Ekkoer fra Big Bang

Forskerne skimter måske snart universets begyndelse ved at studere de fine krusninger, der laves af gravitationsbølger.

Robert R. Caldwell og Marc Kamionkowski*

Indhold:

Indledning
Bølger fra inflation
Polarisationens særegenheder
Box: Bølgejægere
Yderligere information

Indledning

Kosmologer stiller stadig de samme spørgsmål, som de første stjernekiggere gjorde, når de gennemsøgte himlen. Hvor kom universet fra? Hvad, om noget, gik der forud? Hvordan kom universet til sin nuværende tilstand og hvad vil dets fremtid være? Skønt teoretikere længe har spekuleret over kosmos' oprindelse, havde de indtil for nylig ingen måde, hvorpå de kunne undersøge universets tidligste øjeblikke for at afprøve deres hypoteser. I de senere år har forskerne imidlertid identificeret en metode til at observere universet, som det var i den allerførste brøkdel af et sekund efter Big Bang. Denne metode indebærer at søge efter spor af gravitationsbølger i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), den afkølede stråling, der har gennemtrængt universet i næsten 15 milliarder år.
    CMB blev udsendt omkring 500.000 år efter Big Bang, da elektroner og protoner i den oprindelige plasma - den varme tætte suppe af subatomare partikler, der fyldte det tidlige univers - først kombinerede og dannede brintatomer. Fordi denne stråling giver et øjebliksbillede af universet på det tidspunkt, er den blevet kosmologiens Rosettasten. Efter CMB blev opdaget i 1965, fandt forskerne, at dens temperatur, et mål for sortlegemestrålingens intensitet, var meget tæt på 2,7 kelvin, uanset i hvilken retning de så på himlen. Med andre ord forekom CMB at være isotrop, hvilket viste, at det tidlige univers var bemærkelsesværdigt ensartet. I de tidlige 1990'ere detekterede en satellit, kaldet Cosmic Background Explorer (COBE) små variationer, som kun var en del ud af 100.000 i strålingens temperatur. Disse variationer giver vidnesbyrd om små klumper og bump i den oprindelige plasma. Uregelmæssighederne i massens fordeling udviklede sig senere til kosmos' strukturer i stor skala: de galakser og galaksehobe, der findes i dag.
    I slutningen af 1990'erne observerede adskillige jordbaserede og ballonbårne detektorer CMB med meget finere opløsning end COBE, hvilket afslørede strukturer i den oprindelige plasma, som strækker sig mindre end en grad over himlen. (Til sammenligning strækker Månen sig over en halv grad). De oprindelige strukturers størrelse viser, at universets geometri er flad [se "Special Report: Revolution in Cosmology," Scientific American, January 1999]. Observationerne er også konsistente med inflationsteorien, som postulerer, at en epoke med fænomenal hurtig kosmisk udvidelse fandt sted i de første få øjeblikke efter Big Bang. I år planlægger National Aeronautics and Space Administration at opsende Microwave Anisotropy Probe (MAP), som vil udvide de præcise observationer af CMB til hele himlen. [se "A Cosmic Cartographer," på side 34], [En kosmisk kortlægger]. European Space Agency's Planck rumfartøj, der er planlagt opsendt i 2007, vil udføre en endnu mere detaljeret kortlægning. Kosmologer forventer, at disse observationer vil afsløre en skat af information om det tidlige univers.

