Ako druga istraživanja potvrde rezultate do kojih je došao tim stručnjaka pod vodstvom Johna M. Kovaca iz Centra za astrofiziku Harvard-Smithsonian, znanstvenici će moći mnogo bolje razumjeti veliki prasak i uvjete u kojima je nastao svemir, a možda čak i naći rješenja za objedinjavanje svih teorija fizike u jednu jedinstvenu.

Kovac je danas na konferenciji za novinare predstavio dva rada koji još nisu objavljeni u stručnim časopisima. Međutim najugledniji među njima Nature već je lansirao video koji opisuje otkriće (pogledajte dolje).

Prema predstavljenim izvješćima podaci kolaboracije BICEP2 ujedno predstavljaju i prve slike gravitacijskih valova, sićušnih nabora u tkanju prostorvremena. Ove valove predvidjela je još Einsteinova opća teorija relativnosti 1916. godine. U novoj studiji istraženi su valovi koji su zapravo tragovi primordijalnog podrhtavanja uzrokovanog velikim praskom.

Konačno novi rezultati također potvrđuju duboku povezanost između kvantne mehanike i teorije opće relativnosti.

'Otkrivanje ovog signala jedan je od najvažnijih ciljeva kozmologije danas', rekao je voditelj kolaboracije Kovac.

Podatke na kojima se temelji istraživanje prikupio je teleskop BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) koji snima slabašne tragove, tzv. fosilne ostatke podrhtavanja u sjaju velikog praska. Naime, u tom sjaju postoje male nejednakosti u temperaturama koje pokazuju da su neki dijelovi svemira nedugo nakon velikog praska bili gušći. Oni su se s vremenom kondenzirali i stvorili galaksije i skupine galaksija.

Što je to inflacija?

Prema teoriji inflacije svemir je u kratkoj ranoj fazi nastajanja od mikroskopskih kvantnih fluktuacija narastao do makroskopskih razmjera. Naglo širenje počelo je već 10^-35 sekundi nakon velikog praska (to je djelić sekunde koji počinje nulom i zarezom nakon kojih slijede još 34 nule pa tek onda jedinica) i trajalo nekoliko sličnih djelića sekunde. Unatoč tome što se širio brzinom većom od brzine svjetlosti, svemir nije prekršio Einsteinovu teoriju opće relativnosti prema kojoj prostorom ništa ne može putovati brže od svjetlosti jer je inflacija bila širenje samog prostora.

Ovu teoriju neizravno su prije više godina potvrdila snimanja kozmičkog mikrovalnog zračenja (CMB), jeke velikog praska koja je ispunila svemir kada je u dobi od oko 380.000 godina postao proziran i prohodan za svjetlost. Prije toga bio je ispunjen vrelom maglom plazme i energije koja nije dozvoljavala fotonima da slobodno putuju.

Mada su u ovom zračenju zabilježene određene varijacije u temperaturi, ono je fascinantno jednolično što je u skladu s idejom o naglom širenju svemira. Naime, bilo bi teško objasniti zašto bi temperatura u udaljenim dijelovima svemira bila gotovo identična da cijeli svemir nije nastao iz jednog minijaturnog, uniformnog područja. No prije novog istraživanja znanstvenici nisu uspjeli naći izravne dokaze za inflaciju.

Dokaz - polarizirane petlje svjetla

Budući da je kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje oblik svjetlosti, ono izražava sva svojstva svjetlosti što uključuje i polarizaciju. Na Zemlji se svjetlost sunca raspršuje u atmosferi i tako postaje polarizirana. Zbog toga polarizacijski filtri za fotoaparate i naočale smanjuju sjaj neba. Svojstvo polarizacije također se koristi u naočalama za 3D projekcije. Jedno staklo propušta dio svjetla koje je vertikalno polarizirano, a drugo svjetlost koja je polarizirana horizontalno pa lijevo i desno oko vide različite slike s malim pomakom u perspektivi što stvara dojam dubine. U ranom svemiru sjaj kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja rasipali su atomi i elektroni tako da je i ono postalo polarizirano.

