ZDJ¢CIE DA

VID EMMITE

N

a poczàtku by∏o Êwiat∏o. W skrajnych warunkach,
jakie panowa∏y we wczesnym WszechÊwiecie, zjo-
nizowana materia wyÊwieca∏a promieniowanie
i natychmiast je zatrzymywa∏a, podobnie jak g´-

sta mg∏a zatrzymuje Êwiat∏o. WszechÊwiat si´ rozszerza∏, sty-
gnà∏, a˝ w koƒcu elektrony i protony po∏àczy∏y si´, tworzàc
neutralne atomy. Wtedy to materia przesta∏a wi´ziç Êwiat∏o.
DziÊ, jakieÊ 14 mld lat póêniej, obserwujemy uwolnione w tam-
tym czasie fotony jako mikrofalowe promieniowanie t∏a, na-
zywane te˝ promieniowaniem reliktowym.

Wystarczy ustawiç telewizor na cz´stoÊci pomi´dzy kana-

∏ami, a na ekranie pojawi si´ charakterystyczny „Ênieg”. Oko-
∏o 1% tego sygna∏u pochodzi z mikrofalowego promieniowa-
nia t∏a. Astronomowie obserwujàcy niebo w zakresie
mikrofalowym stwierdzili, ˝e w ka˝dym kierunku sygna∏ ten
jest niemal identyczny. Ta wszechobecnoÊç i sta∏oÊç sygna∏u
oznacza, ˝e zosta∏ on wyemitowany w odleg∏ej przesz∏oÊci,
na d∏ugo przed powstaniem planet, gwiazd i galaktyk. Struk-
tura WszechÊwiata by∏a wtedy bardzo prosta i dzi´ki tej pier-
wotnej prostocie mo˝emy z fantastycznà dok∏adnoÊcià prze-
widywaç w∏asnoÊci promieniowania reliktowego. Ostatnie
kilka lat badaƒ za pomocà instrumentów wynoszonych w gon-
dolach balonów stratosferycznych i na pok∏adach sond kos-
micznych umo˝liwi∏o kosmologom porównanie tych przewi-
dywaƒ z coraz dok∏adniejszymi danymi obserwacyjnymi.
Prace te przybli˝y∏y nas do odpowiedzi na odwieczne pytania:
Z czego zbudowany jest WszechÊwiat? Ile ma lat? Jak po-
wsta∏y znajdujàce si´ w nim obiekty, a wÊród nich nasz pla-
netarny dom?

Arno Penzias i Robert Wilson z AT&T Bell Laboratories za-

rejestrowali mikrofalowe promieniowania t∏a w 1965 roku, gdy
próbowali znaleêç êród∏o tajemniczych szumów, jakie ze
wszystkich kierunków odbiera∏a ich antena. Odkrycie to by-
∏o mocnym dowodem na potwierdzenie teorii Wielkiego Wy-

buchu, która mówi, ˝e na poczàtku WszechÊwiat wype∏nia∏a
goràca, g´sta plazma, z∏o˝ona z na∏adowanych czàstek i fo-
tonów. Od tamtej epoki WszechÊwiat rozszerzy∏ si´, wskutek
czego mikrofalowe promieniowania t∏a si´ och∏odzi∏o. DziÊ jest
ono niezwykle zimne – odpowiada promieniowaniu emito-
wanemu przez cia∏o o temperaturze 2.7 K. Jednak kiedy od-
dziela∏o si´ od materii, jego temperatura wynosi∏a niemal
3000 K.

Od COBE do WMAP

WIDMO PROMIENIOWANIA RELIKTOWEGO

wyznaczy∏ w 1990 roku

satelita COBE (Cosmic Background Explorer). Okaza∏o si´, ˝e
ma ono dok∏adnie taki charakter, jak przewidywano. To wspa-
nia∏e osiàgni´cie zosta∏o jednak przys∏oni´te przez kolejne
wielkie odkrycie. COBE zaobserwowa∏ w rozk∏adzie tempe-
ratury tego promieniowania niewielkie fluktuacje na poziomie
jednej cz´Êci na 100 tys., których obserwatorzy pracowicie
poszukiwali przez przesz∏o 20 lat. Sà one bowiem kluczem
do rozwiàzania zagadki pochodzenia struktury we Wszech-
Êwiecie, czyli odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób z pier-
wotnej plazmy powsta∏y galaktyki, gwiazdy i planety.

