűrűsödések és ritkulások rajzolata ugyanúgy határozható meg a
gömb szimmetriájával bíró Univerzumban, mint
egy rezgő rugalmas lapra rászórt homokszemek eloszlásában kialakuló sűrűsödési és ritkulási ábrák. Ezek
miatt az ingadozások miatt a háttérsugárzás fotonjainak hőmérsékletében az
égbolt különböző irányaiban kis ingadozást várnak. A sűrűbb helyekről nagyobb,
a ritkábbakból kisebb frekvenciájú fotonok indultak el az Univerzumot átszelő
útjukra. Az ingadozás amplitúdójának az átlaghoz viszonyított nagyságára
először 1992-ben tudtak számszerű becslést adni a Cosmic Background Explorer
(COBE) mesterséges holdon elhelyezett mikrohullámú detektorok által észlelt
sugárzás elemzésével.
Az energiasűrűség
relatív ingadozása az átlaghoz képest nagyon kicsinek bizonyult: 1 rész a 100
000-ben, ami a mikro-Kelvin skálán észlelhető. Ez a kis ingadozás egy
biliárdgolyó felszínének „rücskösségével” hasonlítható össze. A legkisebb
szögkülönbség, amelynek hőmérsékleti differenciáját mérni tudták, 7 fok volt.
1998 és 2001 között az Antarktiszról léggömbön a magaslégkörbe feljuttatott
mérőállomással sikerült a hőmérséklet különböző irányban mért értékei közötti
ingadozásokat egy fok eltérésű irányokra is megmérni.
Miért fontos
ez?
A plazma
sűrűségingadozásai különböző amplitúdójú sűrűsödési hullámokból állnak össze.
Korrelált (kauzális kapcsolatban álló) sugárzást akkora tartományból várhatunk,
amekkorát a hullámok az Ősrobbanás pillanatától a sugárzás kibocsátásáig eltelt
300 ezer évben megtettek. Ez a távolság az égbolton legfeljebb 1-2 fok
szögkülönbségű tartományt borít be. A kis szögeltérésű irányok közötti
fotonhőmérsékleti eltérés részletes megismerése alapján megismerhetjük a
kibocsátás korszakában uralkodó sűrűségingadozásokat. Ezek teljes ismerete
lehetővé teszi, hogy a táguló Univerzum gravitációs egyenleteiben kezdeti
adatként szerepeljenek, és a gravitációs hatásukat figyelembe vevő
szuperszámítógépes megoldással eljussunk a galaxistérképek legnagyobb vöröseltolódáshoz
tartozó szerkezetéig! Ha ezt az utat is sikerül bejárni, akkor a mai
galaxistérképet visszavezettük a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás 13
milliárd évvel ezelőtti korszakában uralkodó sűrűségviszonyokra!
Ez indokolta,
hogy a NASA 2001 kora nyarán újabb mesterséges holdas mérőállomást lőjön fel,
amely a Wilkinson Microwave Ansitoropy Probe (WMAP) nevet viseli és 10
szögperces iránykülönbségre is képes megmérni a sugárzás hőmérsékleti
különbségét. Ennek a missziónak az első évéből származó adatokat 2003
februárjában tették közzé. A 30. ábra Van Gogh híres festményének példáján
mutatja be, hogyan változik a szögkülönbségbeli feloldóképesség növelésével a
téli éjszaka képe. A minden eddiginél finomabb mikrohullámú égtérképre
alapozott számítások vezettek a kozmológiai paramétereknek az előadás elején
ismertetett pontosságú meghatározásához. 2007-ben az Európai Űrügynökség is
felbocsátja PLANCK nevű misszióját, amelynek szögfeloldása eléri a szögpercet.
Az eddigi
műholdas és léggömbös kísérletek elemzése alapján úgy tűnik, hogy a standard
földi atomfizika tökéletesen leírja a korai Univerzumot kitöltő
elektron-protonplazma sűrűségének ingadozásait a kauzális kölcsönhatásokkal
összekötött tartományokban. A sötét anyag és a sötét energia mibenlétének
kiderítéséhez ugyan túl kell lépni az ismert mikroszkopikus kölcsönhatásokon,
de a galaxisok kialakulásának dinamikájában csak gravitációs kölcsönhatásaik
játszanak szerepet.
A kozmikus
mikrohullámú háttérsugárzás leírt tulajdonságai között mégis van egy, amely
érthetetlen. Ez a háttérsugárzás kibocsátását megelőző fejlődési időszakban speciális
dinamikájú szakaszt kényszerít ki, amely várakozásaink szerint a forró
Univerzum korszakát megelőző történetbe ad betekintést.