   Især håber forskerne at finde direkte vidnesbyrd om epoken med inflation. Det stærkeste vidnesbyrd, den "rygende pistol," ville være observationen af inflatoriske gravitationsbølger. I 1918 forudsagde Einstein eksistensen af gravitationsbølger som konsekvens af sin teori om almen relativitet. De er analoger til elektromagnetiske bølger som røntgenstråler, radiobølger og synligt lys, der er bevægelige forstyrrelser i et elektromagnetisk felt. Gravitationsbølger er bevægelige forstyrrelser i et gravitationsfelt. Ligesom lys eller radiobølger kan gravitationsbølger bære information fra de kilder, der frembringer dem. Desuden kan gravitationsbølger bevæge sig uhindret gennem materiale, som absorberer alle former for elektromagnetisk stråling. Ligesom røntgenstråler tillader læger at kigge gennem substanser, som synligt lys ikke kan gennemtrænge, burde gravitationsbølgerne tillade forskerne at betragte astrofysiske fænomener, der ikke kan ses på anden måde. Skønt gravitationsbølger aldrig er blevet direkte detekteret, har astronomiske observationer bekræftet, at par af ekstremt tætte genstande, som neutronstjerner og sorte huller, frembringer bølgerne, når de i spiral nærmer sig hinanden.
    Den plasma, der fyldte universet gennem dets første 500.000 år, var uigennemsigtig for elektromagnetisk stråling, fordi de udsendte fotoner øjeblikkeligt blev spredt i suppen af subatomare partikler. Derfor kan astronomer ikke observere nogen elektromagnetiske signaler, der daterer sig fra før CMB. I kontrast hertil kunne gravitationsbølger gennemtrænge plasmaen. Ydermere forudsiger inflationsteorien, at universets eksplosive udvidelse 10^-38 sekund efter Big Bang burde have frembragt gravitationsbølger. Hvis teorien er korrekt, ville disse bølger have bevæget sig som ekkoer tværs over det tidlige univers og 500.000 år senere efterladt svage krusninger i den CMB, der kan observeres i dag.

Bølger fra inflation

Lad os, for at forstå hvordan inflation kunne have frembragt gravitationsbølger, undersøge en fascinerende konsekvens af kvantemekanikken: tomt rum er ikke så tomt.Virtuelle partikelpar skabes og destrueres spontant hele tiden. Heisenbergs ubestemthedsprincip erklærer, at et par partikler med energi E kan springe i eksistens i et tidsrum t før de tilintetgør hiananden, forudsat at E t < h/2, hvor h er den reducerede Plancks konstant (1,055 x 10^-34 joulesekund). Man behøver imidlertid ikke bekymre sig om virtuelle æbler eller bananer, der springer ud af det tomme rum, fordi formlen kun gælder for elementarpartikler og ikke for komplicerede arrangementer af atomer.
    En af de elementære partikler, der påvirkes af denne proces, er gravitonen, kvantepartiklen for gravitationsbølger (analog med fotonen for elektromagnetiske bølger). Par af virtuelle gravitoner springer konstant ind og ud af eksistens. Under inflationen ville de virtuelle gravitoner imidlertid være blevet trukket fra hinanden meget hurtigere end de kunne være forsvundet tilbage i vakuumet. Essensen er, at virtuelle partikler ville være blevet til virkelige partikler. Endvidere ville universets fantastisk hurtige udvidelse have strukket gravitonbølgelængderne fra mikroskopiske til makroskopiske længder. På denne måde ville inflationen have pumpet energi ind i produktionen af gravitoner og frembragt et spektrum af gravitationsbølger, der afspejlede forholdene i universet i de første øjeblikke efter Big Bang. Hvis inflatoriske gravitationsbølger virkelig findes, vil de være den ældste levning i universet, skabt 500.000 år før CMB blev udsendt.
    Hvor mikrobølgestrålingen i CMB for det meste er begrænset til bølgelængder mellem en og fem millimeter (med en topintensitet ved to millimeter), ville bølgelængderne for de inflatoriske gravitationsbølger spænde over et meget bredere område: fra en centimeter til 10²³ kilometer, hvilket er størrelsen af det nuværende observerbare univers. Inflationsteorien fastsætter, at gravitationsbølgerne med de længste bølgelængder ville være de mest intense og at deres styrke ville afhænge af hastigheden, hvormed universet udvidede sig under inflationsperioden. Denne hastighed er proportional med inflationens energiskala, som bestemtes af universets temperatur, da inflationen begyndte. Og fordi universet var varmere i tidligere tider, afhænger styrken af gravitationsbølgerne i sidste ende af tidspunktet, hvor inflationen startede.

