Teleskop kosmiczny Planck odkrywa prawie idealny Wszechświat

Obraz powstał na postawie danych pochodzących z pierwszych 15,5 miesięcy działania teleskopu Planck. Jest to pierwszy pochodzący z całego nieba obraz najstarszego światła w naszym Wszechświecie, utrwalony na niebie, kiedy to miało zaledwie 380 000 lat.

W tym okresie młody Wszechświat wypełniony był gorącą, gęstą zupą protonów, elektronów i fotonów o temp. ok. 2700ºC, które wchodziły we wzajemne relacje. Kiedy protony i elektrony łączyły się tworząc atomy wodoru uwalniane było światło. Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata, dzisiejsze światło rozciągnęło się do mikrofal będących odpowiednikiem temperatury zaledwie 2,7 stopnia powyżej absolutnego zera.

Mikrofalowe promieniowanie tła kosmicznego (CMB) wykazuje niewielkie fluktuacje temperatury odpowiadające regionom o nieznacznie różnych gęstościach w bardzo wczesnych okresach, co przedstawia zalążek wszystkich przyszłych struktur: obecnych gwiazd oraz galaktyk.

Według Standardowego Modelu kosmologii, fluktuacje powstały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu i rozciągnęły się na kosmologicznie dużą skalę w krótkim okresie przyspieszonej ekspansji zwanym inflacją.

Kosmiczny teleskop Planck opracowano do stworzenia mapy tych fluktuacji w ramach całego nieba, z zastosowaniem niespotykanej dotąd rozdzielczości i czułości. Analizując charakter oraz rozkład zalążków na obrazach CMB stworzonych przez satelitę Planck możemy określić skład oraz ewolucję Wszechświata od jego powstania po dzień dzisiejszy.

Ogólnie informacje pochodzące z nowej mapy z teleskopu Planck dają niezwykłe potwierdzenie Standardowego Modelu kosmologii z niezrównaną dokładnością, ustanawiając nowy punkt odniesienia w naszym opisie składu Wszechświata. 

Dzięki tak wysokiej precyzji mapy Plancka można odkryć pewne osobliwe, niewyjaśnione cechy, które mogą równe dobrze wymagać nowego podejścia teoretycznego dla ich zrozumienia.

„Niezwykła jakość obrazu młodego Wszechświata uzyskana przez teleskop Planck pomaga nam odkrywać jego kolejne warstwy aż po same fundamenty, pokazując, że nasze pojęcie wszechświata jest dalekie od pełności. Te odkrycia były możliwe dzięki niezwykłej technologii opracowanej przez przemysł europejski właśnie w tym celu” mówi Jean-Jacques Dordain, Dyrektor Generalny ESA.

„Od momentu wydania pierwszego obrazu pełnego nieba uzyskanego przez teleskop Planck w 2010 r., dokładnie wydobywamy i analizujemy wszystkie emisje pierwszoplanowe leżące między nami a pierwszym światłem Wszechświata, odkrywając jeszcze szczegółowiej mikrofalowe promieniowanie tła kosmicznego” dodaje George Efstathiou z Uniwersytetu Cambridge, Wielka Brytania.

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć jest to, że fluktuacje w temperaturach CMB w większej skali kątowej nie odpowiadają fluktuacjom przewidywanym na podstawie Modelu Standardowego – ich sygnały nie są tak silne jak oczekiwano na podstawie struktury o mniejszej skali ujawnionej przez teleskop Planck.

Innym jest asymetria średnich temperatur na przeciwległych półkulach nieba. Jest o sprzeczne z hipotezą postawioną na podstawie Modelu Standardowego, mówiąca, że Wszechświat powinien być w zasadzie podobny w każdym kierunku, w którym spoglądamy.

Ponadto wielkie pustki rozciągają się na połać nieba znacznie większą niż oczekiwano.

Na istnienie asymetrii oraz wielkich pustek wskazywał już poprzednik Plancka, misja WMPA NASA, jednakże zostały one zignorowane ze względu na powracające wątpliwości, co do ich pochodzenia kosmicznego.

„Fakt, że Planck dokonał tak znaczącego wykrycia tych anomalii usuwa wszystkie wątpliwości, co do ich realności. Nie można już twierdzić, że są to artefakty pomiarów. Są one prawdziwe i musimy poszukiwać wiarygodnego wyjaśnienia” mówi Paolo Natoli z Uniwersytety Ferrera, Włochy.

„Wyobraźmy sobie badanie fundamentów domu oraz odkrycie, że części z nich są słabe. Nie wiemy, czy te słabe punkty w końcu spowodują zawalenie się domu, ale w pewnie szybko zaczniemy szukać sposobu ich wzmocnienia” dodaje François Bouchet z Institut d’Astrophysique de Paris.

Jednym ze sposobów wyjaśnienia anomalii jest propozycja mówiąca, że Wszechświat nie jest taki sam we wszystkich kierunkach w większej skali niż możemy to obserwować. W tym scenariuszu promienie światła z CMB mogą poruszać się po bardziej skomplikowanej ścieżce we Wszechświecie niż to wcześniej rozumiano, dając niezwykłe zjawiska obserwowane obecnie.

„Naszym końcowym celem jest stworzenie nowego modelu przewidującego te anomalie i łączącego je wzajemnie. Ale to dopiero początek. Nie wiemy, czy jest to możliwe oraz jaki nowy typ fizyki może być niezbędny. I to jest fascynujące” mówi profesor Efstathiou.

Jednakże oprócz anomalii, dane z Plancka są niezwykle zgodne z oczekiwaniami raczej prostego modelu Wszechświata, umożliwiając naukowcom określenie najbardziej dokładnych wielkości jego składników.

Normalna materia będąca częścią składową gwiazd i galaktyk to zaledwie 4,9% gęstości masy/energii Wszechświata. Ciemna materia, która jak dotąd została wykryta pośrednio na podstawie jej wpływu grawitacyjnego, stanowi 26,8%, co najmniej jedną piątą więcej niż poprzednie dane szacunkowe.

Odwrotnie, ciemna energia, tajemnicza siła uważana za przyczynę przyspieszenia rozwoju Wszechświata, stanowi mniej niż wcześniej myślano.

W końcu dane z Plancka określają również nową wartość prędkości z jaką obecnie rozszerza się Wszechświat, zwaną stałą Hubble'a. Uzyskana wartość 67,15 kilometra na sekundę na megapersek jest znacznie mniejsza niż bieżąca standardowa wartość w astronomii. Dane wskazują, że wiek Wszechświata to 13,82 miliarda lat.

„Dzięki najdokładniejszym i najbardziej szczegółowym mapom nieba mikrofalowego, które kiedykolwiek stworzono, Planck rysuje nowy obraz Wszechświata, zmuszając nas do pójścia dalej, aby zrozumieć bieżące teorie kosmologiczne” mówi naukowiec z ESA pracujący przy projekcie Plancka.

„Widzimy prawie perfekcyjne dopasowanie do standardowego modelu kosmologii, które jednak dzięki intrygującym cechom zmusza nas to do ponownego przemyślenia niektórych z naszych podstawowych założeń.

„Jest to początek nowej przygody i oczekujemy, że nasza ciągła analiza danych z Plancka pomoże rzucić światło na tę zagadkę”.