Planck – záhada chladné skvrny

Kosmologie je rychle se rozvíjející vědou, která nám odhaluje čím dál více tajemství o našem vesmíru. S tím, jak se pozorovací technika stále více zdokonaluje však dochází i k tomu, že se objevují nové záhady. Jedna taková má svůj prapůvod už v datech z americké sondy WMAP a pozdější evropské družice Planck, které zkoumaly reliktní záření. Jedná se o poměrně podivný výsledek, který sice nemusí nic zvláštního znamenat, ale na druhou stranu má též potenciál změnit svět fyziky. Proto se na něj dnes podíváme podrobněji.

Reliktní záření a jeho význam z hlediska kosmologie

Náš vesmír byl na počátku nesmírně horký a hustý a odehrávaly se v něm dosti bouřlivé procesy, jež zodpovídají za mnohé pozdější události i za dnešní podobu kosmu. Jak se prostor postupně rozpínal, docházelo i k jeho chladnutí. Asi 380 000 let od počátku poklesla teplota natolik, že se záření oddělilo od látky. Fotony již nebyly rozptylovány na volných elektronech, které se staly součástí atomárních obalů. Vesmír se stal pro elektromagnetické záření průhledným.

Od látky oddělené fotony nikam nezmizely, ale jsou v kosmu stále přítomné. Jedná se o tzv. reliktní záření – reliktní proto, že jde o pozůstatek raného vesmíru. Existenci tohoto záření předpověděli teoretici v roce 1948 a nezávisle ještě roku 1964. Téhož roku jej poprvé pozorovali Arno Penzias a Robert Wilson v Bellových telefonních laboratořích. Tento moment představoval v kosmologii mimořádně důležitý milník, neboť reliktní záření nám umožňuje o našem vesmíru získat mnoho zajímavých informací.

Penzias a Wilson viděli reliktní záření jako homogenní a izotropní šum. Teprve pozdější měření sondy COBE nalezly první teplotní anizotropie, které jsou ovšem mimořádně drobné. Záření má teplotu 2,7 Kelvinů a drobné teplotní anomálie se projevují na úrovni 10⁻⁵ Kelvinů, homogenita a izotropie reliktního záření je tedy mimořádná. Umíme také určit spektrum reliktního záření a víme proto, že velmi dobře odpovídá spektru záření absolutně černého tělesa o příslušné teplotě. Známe i spektrum zmíněných teplotních fluktuací, díky němuž víme mnohé podstatné parametry kosmu.

Chladná skvrna v reliktním záření

Jak už jsme si řekli, přestože je reliktní záření velmi homogenní a izotropní, není takové úplně dokonale. Podíváme-li se na mapu ze sondy WMAP nebo Planck, vidíme určité teplotní odchylky, které jsou ale poměrně malé, typicky asi jeden obloukový stupeň. Existuje ovšem důležitá výjimka z tohoto pravidla, tzv. chladná skvrna. Oproti očekávání jde o neobvykle velkou a studenou fluktuaci. Jde o oblast, jež je asi o 70 µK (0,00007 K) chladnější, než průměrná teplota záření, v některých místech dokonce o 140 µK chladnější. Navíc velikost této anomálie dosahuje celých pěti obloukových stupňů.

Tuto chladnou skvrnu nacházející se na jižní obloze ve směru souhvězdí Eridanu poprvé zaznamenala americká sonda WMAP. Poměrně patrná je už na datech za jeden rok měření zveřejněných v roce 2003. V dalších letech fyzikové tuto anomálii podrobně zkoumali. Na základě pozorování a numerických simulací vědci odhadli pravděpodobnost náhodného výskytu takto rozměrné a chladné oblasti vzniklé vlivem kvantových fluktuací v průběhu inflační fáze (proběhla v čase asi 10⁻³⁵ sekundy) na 1,85 %. To není úplně mnoho, na druhou stranu to však náhodný vznik úplně nevylučuje.