    Uheldigvis kan kosmologerne ikke fastslå dette tidspunkt, fordi de ikke i detaljer ved, hvad der forårsagede inflationen. Nogle fysikere har udkastet teorier om, at inflationen startede, da tre af de fundamentale vekselvirkninger, de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter, blev adskilt kort efter universets skabelse. Ifølge disse teorier var de tre kræfter en og samme i selve begyndelsen, men blev distinkte 10^-38 sekund efter Big Bang og på en eller anden måde igangsatte denne begivenhed kosmos' pludselige udvidelse. Hvis teorien er korrekt, ville inflationen have haft en energiskala på 10¹⁵ til 10¹⁶ GeV. (En GeV er den energi en proton ville opnå ved at blive accelereret gennem et spændingsfald på en milliard volt. De største partikelacceleratorer når i øjeblikket energier på 10³ GeV). Hvis inflationen på den anden side blev igangsat af et andet fysisk fænomen, der fandt sted på et senere tidspunkt, ville gravitationsbølgerne være svagere.
    Når de én gang var frembragt i løbet af den første brøkdel af et sekund efter Big Bang, ville de inflatoriske gravitationsbølger udbrede sig for evigt, så de burde stadig løbe tværs over universet. Men hvordan kan kosmologerne observere dem? Overvej først, hvordan en almindelig stereomodtager detekterer et radiosignal. Radiobølger består af oscillerende elektriske og magnetiske felter, som forårsager, at elektronerne i modtagerens antenne bevæger sig frem og tilbage. Disse elektroners bevægelser frembringer en elektrisk strøm, som modtageren optager.
    På samme måde medfører en gravitationsbølge en svingende strækning og sammentrykning af det rum, den bevæger sig igennem. Disse svingninger ville forårsage små bevægelser i et sæt frit flydende prøvemasser. Sidst i 1950'erne prøvede fysikeren Hermann Bondi fra King's College, London at overbevise skeptikere om sådanne bølgers fysiske virkelighed ved at beskrive en hypotetisk gravitationsbølge-detektor. Det idealiserede apparatur var et par ringe, der hang frit på en lang stiv stang. En indkommende gravitationsbølge med amplituden h og frekvensen f ville forårsage, at afstanden L mellem de to ringe skiftevis forringedes og forøgedes med en mængde h x L, med frekvensen f. Varmen fra ringenes friktion med stangen, når de gned mod den, ville give vidnesbyrd om, at gravitationsbølgen bærer energi.
    Forskerne bygger nu raffinerede gravitationsbølgedetektorer, der vil bruge lasere til at spore de små bevægelser af ophængte masser [se box]. Afstanden mellem prøvemasserne bestemmer det bånd af bølgelængder, som apparaterne kan overvåge. Den største af de jordbaserede detektorer, som har en adskillelse på fire kilometer mellem masserne, vil kunne måle svingningerne forårsaget af gravitationsbølger med bølgelængder fra 30 til 30.000 kilometer; et planlagt rumbaseret observatorium vil kunne detektere bølgelængder, der er omkring 1.000 gange længere. De gravitationsbølger, der frembringes af sammensmeltende neutronstjerner og kollisioner mellem sorte huller, kan have bølgelængder i dette område, så de kan detekteres af de ny instrumenter. Men de inflatoriske gravitationsbølger er i dette område alt for svage til at frembringe målelige svingninger i detektorerne.

