Kosmologowie znaleźli sposób sprawdzenia czy wszechświat jest gorętszy na jednym końcu niż na drugim

Pozostałość po Wielkim Wybuchu, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła zdaje się posiadać gradient w skali wszechświat, cechę która zastanawia kosmologów już od dziesięcioleci. Źródło: Matthew Savino

Naukowcy od dawna obserwują wyraźny gradient w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła, jednak jak dotąd nie byli w stanie określić na ile jest on prawdziwy, a na ile jedynie pozorny. Badacze z University of Southern California (USC Dornsife) być może właśnie odkryli sposób na znalezienie odpowiedzi.

Obserwowany z Ziemi, wszechświat wydaje się nieznacznie gorętszy na jednym końcu niż na drugim, przynajmniej jeżeli chodzi o kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). Jednak kwestia, która męczy kosmologów dotyczy kwestii czy ta nierównowaga CMB jest rzeczywista czy też jest jedynie wynikiem efektu Dopplera.

Siavash Yasini oraz Elena Pierpaoli z USC Dornsife najprawdopodobniej znaleźli sposób rozwiązania tej zagadki.

Spopularyzowany prawdopodobnie przez Edwina Hubble, który wykorzystywał go do wykazania, że wszechświat się rozszerza, efekt Dopplera to obserwowane przesunięcie częstotliwości fal elektromagnetycznych spowodowane przez ruch ciał przemieszczających się w przestrzeni z dużymi prędkościami. Fale takie jak promieniowanie elektromagnetyczne – fale widzialne, rentgenowskie, mikrofalowe itd. – wydają się przesuwać w zakresie energii – te, które poruszają się w kierunku obserwatora wydają się charakteryzować wyższą energią czy temperaturą niż w rzeczywistości. Przeciwnie sytuacja ma się w przypadku fal oddalających się od obserwatora, które wydają się chłodniejsze.

Naukowcy obserwujący niebo widzą, że przestrzeń pozostająca za Ziemią wydaje się nieco chłodniejsza, niż przestrzeń przed nią, ale nie do końca wiadomo czy to tylko efekt Dopplera czy też obserwacje rzeczywistej różnicy temperatury CMB. To zagadka, która unika rozwiązania od kilkudziesięciu lat.

Ponieważ CMB stanowi energię pozostałą po Wielkim Wybuchu – gdy cały wszechświat eksplodował na zewnątrz z pojedynczego punktu – kosmologowie zakładali, że rozszerza się ono równomiernie. Pojawienie się dwóch biegunów we Wszechświecie, jednego cieplejszego od drugiego, musi zatem być wynikiem efektu Dopplera, skutkiem przemieszczania się Układu Słonecznego w przestrzeni kosmicznej.

“Uważamy, że jedna strona CMB jedynie wygląda na cieplejszą ponieważ poruszamy się w jej kierunku, a przeciwna wydaje się chłodniejsza bowiem się od niej oddalamy” mówi Yasini, doktorant fizyki i astronomii.

Astrofizycy mierzący prędkość układu słonecznego względem CMB korygują swoje obliczenia w oparciu o to założenie, tak samo jak kosmologowie badający Wielki Wybuch i warunku panujące bezpośrednio po nim.

Ale okazuje się, że to może być błędne podejście.

“Jeżeli faktycznie występuje dipol CMB – to znaczy jedna strona nieba jest rzeczywiście nieco cieplejsza niż druga – prędkość jaką nadajemy układowi słonecznemu względem CMB jest nieprawidłowa” mówi Yasini. To wpływa na to jak naukowcy mierzą prędkość odległych obiektów takich jak galaktyki. Co więcej teorie mówiące o tym co się działo na krótko po Wielkim Wybuchu zadrżeć w posadach.

Przeprowadzając obliczenia w ramach innych, ale związanych z tym tematem, badań Yasini oraz prof. Pierpaoli, która jest promotorką Yasiniego odkryli interesujący szczegół: widmo częstotliwości CMB uśrednione po całym niebie będzie inne jeżeli dipol jest rzeczywisty i nie jest tylko wynikiem efektu Dopplera.

Innymi słowy, jeżeli CMB jest rzeczywiście gorętsze z jednej strony wszechświata niż z drugiej, średnia temperatura mierzona na całym niebie będzie nieznacznie inna niż jeżeli CMB faktycznie jest jednorodne.

Odkrycie Yasiniego i Pierpaoli pozwoli kosmologom realizującym kolejne przeglądy CMB ustalenie natury dipola CMB, co powinno pozwolić na rozwiązanie tej zagadki.

“Teraz kiedy mamy matematyczne podstawy do poszukiwania odpowiedzi, wystarczy tylko wykonać obserwacje” mówi Pierpaoli.

Jeżeli okaże się, że część dipola jest prawdziwa, a nie jest tylko wynikiem efektu Dopplera, astrofizycy i astronomowie będą musieli ponownie skalibrować wszystkie swoje pomiary, aby uzyskać bardziej precyzyjny obraz obserwowalnego wszechświata.

Co równie ważne, kosmologowie badający Wielki Wybuch i warunki panujące w bardzo młodym wszechświecie będą mieli do zbadania nowe kierunki, które pozwolą zrozumieć jak i dlaczego CMB nie jest równomierne.

Źródło: USC