Od tej pory naukowcy konstruujà coraz to wymyÊlniejsze

urzàdzenia do badania mikrofalowego promieniowania t∏a.
Ukoronowaniem ich wysi∏ków by∏o wystrzelenie w 2001 ro-
ku sondy WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe),
która okrà˝a S∏oƒce w odleg∏oÊci oko∏o 1.5 mln km od na-
szej planety. Dane dostarczone przez WMAP dowodzà, ˝e
fluktuacje temperatury uk∏adajà si´ we wzór, który przewi-
dzia∏y teorie kosmologiczne: w pozornym chaosie goràce
i zimne plamy na mapie rozk∏adu temperatury majà charak-
terystyczne rozmiary. Co wi´cej, badacze zdo∏ali okreÊliç
na podstawie tych danych wiek, sk∏ad i geometri´ Wszech-
Êwiata. Jest to procedura podobna do próby odgadni´cia bu-
dowy instrumentu muzycznego na podstawie analizy wyda-

24

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

RAPORT SPECJALNY

M∏ody WszechÊwiat rozbrzmiewa∏ dêwi´kami, których echo
jest zakodowane w mikrofalowym promieniowaniu t∏a

Wayne Hu i Martin White

OSMICZNA

SYMFONIA

K

FALE AKUSTYCZNE we wczesnym WszechÊwiecie – na tej ilustracji
przedstawione jako kamertony – ujawniajà wiek, sk∏ad i geometri´ kosmosu.

wanego przezeƒ dêwi´ku. Kosmicznà symfoni´ grajà jednak
bardzo dziwni muzycy, a jeszcze dziwniejsze sà pojawiajàce
si´ w niej zbie˝noÊci, które a˝ si´ proszà o wyjaÊnienie.

Podstawy naszego rozumienia procesów fizycznych, które

odpowiadajà za obserwowane efekty, pochodzà z koƒca lat
szeÊçdziesiàtych, kiedy to P. James E. Peebles z Princeton
University i jego doktorant Jer Yu zauwa˝yli, ˝e we wczesnym
WszechÊwiecie mog∏y rozchodziç si´ fale dêwi´kowe. (Nie-
mal w tym samym czasie do takich samych wniosków doszli
Jakow B. Zeldowicz i Raszid A. Suniajew z Moskiewskiego
Instytutu Matematyki Stosowanej). Kiedy promieniowanie
by∏o zwiàzane z materià, ÊciÊle sprz´˝ony uk∏ad fotonów, elek-
tronów i protonów zachowywa∏ si´ jak gaz, w którym fotony
rozprasza∏y si´ na elektronach niczym pociski odbijajàce si´
rykoszetem. Podobnie jak w powietrzu, niewielkie zaburze-
nie g´stoÊci gazu rozchodzi∏o si´ w postaci fali dêwi´kowej
jako ciàg zag´szczeƒ i rozrzedzeƒ. Zag´szczanie gazu pod-
grzewa∏o go, a rozrzedzanie – studzi∏o. Dlatego wszelkie za-
burzenia we wczesnym WszechÊwiecie mia∏y wp∏yw na roz-
k∏ad fluktuacji temperatury.

Odg∏osy z poczàtków

OKO

¸O

380 TYS

.

LAT PO WIELKIM WYBUCHU

, gdy odleg∏oÊci we

WszechÊwiecie uros∏y do jednej tysi´cznej ich dzisiejszych
wartoÊci, temperatura gazu obni˝y∏a si´ na tyle, ˝e elektrony
zosta∏y wychwycone przez protony i tak powsta∏y neutralne
atomy. Proces ten, zwany rekombinacjà, gwa∏townie zmieni∏
sytuacj´ – fotony nie by∏y ju˝ rozpraszane przez na∏adowane
czàstki. Dzi´ki temu po raz pierwszy mog∏y si´ swobodnie
poruszaç w przestrzeni. Fotony uwolnione z gor´tszych i
g´stszych obszarów mia∏y nieco wy˝sze energie ni˝ te po-
chodzàce z obszarów ch∏odniejszych i bardziej rozrzedzo-
nych. Tak wi´c uk∏ad goràcych i zimnych plam wywo∏anych
falami akustycznymi zosta∏ „wmro˝ony” w rozk∏ad tempera-
tury mikrofalowego promieniowania t∏a. JednoczeÊnie na
materi´ przesta∏o oddzia∏ywaç ciÊnienie promieniowania,
które uniemo˝liwia∏o kurczenie si´ jej zag´szczeƒ. Pod wp∏y-
wem grawitacji zag´szczenia te mog∏y teraz zaczàç si´ za-
padaç, dajàc poczàtek gwiazdom i galaktykom. Okaza∏o si´,
˝e na 100 tys. obserwowanych dziÊ fluktuacji temperatury
promieniowania reliktowego jedna odpowiada zaburzeniu
wystarczajàco du˝emu, by mog∏a z niego powstaç któraÊ
z wielkoskalowych struktur, jakie odkrywamy ostatnio we
WszechÊwiecie [patrz: Michael A. Strauss „Zg∏´biajàc plany
stworzenia”, strona 34].