    De stærkeste inflatoriske gravitationsbølger er dem, der har de længste bølgelængder, sammenlignelige med diameteren af det observerbare univers. For at detektere disse bølger, skal forskerne observere et sæt frit svævende prøvemasser, der er adskilt af tilsvarende store afstande. Til alt held har naturen sørget for netop et sådant arrangement: den oprindelige plasma, som udsendte CMB strålingen. I løbet af de 500.000 år mellem inflationsepoken og udsendelsen af CMB, ekkoede gravitationsbølgerne med ultralange bølgelængder tværs over det tidlige univers og strakte og sammenpressede på skift plasmaen. Forskerne kan observere disse svingende bevægelser i dag ved at se efter små Doppler skift i CMB.
    Hvis en gravitationsbølge strakte et område af plasma mod os på det tidspunkt, da CMB blev udsendt, – dvs., mod den del af universet, som med tiden ville blive vor galakse – vil strålingen fra det område forekomme blå for observatører, fordi den er skiftet til kortere bølgelængder (og derfor en højere temperatur). Omvendt vil strålingen forekomme rødere, hvis en gravitationsbølge pressede et område af plasma bort fra os, da CMB blev udsendt, fordi den er skiftet til længere bølgelængder (og en lavere temperatur). Ved at undersøge de blå og røde pletter i CMB – som svarer til varmere og koldere strålingstemperaturer – kan det tænkes, at forskerne kan se mønstrene af plasmabevægelser, der blev påført af de inflatoriske gravitationsbølger. Selve universet bliver til en gravitationsbølgedetektor.

Polarisationens særegenheder

Opgaven er imidlertid ikke så enkel. Som vi bemærkede i begyndelsen af denne artikel, producerede store ujævnheder i det tidlige univers også temperaturvariationer i CMB. (For eksempel ville tyngdefeltet i de tættere plasmaområder have rødskiftet de fotoner, der blev udsendt fra disse områder og frembragt nogle af de temperaturvariationer, der blev observeret af COBE.) Hvis kosmologerne alene ser på udstrålingens temperatur, kan de ikke sige, hvilken brøkdel (om nogen) af variationerne, der bør tilskrives gravitationsbølger. Selv da ved forskerne i det mindste, at gravitationsbølgerne ikke kan have frembragt mere end en af 100.000 dele af de temperaturforskelle, der blev målt af COBE og de andre CMB strålingsdetektorer. Denne kendsgerning sætter en interessant begrænsning på de fysiske fænomener, der gav anledning til inflation: inflationens energiskala skal være mindre end omkring 10¹⁶ GeV og derfor kan epoken ikke have fundet sted tidligere end 10^-38 sekund efter Big Bang.

