[Cytadela] Dziura, której nigdy nie było

[NewsBot - Aktualności]

Dość przypadkowe w rzeczy samej odkrycie mikrofalowego promieniowania tła (CMB, Cosmic Microwave Background) w 1965 roku przez dwóch pracowników (nagrodzonych za to dokonanie nagrodą Nobla A.A. Penziasa i R.W. Wilsona) laboratoriów badawczych amerykańskiej firmy Bell Telephone można śmiało uznać za przełomowy moment o nieocenionym znaczeniu dla rozwoju “młodej”, nowożytnej kosmologii. Potwierdzając empirycznie i niezaprzeczalnie istnienie przewidywanego wcześniej przez niektórych teoretyków (n.p. wybitnego fizyka Georga Gamowa) promieniowania, będącego reliktem wczesnego, gorącego Wszechświata (stąd zamiennie stosowana jest również często nazwa “promieniowanie reliktowe”), kosmologowie otrzymali w końcu do swych rąk potężne narzędzie, które nie dość, że było samo w sobie bardzo mocnym argumentem na rzecz poprawności hipotezy Wielkiego Wybuchu, to z czasem stało się szeroko otwartym “oknem na Wszechświat”, pozwalającym – wraz z rozwojem coraz bardziej zaawansowanych technologii pomiarowych – precyzyjniej poznawać strukturę i własności Wszechświata takiego, jakim był w “niemowlęcym wieku” ok. 380 tysięcy lat.

 

Prezentowana powyżej grafika z pewnością choć po części uzmysławia, w jakim stopniu rozwijająca się przez dekady technika pozwoliła poznawać z coraz większą rozdzielczością rozkład promieniowania, dobiegającego do Ziemi ze wszystkich kierunków. U samej góry można zauważyć coś, co próbuje jako tako przypominać “mapę” – dane zebrane przez wspomnianych wcześniej Penziasa i Wilsona w zamierzchłych latach sześćdziesiątych to w zasadzie jednolity szum, przedzielony na dwie połowy przez “zakłócające” promieniowanie rejestrowane w płaszczyźnie Drogi Mlecznej. O ile kolejna, wykonana po wieloletniej przerwie, mapa rozkładu CMB zarejestrowana przez amerykańskiego satelitę COBE (COsmic Background Explorer) na początku lat 90-tych minionego wieku pozostawia ciągle wiele do życzenia i w bardzo niedokładny sposób prezentuje różnice w temperaturze promieniowania, o tyle legendarna już w sumie mapa, zaprezentowana z wielką pompą w dniu 11 lutego 2003 roku a wykonana przez również amerykańskiego satelitę WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) powala swoją rozdzielczością, pozwalając badaczom na snucie najrozmaitszych rozważań o naturze Kosmosu. A to jeszcze nie koniec – o ile satelita WMAP pozwalał na zarejestrowanie różnic w temperaturze promieniowania o wartości ok. 0,00001 Kelwina, o tyle wysłany wiosną tego roku przez Europejską Agencję Kosmiczną w przestrzeń kosmiczną satelita PLANCK (no w końcu Europa coś zdziałała) powinien umożliwić 50-krotne zwiększenie rozdzielczości w stosunku do poprzednika (kilka zaledwie dni temu instrument ten “otworzył oczy” po raz pierwszy, co wyszło podobno całkiem nieźle).

 

Aby lepiej zrozumieć dalszą treść wpisu konieczne jest teraz – w dużym uproszczeniu charakterystycznym dla moich amatorskich wywodów – krótkie omówienie zawartości samej mapy, tych kolorowych, bezładnie rozsypanych na mapie plamek. Jak stwierdziłem wcześniej – CMB to mikrofalowe promieniowanie reliktowe (o temperaturze ok. 2,75 Kelwina), które dociera do Ziemi z każdej strony, przy czym biegnąca przez środek mapy gruby czerwony pas odpowiada promieniowaniu naszej Drogi Mlecznej. Promieniowanie to wypełnia “szczelnie” Wszechświat i uważa się, że jest to pozostałość po bardzo wczesnej fazie istnienia Wszechświata, okresie, w którym doszło do, mówiąc dość oględnie, oddzielenia się materii od promieniowania. Moment ten ma wielkie znaczenie choćby z tego jednego względu, że Wszechświat stał się wówczas “przezroczysty” dla promieniowania, po raz pierwszy w swej historii, umożliwiając promieniowaniu swobodną podróż przez przestrzeń.

 

Na pierwszy pobieżny rzut oka, spoglądając na mapę CMB, można zauważyć na niej chaotyczną mozaikę zmierzających do dwóch przeciwstawnych barw – czerwonej i niebieskiej – plamek. Te odmienne barwy plamek to nic innego jak zarejestrowane przez instrumenty badawcze różnice w temperaturze promieniowania, inaczej – po chłopsku – mówiąc im bardziej dana plamka jest niebieska, tym większe odchylenie od średniej temperatury CMB “in minus”, w przypadku barwy czerwonej przeciwnie. Oczywiście mowa tutaj o mikroskopijnych wręcz odchyleniach – nie wolno nam tutaj zapomnieć, że w przypadku mapy WMAP chodzi o dziesięciotysięczne części Kelwina.