Co jednak by∏o przyczynà pierwotnych zaburzeƒ, dzi´ki

którym zosta∏y wzbudzone fale dêwi´kowe? To k∏opotliwe py-
tanie. Wyobraêmy sobie, ˝e jesteÊmy Êwiadkami Wielkiego
Wybuchu i obserwujemy post´pujàce rozszerzanie si´ Wszech-
Êwiata. Z ka˝dego punktu mo˝na zobaczyç tylko skoƒczony ob-
szar, którego rozmiary odpowiadajà drodze, jakà Êwiat∏o prze-
by∏o od Wielkiego Wybuchu. Granic´ tego obszaru kosmolodzy
nazywajà horyzontem. Poza nim niczego nie da si´ zobaczyç.
Obszar ten stale si´ powi´ksza i osiàgnà∏ ju˝ rozmiary obser-
wowalnego dziÊ WszechÊwiata. Poniewa˝ informacji nie mo˝-
na przekazywaç szybciej ni˝ Êwiat∏o, horyzont okreÊla sfer´
dzia∏ania jakiegokolwiek procesu fizycznego. JeÊli cofamy si´
w czasie, poszukujàc pochodzenia struktur o okreÊlonych roz-
miarach fizycznych, w koƒcu dojdziemy do chwili, w której
horyzont staje si´ mniejszy od rozmiarów badanej struktury
[ilustracja na sàsiedniej stronie]. ˚aden zgodny z zasadà przy-
czynowoÊci proces fizyczny nie pozwala zatem wyjaÊniç po-
chodzenia tych struktur. W kosmologii nazywamy to proble-
mem horyzontu.

Na szcz´Êcie z problemem tym radzi sobie teoria inflacji.

WyjaÊnia ona równie˝ fizyczny mechanizm wzbudzania
pierwotnych fal dêwi´kowych i powstawania zarodków
wszelkich struktur we WszechÊwiecie. Teoria zak∏ada ist-
nienie nowej formy energii, zwiàzanej z hipotetycznym polem
inflatonowym. Energia ta w pierwszych chwilach po Wielkim
Wybuchu spowodowa∏a przyÊpieszonà ekspansj´ Wszech-
Êwiata i dlatego dzisiejszy obserwowalny WszechÊwiat jest
jedynie ma∏à cz´Êcià obserwowalnego WszechÊwiata sprzed
inflacji. Co wi´cej, kwantowe fluktuacje pola inflatonowego,
wzmocnione gwa∏townà ekspansjà, utworzy∏y poczàtkowe
zaburzenia o amplitudach w przybli˝eniu jednakowych we
wszystkich skalach. Oznacza to, ˝e zaburzenia w ma∏ych ob-
szarach sà tej samej wielkoÊci co w du˝ych. Zaburzenia sta-
∏y si´ fluktuacjami w rozk∏adzie g´stoÊci energii w pierwot-
nej plazmie.

Dowód potwierdzajàcy teori´ inflacji znaleziono w Êladach

odciÊni´tych przez fale dêwi´kowe w mikrofalowym promie-
niowaniu t∏a. Poniewa˝ inflacja wywo∏a∏a wszystkie zaburze-
nia g´stoÊci w gruncie rzeczy jednoczeÊnie, w pierwszej chwi-
li po powstaniu WszechÊwiata fazy fal dêwi´kowych by∏y
zsynchronizowane. W rezultacie powsta∏o widmo z alikwotami
(tonami sk∏adowymi dêwi´ku), podobne do widma dêwi´ków
instrumentów muzycznych. Gdy dmuchamy w otwartà na obu
koƒcach tub´, cz´stoÊç podstawowa wydobywanego z niej
dêwi´ku odpowiada fali (zwanej te˝ modem drgaƒ), w której
na obu koƒcach czàsteczki powietrza ulegajà najwi´kszemu
przesuni´ciu, a w Êrodku najmniejszemu [górna ilustracja
na stronie 28]. D∏ugoÊç fali w modzie podstawowym jest rów-
na dwóm d∏ugoÊciom tuby. Ale dêwi´k zawiera równie˝ se-
ri´ alikwotów o cz´stoÊciach b´dàcych wielokrotnoÊciami
cz´stoÊci modu podstawowego. Inaczej mówiàc, cz´stoÊci
wy˝szych tonów harmonicznych sà dwa, trzy, cztery itd. ra-
zy wy˝sze od cz´stoÊci podstawowej. To w∏aÊnie alikwoty
wzbogacajà dêwi´k i sprawiajà, ˝e skrzypce Stradivariego
majà to wyjàtkowe brzmienie.