Ačkoliv další balíčky dat z WMAP existenci chladné skvrny potvrzovaly, stále se jednalo jen o měření jednoho přístroje. Někteří fyzikové proto statistickou významnost pozorování zpochybňovali a byli i tací, kteří se domnívali (a možná dokonce doufali), že další sondy chladnou skvrnu neuvidí. Ale nestalo se. V roce 2013, při zveřejnění prvního balíčku dat z tehdy nové evropské sondy Planck, vědci informovali, že tato observatoř chladnou skvrnu vidí také. Tím se vyloučila možnost systematické chyby u WMAP.

Je chladná skvrna skutečně neobvyklá?

Zajímavé je, že pokud se podíváme na mapu fluktuací reliktního záření ze sondy Planck, můžeme si všimnout, že chladná skvrna není úplně nestandardní, protože na mapě jasně vidíme i jiné podobně chladné a velké oblasti. Takže proč se tu bavíme jen o chladné skvrně v Eridanu a ne o dalších skvrnách? Je to proto, že ostatní chladné plochy jsou rozloženy poměrně přirozeně. Většinou jde o relativně malé oblasti. V některých případech se sice jedná o větší plochy, ty ale mají kolem sebe další chladné oblasti, které jen nejsou až tak chladné jako samotná skvrna, nebo naopak teplejší oblasti, ale ne zase až tolik teplé. A tyto jsou navíc rozloženy dle očekávání, tedy nepravidelně.

Chladná skvrna v Eridanu je mimořádně specifická tím, že jde o velkou chladnou oblast, která je však navíc obklopena poměrně dosti teplým prstencem. Toto místo není tudíž specifické samo o sobě, vezmeme-li v úvahu jen velikost a teplotu skvrny, pak na ní není nic zas tak podivného. Vynikne nicméně právě ve srovnání s okolními výrazně teplejšími oblastmi. A to z ní činí jednu z největších současných záhad v oblasti výzkumu reliktního záření.

Možná vysvětlení

S ohledem na všechny výše uvedené skutečnosti se tedy zdá dosti pravděpodobné, že chladná skvrna v Eridanu opravdu existuje. Jak mohla vzniknout? To dosud spolehlivě nevíme, máme však několik možných vysvětlení, která si v další části textu stručně představíme.

Základní možností je prostě připustit, že chladnou skvrnu mohly způsobit obyčejné fluktuace reliktního záření. Dále si lze představit vysvětlení pomocí tzv. topologických defektů. Třetí varianta počítá s tzv. velkou superprázdnotou a čtvrtá alternativa operuje dokonce s paralelním vesmírem. Není pochopitelně vyloučeno, že se v budoucnu objeví ještě nějaký další způsob vysvětlení tohoto problému, avšak nyní rozlišujeme právě tyto čtyři možnosti. Pojďme se na ně proto v dalších podkapitolách podívat poněkud podrobněji.

Teplotní fluktuace a topologické defekty

Prvním možným vysvětlením jsou prosté teplotní fluktuace reliktního záření. Sice jsme si řekli, že šance náhodného vzniku takto velké chladné oblasti není zrovna vysoká, nicméně prozatím nelze tuto variantu dostatečně spolehlivě vyvrátit. Musíme s ní proto operovat jako s reálnou možností, avšak je nutno připustit, že většina kosmologů upřednostňuje jiná vysvětlení.

Druhá varianta pracuje s tzv. topologickými defekty. Patrně nejznámějším je magnetický monopól, hypotetická částice nesoucí pouze jeden pól magnetického pole. Vícerozměrné topologické defekty jsou pak třeba kosmické struny či doménové stěny. To, že zatím žádný topologický defekt nebyl v kosmu pozorován uspokojivě vysvětlila až inflační teorie. Kromě výše uvedených defektů se ale mohly v raném vesmíru v důsledku fázových přechodů vakua spojených s narušením symetrií utvořit i jiné topologické defekty zvané kosmické textury. Právě taková kosmická textura by mohla chladnou skvrnu vysvětlit. Nikdo ovšem zatím kosmickou texturu neviděl, jde tedy o bohapustou spekulaci.