 

Można by na podstawie tego – jak się okazuje błędnie – założyć, że tak niewielkie różnice w zasadzie nie mają żadnego znaczenia dla nikogo. Jednak dla kosmologów właśnie te odchylenia stanowią niezwykłą skarbnicę wiedzy – mapa CMB stanowi bowiem unikalne i niepowtarzalne odwzorowanie niezwykle małych różnic w gęstości materii w bardzo wczesnym Wszechświecie. Upraszczając sprawę można bowiem powiedzieć, że im gęściej materia zgromadzona, tym większa temperatura danego regionu Kosmosu. Tym samym dzięki CMB naukowcy mogą na własne oczy (no, powiedzmy) “zobaczyć”, jak bardzo jednorodny i izotropowy był Wszechświat w swym niemowlęcym wieku, jak niezmiernie małe były różnice w rozkładzie materii, niezmiernie małe, a jednak na tyle decydujące, że właśnie te różnice w gęstości stały się w końcu źródłem wszystkich struktur które obserwujemy we Wszechświecie.

 

W 2004 roku naukowcy badający pieczołowicie rozkład CMB na podstawie danych uzyskanych przez satelitę WMAP odkryli coś zgoła mocno nieoczekiwanego – na południowej hemisferze, w gwiazdozbiorze Erydanu znaleźli obszar, który był “znacznie” chłodniejszy, niż teoretycznie powinien być - chodziło o wartość mniejszą od przeciętnej o “zaledwie” 70 mikrokelwinów, co prawda pozornie bardzo niewiele, jednak pozory jak to zwykle bywa całkowicie mylą – w przypadku CMB takie odchylenie było czymś niezwykłym. Co gorsza, prawdopodobieństwo wystąpienia takiego obszaru było znikomo małe, przy założeniu, że Wszechświat jest taki, jaki nam się zdaje. Wszystkie obszary CMB powinne, zgodnie z tym rozumieniem, mimo niewielkich odchyleń, przebiegać ten sam proces rozwoju i tak “chłodnego” miejsca na mapie CMB po prostu nie miało prawa być.

 

I się zaczęło – astronomowie zaczęli pełni zapału prześcigać się w spekulacjach co do przyczyny takiej anomalii, którą nazwano finezyjnie “zimnym punktem” lub, zamiennie, “zimną plamą”. Pomysły, jakie wówczas się zrodziły, mogą przyprawiać o zawrót głowy: była mowa i i “superpustce”, kryjącej się za chłodnym obszarem, osiągającej niewyobrażalny rozmiar setek milionów lat świetlnych, jak i nawet o równoległym Wszechświecie. Już wówczas jednak pojawiły się również nieliczne głosy sceptyków, którzy wskazywali na bardzo “naturalne” pochodzenie “ciemnej plamy”. Zdaniem tych badaczy wszystkiemu winne były… metody statystyczne służące do analizowania mapy.

 

Mijały lata i spekulacje nie cichły – nikt tak naprawdę nie wiedział, czym jest sławetna “zimna plama”. Tymczasem niedawno ukazała się praca badawcza duetu naukowców Raya Zhanga oraz Dragana Huterera z University of Michigan w Ann Arbor (USA), w której obaj panowie udowadniają, iż w istocie to właśnie statystyczne metody są wszystkiemu winne – w szczególności egzotycznie brzmiąca metoda “Spherical Mexican Hat Wavelet” (niestety nie mam pojęcia jak to przetłumaczyć, znalazłem u wujka Google tylko mętne pojęcia metody “kapelusza meksykańskiego”, coś o “falkach” no i mamy jeszcze sferyczność, nie podejmuję się chybionego z pewnością tłumaczenia całości), która stosowano do analizy obrazu CMB. To właśnie ta metoda wytwarza niejako “zimną plamę”, zakłamując w sumie uzyskiwane dane, bowiem przy zastosowaniu innych metoda plama ta w ogóle się nie ukazuje lub przynajmniej nie jest zimniejsza niż przeciętne inne obszary.

 

Jest to o tyle ciekawe, że zmusza do zastanowienia nad ogólną wartością wyników zróżnicowanych badań naukowych (nie tylko kosmologicznych czy astronomicznych), które wykorzystując nierzadko niezwykle skomplikowane metody analizy mogą sobie literalnie “same strzelić gola”. Oczywiście “wpadka” związana z “zimną plamą” nie przekreśla całokształtu wiedzy o mikrofalowym promieniowaniu tła – nikt nie wykazał ani pewnie nie próbuje wykazać, że cała nasza wiedza o CMB jest po prostu wynikiem błędu, wskazuje to jednak na niezwykłą wagę pieczołowicie powtarzanych i potwierdzanych eksperymentów, dzięki którym możemy się upewnić, że nie popełniliśmy błędu.

 

Spójrzmy więc po raz ostatni na sławetny “cold spot” – zależnie od preferencji hipotetyczną “superpustkę” we Wszechświecie lub ślad równoległej rzeczywistości – jako na artefakt metody statystycznej…

 

 

 

Źródła:

 

Link 1

 

Grafika 1 (u góry wpisu): Porównanie rozdzielczości map CMB na przestrzeni kilkudziesięciu ostatnich lat

 

Źródło grafiki

 

Credit:Wikipedia

 

Grafika 2 (na dole wpisu): Tak, to właśnie złowroga “zimna plama”…

 

Źródło grafiki

 

Credit: PD-USGOV/Wikipedia

Wyświetl pełny artykuł