Fale dêwi´kowe we wczesnym WszechÊwiecie zachowywa-

∏y si´ podobnie, tyle ˝e trzeba sobie wyobraziç, ˝e rozprze-
strzenia∏y si´ w czasie, a nie przestrzeni [dolna ilustracja
na stronie 28]. Aby to zilustrowaç, odwo∏amy si´ jeszcze raz
do naszego przyk∏adu: d∏ugoÊç tuby b´dzie teraz odpowiada-

26

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

n

Inflacja, gwa∏towna ekspansja WszechÊwiata w pierwszych

chwilach po Wielkim Wybuchu, wywo∏a∏a fale akustyczne,
które na przemian spr´˝a∏y i rozpr´˝a∏y pierwotnà plazm´.

n

Kiedy WszechÊwiat ostyg∏ na tyle, ˝e mog∏y powstaç neutralne

atomy, uk∏ad fluktuacji g´stoÊci wywo∏anych falami akustycznymi
na zawsze znalaz∏ odzwierciedlenie w kosmicznym mikrofalowym
promieniowaniu t∏a.

n

Badajàc sygna∏y akustyczne zawarte w rozk∏adzie mikrofalowego

promieniowania t∏a, kosmolodzy zdo∏ali okreÊliç wiek,
sk∏ad i geometri´ WszechÊwiata. Wyniki te sugerujà,
˝e dominujàcym sk∏adnikiem dzisiejszego WszechÊwiata
jest tajemnicza substancja zwana ciemnà energià.

Przeglàd / Kosmiczna akustyka

∏a skoƒczonemu czasowi, w jakim fale przechodzi∏y przez
pierwotnà plazm´ (zacz´∏y rozprzestrzeniaç si´ w epoce infla-
cji, a skoƒczy∏y oko∏o 380 tys. lat póêniej, w epoce rekombi-
nacji). Przyjmijmy, ˝e w epoce inflacji w pewnym obszarze
przestrzeni pojawi∏a si´ maksymalna dodatnia odchy∏ka g´-
stoÊci (a wi´c i temperatury). Natychmiast po tym zawartoÊç
tego obszaru zacz´∏a oscylowaç: jej g´stoÊç i temperatura ob-
ni˝y∏y si´ do wartoÊci Êrednich, po czym mala∏y dalej, a˝
do osiàgni´cia wartoÊci minimalnych. Fala, która odpowiada
temu procesowi, zaczyna si´ od maksymalnego wychylenia
dodatniego i koƒczy na maksymalnym wychyleniu ujemnym.
Podstawowa fala wczesnego WszechÊwiata osiàgn´∏a swe
pierwsze maksymalne ujemne wychylenie dok∏adnie w chwi-
li rekombinacji. Alikwoty, które odpowiadajà oscylacjom ob-
szarów o mniejszych rozmiarach, osiàgn´∏y w tym samym
momencie maksymalne wychylenie dodatnie (jeÊli ich cz´-
stoÊç by∏a parzystà wielokrotnoÊcià cz´stoÊci podstawowej)

lub ujemne (jeÊli ich cz´stoÊç by∏a nieparzystà wielokrotnoÊcià
cz´stoÊci podstawowej).