Vidíme kosmickou superprázdnotu?

Třetí verze operuje s tzv. velkou superprázdnotou ležící mezi námi a sférou posledního rozptylu (oblast z níž k nám přichází reliktní záření). Jak víme z Koperníkova principu, Země nezaujímá ve Sluneční soustavě ani v Galaxii žádné význačné místo. A totéž platí i pro celý vesmír. Jestliže vidíme kosmos homogenní a izotropní ze Země, pak by takový měl být kdekoliv v prostoru a v jakémkoliv čase. A právě to, že je vesmír stejný (v průměru) ve všech bodech a ve všech směrech nám říká kosmologický princip.

Avšak kosmologický princip neplatí úplně dokonale. Jak jsme si již řekli, v reliktním záření vidíme drobné fluktuace a pochopitelně i v dnešním vesmíru jsou místa, kde se vyskytuje hodně hmoty a naopak místa téměř prázdná. Musíme si uvědomit, že takové bubliny prázdnoty mohou nabývat rozměrů až desítek či stovek milionů světelných let. To není v rozporu s teorií velkého třesku. I z vesmíru s takovou mírou homogenity a izotropie, jaká je pozorovaná v reliktním záření, se může vlivem času a fyzikálních sil vyvinout současný kosmos plný obřích struktur i téměř prázdných bublin.

Právě takováto velká bublina prázdnoty, umístěná někde mezi námi a sférou posledního rozptylu, by mohla problém chladné skvrny vyřešit. Pokud je taková oblast v kosmu přítomna, pak bychom kvůli rozdílu mezi běžným a pozdním integrovaným Sachsovým – Wolfeovým jevem (gravitační rudý posuv fotonů reliktního záření) měli na obloze před ní pozorovat chladnější místo. Efekt navíc znásobuje to, že v době průletu fotonů reliktního záření touto prázdnou bublinou dochází k jejímu roztahování vlivem působení temné energie.

Aby však mohla bublina prázdnoty pozorování objasnit, musí být opravdu mimořádně velká. Na délku 3 – 4 miliardy světelných let, na šířku kolem miliardy světelných let. Objem takové oblasti by byl tisíckrát větší, než objem bubliny očekávané z běžných kosmologických modelů. Proto můžeme právem hovořit o superprázdnotě. Tato superprázdnota jistě může existovat, z fyzikálního pohledu tomu nic nebrání. Mnozí fyzikové se ale domnívají, že náhodný vznik tak obrovské struktury je možná ještě nepravděpodobnější, než náhodný vznik pět stupňů velké chladné skvrny v reliktním záření.

Rozhodující jsou ovšem vědecká data. A ta jsou zatím poměrně rozporuplná. Výzkum z roku 2007 změřil pokles počtu galaxií ve směru k chladné skvrně, což naznačuje přítomnost velké prázdnoty. Některé pozdější práce ale závěr o menším počtu galaxií v tomto směru zpochybňují. A ani přímý průzkum galaxií v místě chladné skvrny žádný důkaz superpráznoty nenašel. Nicméně na druhou stranu, vysvětlení přes superprázdnotu není vyloučeno, naopak je stále docela zajímavé. Víme totiž, že takovéto obří prázdné bubliny mohou reliktní záření měřitelným způsobem ovlivnit.

Studie z roku 2015 opět vlila astronomům do žil trochu naděje. Ukazuje na přítomnost superprázdnoty o průměru téměř dvou miliard světelných let. Tato bublina by přitom měla mít střed tři miliardy světelných let od nás a ležet přesně ve směru k chladné skvrně. Souvislost je proto celkem pravděpodobná. Další práce měřící Sachsův – Wolfeův efekt závěry tohoto výzkumu potvrdily. Oblast by tak mohla být největší detekovanou prázdnou bublinou a jednou z největších známých struktur v celém kosmu (možná dokonce úplně největší).