VIII. A
HÁTTÉRSUGÁRZÁS HIHETETLEN IRÁNYFÜGGETLENSÉGE
Az igazi
szenzációt okozó rejtély létezése valójában már 1992-ben, a COBE mesterséges
hold eredményeinek közzétételével kísérleti megerősítést nyert. Alan Guth,
amerikai részecskefizikus már 1981-ben feltételezte, hogy a különböző irányokból
érkező sugárzás hőmérséklete közötti összehangoltság (szinkronizáció) nagyobb
szögtávolságú irányokból érkező sugárzásban is észlelhető, mint amelyeket a
sugárzás és anyag hatására táguló Univerzumban egymással kauzális kapcsolatban
lévő tartományok mérete alapján várunk. A 7 foknál nagyobb szögkülönbségű
tartományok között tapasztalt szinkronizáció (a biliárdgolyó simaságú
hőmérsékleti kép) látszólag akauzális kapcsolat létét látszik bizonyítani a
Világegyetem távoli tartományai között. Guth javaslatot tett olyan, a Forró
Univerzumot megelőző dinamikára, amely a kauzalitás sérelme nélkül
eredményezhette ezt a helyzetet.
Egy extrém rövid,
korai szakasz közbeiktatását javasolta, amely a zérus hőmérsékletű hideg és a
tetszőlegesen végtelen kiterjedésű Világmindenség egy egészen kis tartományában
következhet be. Az atomok és elemi részecskék világában fellépő ingadozások
hullámszerű koherenciáját csodálatos kísérletek alapján hozzáértő és laikus
egyaránt biztos tényként kezeli. (Emlékezzenek a Mihály György és Sólyom
Jenő előadásain látott kísérletekre). Az ősrobbanás kiindulásául
szolgáló tartomány mérete az atomfizikai tartományoknál kifejezhetetlenül
kisebb, az ún. Planck-hosszúsággal jellemezhető. A hipotetikus folyamat lényege
az, hogy véletlen ingadozás következtében óriási energia koncentrálódik ebbe a
tartományba. A kisenergiájú alapállapotba való visszatérés extrém gyors
tágulási folyamattal (infláció) valósul meg, amelynek eredményeként a
kis tartomány mérete robbanásszerűen makroszkopikussá nő. Az elemi kvantumos
kölcsönhatásokkal összecsatolt sűrűségingadozások összehangoltságuk elvesztése
nélkül szintén makroszkopikussá alakulnak. A kiinduló makroszkopikus
sűrűségingadozások mikrofizikai ismereteink alapján számíthatók, és ezekből
meghatározták a mikrohullámú háttérsugárzás kibocsátásának korszakában érvényes
sűrűségingadozásokat is. Meghatározott jóslatok tehetők az Univerzummá növekvő
térrész energiasűrűségére, a különböző frekvenciájú sűrűségingadozások
egymáshoz viszonyított erősségére. Mindezeket a jóslatokat a háttérsugárzás
pontos mérésével vethetjük össze. A hideg inflációs korszakot követő
felforrósodás elképzelésének helyességét a WMAP űrszonda legutóbbi mérései
meggyőzően megerősítették. Az észlelt kis eltérések elemzése elindítotja azt a
folyamatot, amelyben a nagyszámú, létezhető inflációs modell közül kiválasztják
azt, amely Univerzumunkban meg is valósul.
Egy végtelen kiterjedésű hideg kvantumvilágban
több független inflációs esemény is bekövetkezhet Így bizonyos gyakorisággal rendszeresen
(jelenleg is) jöhetnek létre Univerzumunkhoz hasonló világok, amelyek későbbi
fejlődése egymástól független. A kialakuló Világegyetemek között nincs
kölcsönhatás, az egyes világok kozmológiai paraméterei különbözhetnek, az ott
ható természeti törvények mások, ezért bennük különböző világtörténetek
zajlanak le. Ez a multiverzum elképzelése, amely az Univerzumunk
méréséből szerzett adatok értelmezésének feladatát a fizikát jellemző
statisztikus gondolatkörbe vezeti. Univerzumunk egy a sok létezhető között!
A sötét anyag
bizonyosnak tűnő és az antigravitáló hatású anyag esetleges létezéséből
származó kihívások mellett az inflációs korszak megismerése a harmadik
részecskefizikai kérdéskör, amelyet a modern kozmológiai mérések értelmezése
kényszerít ránk. Ez a mai természettörvényeken túlmutató felfedezéseket ígérő
program teszi izgalmassá az emberiség számára a mikrofizikát a következő fél
évszázadban.
|
||
|
|
|
||
|
|