W jaki sposób kosmolodzy odczytujà ten uk∏ad fal z mikro-

falowego promieniowania t∏a? Na wykresie przedstawiajà za-
le˝noÊç wielkoÊci fluktuacji temperatury od rozmiarów go-
ràcych i zimnych plam, zwanà widmem mocy zaburzeƒ
[ramka na stronie 31]. Badania wykaza∏y, ˝e obszary, w których
wyst´powa∏y najwi´ksze odchylenia, zajmujà na niebie oko-
∏o jednego stopnia ∏uku albo innymi s∏owy, prawie dwie Êred-
nice Ksi´˝yca. (W chwili rekombinacji obszary te mia∏y roz-
miar oko∏o miliona lat Êwietlnych, ale poniewa˝ WszechÊwiat
od tamtego czasu tysiàckrotnie si´ rozszerzy∏, ka˝dy z nich
ma dziÊ rozmiary oko∏o miliarda lat Êwietlnych). Pierwsze
najwi´ksze maksimum w widmie mocy jest odzwierciedle-
niem fali podstawowej, która w epoce rekombinacji z naj-
wi´kszà amplitudà spr´˝a∏a i rozpr´˝a∏a obszary w plazmie.
Kolejne maksima w widmie mocy reprezentujà fluktuacje

MARZEC 2004 ÂWIAT NAUKI

27

GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE

HISTORIA WSZECHÂWIATA

WSKUTEK INFLACJI plazma z∏o˝ona z fotonów i czàstek na∏adowanych rozszerzy∏a si´ daleko poza obszar horyzontu (granic´
obszaru postrzeganego przez hipotetycznego obserwatora po zakoƒczeniu inflacji). W epoce rekombinacji, oko∏o 380 tys. lat póêniej,
powsta∏y pierwsze atomy i zosta∏o uwolnione kosmiczne mikrofalowe promieniowanie t∏a. Po kolejnych 300 mln lat promieniowanie
pierwszych gwiazd zjonizowa∏o wi´kszoÊç wodoru i helu.

Elektron

Proton

Foton

Atom

helu

Jàdro

helu

Neutron

Foton

mikrofalowego

promieniowania

t∏a

Atom

wodoru

Pierwsze

gwiazdy

Pierwsze
galaktyki

Wspó∏czesne

galaktyki

28

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE

KOSMICZNA HARMONIA

W WIDMIE DèWI¢KÓW we wczesnym WszechÊwiecie, podobnie jak w instrumencie muzycznym, obok podstawowych
dêwi´ków wzbudzane sà alikwoty, czyli wy˝sze tony harmoniczne. JeÊli dmuchamy w tub´, dêwi´k odpowiada fali, dla której
powietrze jest maksymalnie spr´˝one (niebieski) przy ustniku i maksymalnie rozrzedzone (czerwony) na koƒcu tuby. Dêwi´k
zawiera jednak seri´ alikwotów o mniejszych d∏ugoÊciach fal. D∏ugoÊci tych fal sà równe d∏ugoÊci fali tonu podstawowego,
podzielonej przez liczby naturalne. (D∏ugoÊci dla pierwszego, drugiego i trzeciego wy˝szego tonu harmonicznego sà jednà drugà,
jednà trzecià, jednà czwartà d∏ugoÊci podstawowej itd.)

FALE AKUSTYCZNE we wczesnym WszechÊwiecie równie˝ oscylowa∏y w plazmie. Po inflacji fala podstawowa Êciska∏a
niektóre obszary, a inne rozrzedza∏a. Wywo∏ywa∏o to fluktuacje temperatury promieniowania reliktowego, która w epoce
rekombinacji osiàga∏a maksimum (niebieski) w jednych obszarach, a minimum (czerwony) w innych. Wy˝sze harmoniczne
oscylowa∏y dwa, trzy i wi´cej razy szybciej, sprawiajàc, ˝e w epoce rekombinacji maksima i minima temperatury
tego promieniowania pojawia∏y si´ w mniejszych obszarach.

FALE DèWI¢KOWE W TUBIE

OSCYLACJE AKUSTYCZNE
WE WCZESNYM
WSZECHÂWIECIE

Obszar goràcy

Maksymalne spr´˝enie

Maksymalne rozrzedzenie

Obszar zimny

temperatury wywo∏ywane przez alikwoty. Ta seria maksimów
jest mocnym potwierdzeniem teorii mówiàcej, ˝e inflacja
wzbudzi∏a wszystkie fale akustyczne w tej samej chwili. Gdyby
zaburzenia by∏y generowane stopniowo w d∏u˝szym przedzia-
le czasu, widmo mocy nie by∏oby tak harmonicznie uporzàd-
kowane. Powracajàc do naszego porównania – wyobraêmy
sobie, jaka powsta∏aby kakofonia dêwi´ków, gdybyÊmy za-
cz´li dmuchaç w tub´, która na ca∏ej d∏ugoÊci mia∏aby loso-
wo wywiercone otworki.