Bohužel se ale další průzkum z roku 2017 staví k tomuto vysvětlení poměrně kriticky. Připouští sice existenci bublin prázdnoty ve směru souhvězdí Eridanu, avšak zpochybňuje jejich schopnost vysvětlit chladnou skvrnu v reliktním záření. Na druhou stranu, studie z roku 2021 zase naopak předkládá nové důkazy pro tvrzení, že superprázdnota a chladná skvrna spolu souvisejí. Sami tedy vidíte, že situace je v tomto směru poněkud zapeklitá. Některé práce říkají to, jiné ono. Je proto zřejmé, že bude potřeba provést ještě množství dalších měření.

První důkaz paralelního vesmíru?

V dnešní fyzice se objevuje velké množství hypotéz pracujících s paralelními vesmíry. Jejich zastánci se domnívají, že náš kosmos není jediný, ale existují i další paralelní vesmíry. Jejich množství se liší v závislosti na dané hypotéze, ale pohybuje se v podstatě od jediného až po nekonečný počet. Také charakteristiky paralelních vesmírů se výrazně liší, neboť se objevují v nesmírně různorodých hypotézách a používají se k vysvětlení celé řady jevů. Od hodnot základních fyzikálních konstant až po podivné jevy kvantové mechaniky. Jedno však mají všechny potenciální paralelní světy společné. Jen velmi těžko se jejich existence ověřuje.

Přesto se našli vědci, kteří tvrdí, že by mohlo jít přítomnost některých typů paralelních vesmírů ověřit. A to právě přes reliktní záření. V něm by se měla objevit větší pravidelná struktura či dokonce struktury. Velkou proponentkou této možnosti je albánsko – americká specialistka na kosmologii Laura Mersini-Houghton. Ta o podobných oblastech uvažovala už před daty ze sondy WMAP. A chladná skvrna v souhvězdí Eridanus jí hraje do not. Argumentuje, že se jedná o otisk paralelního vesmíru nacházejícího se mimo náš kosmos. Tento otisk mělo způsobit kvantové provázání obou vesmíru a došlo k němu před fází kosmické inflace, poté se totiž oba vesmíry oddělily.

Pokud by tvrzení Laury Mersini-Houghton bylo správné, znamenalo by to první experimentální důkaz existence jiného vesmíru a navíc by to silně podpořilo některé modely kvantové gravitace, konkrétně populární teorii strun. Ale je toto vysvětlení skutečně korektní? Tým vedený Mersini-Houghton se domnívá, že lze jejich hypotézu experimentálně testovat. Pokud způsobil chladnou skvrnu otisk jiného vesmíru, pak by měla ležet podobná oblast na opačné části nebeské sféry.

Chladná skvrna v Eridanu leží na jižní obloze, fyzikové proto intenzivně pátrají po podobné anomálii na severní hvězdné obloze. I přes použití velmi sofistikovaných metod jsou však výsledky prozatím dosti rozporuplné. Objevila se sice studie, která existenci severní chladné skvrny podporuje, avšak naopak množství dalších odborných článků tyto výsledky zpochybňuje a ukazuje, že přítomnost severní chladné skvrny nelze zatím spolehlivě prokázat. Podobně jako u hypotézy superprázdnoty si tedy musíme počkat na další přesnější měření.

Hypotéza Laury Mersini-Houghton není ovšem jediná varianta operující s paralelními vesmíry. Někteří fyzikové se domnívají, že chladná skvrna je výsledkem srážky kosmických bublin, opět v době před inflační fází našeho kosmu. Pokud by se toto potvrdilo, znamenalo by to dobrou zprávu pro teorii multiverza a některé varianty inflačního modelu pracující s chaotickou či věčnou inflací. Jde o proces, kdy inflace jako celek probíhá neustále a jen v některých místech došlo k jejímu zastavení a přechodu té konkrétní části vesmíru (multiverza) do běžného nám známého stavu. Ovšem i tato hypotéza teprve čeká na to, zda ji budoucí měření vyvrátí či naopak podpoří.