Men hvordan kan kosmologerne komme videre? Hvordan kan de omgå usikkerheden ved oprindelsen til temperatursvingningerne? Svaret ligger i polarisationen af CMB. Når lys rammer en overflade på en sådan måde, at lyset spredes i næsten en ret vinkel fra den oprindelige stråle, blive det lineært polariseret – dvs., at bølgerne bliver rettet i en bestemt retning. Det er denne virkning polariserende solbriller udnytter: fordi sollyset, der spredes fra jorden, typisk er polariseret i horisontal retning, reducerer filtrene i brillerne skinnet ved at blokere lysbølger med denne retning. CMB er også polariseret. Lige før det tidlige univers blev gennemsigtigt for stråling, spredtes CMB fotonerne fra elektronerne i plasmaet for sidste gang. Nogle af disse fotoner ramte partiklerne med store vinkler, hvilket polariserede strålingen.
    Nøglen til at detektere de inflatoriske gravitationsbølger er den kendsgerning, at plasmabevægelserne, der forårsages af bølgerne, frembragte et anderledes polariseringsmønster end ujævnhederne i masse gjorde. Ideen er relativt enkel. CMB's lineære polarisation kan afbildes med små liniestykker, der viser polariseringens vinkelretning på hvert område af himlen. Disse liniestykker er sommetider arrangeret i ringe eller radiale mønstre. Stykkerne kan også fremkomme som roterende hvirvler, der er enten højre- eller venstresnoede - dvs., de synes at dreje med eller mod uret.
    Disse sidste hvirvlers "håndethed" er nøglen til deres oprindelse. Masseujævnhederne i den oprindelige plasma kunne ikke have frembragt sådanne polarisationsmønstre, fordi de tætte og fortyndede områder af plasmaen ikke havde nogen højre- eller venstrehåndet retning. I modsætning hertil har gravitationsbølger en håndethed; de udbreder sig med enten en højre- eller venstrehåndet skruebevægelse. Polarisationsmønstret, frembragt af gravitationsbølger, vil ligne en tilfældig overlejring af mange roterende hvirvler af forskellig størrelse. Forskerne beskriver disse mønstre som havende en krølle, hvorimod de ringlignende eller radiale mønstre, frembragt af masseujævnheder, ikke har nogen krølle.
    Ikke engang den ivrigste observatør kan se på et polarisationsdiagram og med øjet skelne, om det indeholder nogen mønstre med krøller. Men en udvidelse af Fourier analyse - en matematisk teknik, som kan opdele et billede i en serie bølgeformer - kan bruges til at opdele et polarisationsmønster i dets bestanddele af krøller og krøllefri mønstre. Hvis kosmologerne således kan måle CMB polarisationen og bestemme, hvilken brøkdel der kom fra krøllemønstre, kan de beregne amplituden af de inflatoriske gravitationsbølgers ultralange bølgelængder. Fordi bølgernes amplitude blev bestemt af inflationens energi, vil forskerne få en direkte måling af den energiskala. Dette resultat vil så hjælpe med at besvare spørgsmålet om, hvorvidt inflationen blev udløst af foreningen af fundamentale kræfter.
    Hvad er fremtidsudsigterne for detektionen af disse krøllemønstre? NASA's MAP rumfartøj og adskillige jordbaserede og ballonbårne eksperimenter er forberedt til at måle CMB's polarisation for første gang, men disse instrumenter vil sandsynligvis ikke være følsomme nok til at detektere krøllekomponenten, der er frembragt af inflatoriske gravitationsbølger. Efterfølgende eksperimenter kan imidlertid have en bedre chance. Hvis inflationen virkelig blev forårsaget af foreningen af kræfter, kan dens gravitationsbølgesignal være stærkt nok til at blive detekteret af Planck rumfartøjet, skønt der kan være behov for en endnu mere følsom næste generation af rumfartøjer. Men hvis inflationen blev udløst af andre fysiske fænomener, der fandt sted på senere tidspunkter og ved lavere energier, vil signalet fra gravitationsbølgerne være alt for svagt til at kunne detekteres i en overskuelig fremtid.
    Fordi kosmologerne ikke er sikre på inflationens oprindelse, kan de ikke definitivt forudsige styrken af polarisationssignalet, der frembringes af inflatoriske gravitationsbølger. Men hvis der er bare en lille chance for at signalet er detekterbart, så er det værd at forfølge. Dets detektion vil ikke alene give os ubestridelige vidnesbyrd om inflation, men også give os en ekstraordinær lejlighed til at se tilbage på de allertidligste tider, kun 10^-38 sekund efter Big Bang. Vi kunne så overveje at beskæftige os med et af tidernes mest tvingende spørgsmål: Hvor kom universet fra?

Yderligere information

First Space-Based Gravitational-Wave Detectors. Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski og Leven Wadley in Physical Review D, Vol. 59, Issue 2, pages 27101-27300; January 15 1999.

Nylige observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund er beskrevet på disse Web steder: pupgg.princeton.edu/~cmb/; cmb.phys.cwru.edu/boomerang; cfpa.berkeley.edu/group/cmb/

Mere information om gravitationsbølgedetektorer er til rådighed på www.ligo.caltec.edu; lisa.jpl.nasa.gov

Einstein@home

* Robert R. Caldwell og Marc Kamionkowski havde begge fysik som hovedfag i klassen fra 1987 på Washington University. Caldwell tjente sin Ph.D. i fysik på University of Wisconsin-Milwaukee i 1992. Caldwell er en af hovedforfatterne til teorien om kvintessens og er nu assisterende professor i fysik og astronomi på Dartmouth College. Kamionkowski tjente sit doktorat i fysik på University of Chicago i 1991. Nu er han professor i teoretisk fysik og astrofysik på California Institute of Technology og modtog Warner Prize, 1998 for sine bidrag til teoretisk astronomi.

Oversat fra Scientific American, januar, 2001, ss.28-33.

2. april, 2006.

Indhold
Index