'Naš tim je tragao za posebnom vrstom polarizacije koja se naziva 'B-mod', a predstavlja uzorak petlje u orijentaciji polarizacije drevnog svjetla', rekao je suvoditelj istraživanja Jamie Bock iz Caltecha.

Gravitacijski valovi sabijaju svemir dok putuju, poput valova zvuka koji sabijaju zrak. To sabijanje stvara poseban uzorak u polarizaciji nalik na petlje u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini. Baš kao i svjetlost, gravitacijski valovi mogu biti lijevo i desno orijentirani. Na slici koju je napravio BICEP2 lijepo se vide uzorci nalik na kovrče koji predstavljaju intenzitet i orijentaciju polarizacije u određenim točkama. Crvene i plave sjene pokazuju stupnjeve zakretanja u smjeru kazaljke na satu i protivno od kazaljke na satu (pogledajte sliku dolje).

'Kovrčavi uzorak B-moda je jedinstven znak gravitacijskih valova... To je prva izravna slika gravitacijskih valova na primordijalnom nebu', rekao je član tima Chao-Lin Kuo sa Stanforda.

Odgovor na pitanje zašto postojimo

Opažanja kolaboracije BICEP2 vodila su se s Južnog pola jer je ondje zrak najsuši i najčišći na Zemlji. Tim je bio iznenađen kada je otkrio da su signali polarizacije bili snažniji nego što je itko od kozmologa očekivao. No budući da su znali da će se za tako velike tvrdnje trebati naoružati jakim dokazima, prikupljene podatke pročešljavali su pune tri godine kako bi isključili sve moguće pogreške i utjecaje.

Kada su novinari pitali člana tima teorijskog fizičara s Harvadra Avija Loeba da komentira implikacije novog otkrića, on je rekao: 'Ovaj rad daje nove uvide u neka od osnovnih pitanja: Zašto postojimo? Kako je počeo svemir? Ti rezultati nisu samo potvrda inflacije, oni također govore kada se inflacija dogodila i koliko je proces bio snažan.'

Potvrda Einsteinove opće teorije relativnosti

Gravitacijski valovi su jedino predviđanje opće teorije relativnosti Alberta Einsteina koje do sada nije bilo izravno potvrđeno. Trebali bi izgledati kao sićušna mreškanja, milijunima puta manja od atoma, kojima se prenosi energija u vremensko-prostornom kontinuumu svemira slično kao što to čine valovi u oceanu. Ovi minijaturni valovi su se u naglom širenju svemira razvukli do veličina koje se mogu otkriti suvremenim uređajima.

Prema teoriji gravitacijske valove trebala bi stvarati sva gibanja tijela, osobito onih koja imaju goleme mase i brzine, baš kao što veliki brzi brodovi stvaraju velike valove. No znanstvenicima su posebno zanimljivi gravitacijski valovi koji su nastali u prvim trenucima nastajanja svemira kao svojevrstan zvučni zapis kreacije jer oni nose ključne informacije o tom događaju.

Konačno i ujedinjenje teorija!?

Fizičari već desetljećima tragaju za teorijom koja bi objedinila kvantnu fiziku i teoriju relativnosti kao i sve poznate sile su svemiru. Postoji mogućnost da bi novo istraživanje moglo biti važan korak u tom smjeru.

Autori studije ističu da rezultati kolaboracije odgovaraju predviđanjima za ono što fizičari nazivaju velikom jedinstvenom teorijom svega. Naime, BICEP2 je pokazao da su na velikim energijama tri fundamentalne sile fizike – jaka, slaba i elektromagnetska - bile stopljene u jednu. Kako se svemir hladio, a razine energije padale, snažna sila se prva odvojila, a ranije su teorije dale naslutiti da je upravo to moglo pokrenuti inflaciju.

Znanstvenici se slažu da je ovo jedno od najvećih otkrića u kozmologiji u novijoj povijesti. Ako se rezultati potvrde, autori će svakako zaslužiti Nobelovu nagradu.