Závěr

Existenci chladné skvrny v reliktním záření se dosud nepodařilo uspokojivě vysvětlit. Sice se občas můžete setkat s odvážnými tvrzeními, která prohlašují opak, ale skutečností je, že přesvědčivé důkazy dosud chybí. Může se ukázat, že je chladná skvrna jen běžným projevem fluktuací reliktního záření, byť neobvykle velkým. I to by bylo zajímavé. Pokud jste ale fanoušky exotičtějších vysvětlení, stále můžete doufat, že se potvrdí existence největší oblasti prázdnoty v našem kosmu či dokonce varianta otisku paralelního vesmíru.

Opravy a doplnění

• 19. 5. 2023 – Na základě upozornění od pana Herrmanna jsem opravil chybnou formulaci na konci prvního odstavce podkapitoly Reliktní záření a jeho význam z hlediska kosmologie, která obsahovala hned dvě věcně nesprávná tvrzení. Těch jsem si bohužel při kontrole textu nepovšiml. Za uvedení mylné informace se velmi omlouvám.

Doporučená literatura

• Steven Weinberg – „The First three minutes“ – česky jako „První tři minuty“ (Mladá fronta, 1998)
• Simon Singh – „The Big Bang. The Most Important Scientific Discovery of All Time and Why You Need to Know About it“ – česky jako „Velký třesk (Argo a Dokořán, 2007)
• Lawrence Krauss – „ Atom: An Odyssey from the Big Bang to Life on Earth … and Beyond“ – česky jako „Proměny vesmíru“ (Paseka, 2007)
• Brian Clegg – „Before Big Bang“ – česky jako „Před velkým třeskem“ (Argo a Dokořán, 2011)
• Janna Levin – „How the Universe Got Its Spots“ – česky jako „Jak vesmír přišel ke svým skvrnám“ (Argo a Dokořán, 2003)
• Michio Kaku – „Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos“ – česky jako „Paralelní světy“ (Argo a Dokořán, 2007)
• Max Tegmark – „Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality“ – česky jako „Matematický vesmír“ (Argo a Dokořán, 2016)
• Brian Greene – „The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos“ – česky jako „Skrytá realita“ (Paseka, 2012)

Použité a doporučené zdroje

• Planck ESA: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck
• Planck NASA: https://www.nasa.gov/mission_pages/planck
• WMAP NASA: https://map.gsfc.nasa.gov/
• The University of North Carolina at Chapel Hill – Department of Physics and Astronomy : https://physics.unc.edu/
• Osobní stránka Laury Mersini-Houghton: https://physicstheory.web.unc.edu/

Zdroje obrázků

• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/9EGejjZqP2gwzV7PE7eTF5.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/The_History_of_the_Universe.jpg
• https://www.astronomy.com/wp-content/uploads/sites/2/2021/09/CMB_1965.jpg?resize=600%2C300
• https://kajabi-storefronts-production.kajabi-cdn.com/kajabi-storefronts-production/blogs/21727/images/zPyQOJw0SrWsTdujFuDz_Planck-CMB-cold-spot.jpg
• https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2017/04/cmb7_wmap_circle_2048.png
• https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2017/04/CMB-Cold-Spot.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/eb/Eridanus_supervoid.jpg
• https://cdn.sci.esa.int/documents/34222/35279/1567216756138-Compo_CMB_Planck_WMAP_625.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/Structure_of_the_Universe.jpg
• https://www.sun.org/uploads/images/Millennium_simulation_500Mpch.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Galaxy_superclusters_and_galaxy_voids.png
• https://cdn.sci.news/images/enlarge/image_2715e-Supervoid.jpg
• https://physicstheory.web.unc.edu/wp-content/uploads/sites/7387/2022/05/Edinburgh-August-2009-163-1.jpg
• https://cdn.sci.news/images/2017/04/image_4811-Cold-Spot.jpg
• https://s3.amazonaws.com/quanta-prod/uploads/2014/11/MultiverseCMB.jpg