Teoria inflacji przewiduje te˝, ˝e we wszystkich skalach fa-

le akustyczne powinny mieç niemal t´ samà amplitud´. Wid-
mo mocy wykazuje jednak szybki spadek amplitudy fluktuacji
temperatury poza trzecim maksimum. Mo˝na to wyt∏umaczyç
t∏umieniem krótkich fal dêwi´kowych. Dêwi´k jest przenoszo-
ny przez zderzenia czàstek gazu lub plazmy, w oÊrodku nie
mogà wi´c rozchodziç si´ fale o d∏ugoÊciach mniejszych ni˝ ty-
powa odleg∏oÊç pokonywana przez czàstki pomi´dzy kolejny-
mi zderzeniami. W powietrzu odleg∏oÊç ta jest zaniedbywalnie
ma∏a – 10

–5

cm. Jednak w pierwotnej plazmie pomi´dzy ko-

lejnymi zderzeniami czàstki pokonywa∏y Êrednio odleg∏oÊci
rz´du 10 tys. lat Êwietlnych. (WszechÊwiat w tamtej epoce by∏
g´sty jedynie w porównaniu z dzisiejszym, który jest od niego
miliard razy rzadszy). T∏umienie zaczyna∏o si´ w skalach dzie-
si´ciokrotnie wi´kszych, którym obecnie odpowiadajà odle-
g∏oÊci rz´du 100 mln lat Êwietlnych.

Od muzyki do geometrii

TAK JAK MUZYCY

potrafià odró˝niç znakomite skrzypce od prze-

ci´tnych, ws∏uchujàc si´ w bogactwo ich alikwotów, tak kos-
molodzy potrafià okreÊliç wiek, sk∏ad i geometri´ Wszech-
Êwiata, badajàc podstawowà cz´stoÊç pierwotnego dêwi´ku
i nat´˝enie wy˝szych tonów harmonicznych. Promieniowanie
reliktowe ujawnia rozmiary kàtowe obszarów najwi´kszych
fluktuacji temperatury, mo˝emy wi´c odczytaç, jak du˝e sà pla-
my odpowiadajàce goràcymi i zimnym obszarom. To z kolei
pozwala okreÊliç cz´stoÊç podstawowej fali dêwi´kowej. Kosmo-
lodzy mogà równie˝ dok∏adnie okreÊliç d∏ugoÊç tej fali w mo-
mencie rekombinacji, wiedzà bowiem, jak szybko rozchodzi∏ si´
dêwi´k w pierwotnej plazmie. Podobnie naukowcy potrafià
oszacowaç drog´, jakà przeby∏y fotony, zanim dotar∏y do Zie-
mi – z ich obliczeƒ wynika, ˝e jest to oko∏o 45 mld lat Êwietlnych.
(Chocia˝ fotony porusza∏y si´ tylko przez 13.5 mld mld lat, eks-
pansja przestrzeni rozciàgn´∏a przebytà przez nie drog´).

Kosmolodzy majà wi´c pe∏nà informacj´ o trójkàcie, które-

go boki odpowiadajà d∏ugoÊci fali i drodze przebytej przez
fotony. Mogà wi´c sprawdziç, czy kàty w nim sumujà si´
do 180°. Jest to klasyczny test na krzywizn´ przestrzennà i te-
raz mo˝na go przeprowadziç z du˝à dok∏adnoÊcià. Okazuje si´,
˝e poza globalnà ekspansjà WszechÊwiat jest opisywany geo-
metrià euklidesowà i musi byç bardzo bliski przestrzennie
p∏askiemu. Poniewa˝ geometria WszechÊwiata zale˝y od g´-
stoÊci wype∏niajàcej go energii, z odkrycia tego wynika, ˝e
Êrednia g´stoÊç energii jest bliska tzw. g´stoÊci krytycznej,
czyli oko∏o 10

–29

g/cm

3

.

Kolejnà kwestià jest dok∏adne okreÊlenie proporcji mate-

rii i energii we WszechÊwiecie. Kluczem do rozwiàzania tego
problemu sà amplitudy tonów harmonicznych. Podczas gdy
na zwyk∏e fale dêwi´kowe ma wp∏yw jedynie ciÊnienie gazu,
fale akustyczne we wczesnym WszechÊwiecie modyfikowane
by∏y równie˝ przez si∏y grawitacji. Grawitacja Êciska gaz w

obszarach o podwy˝szonej g´stoÊci. Zale˝nie od fazy fali aku-
stycznej mo˝e albo wzmacniaç, albo t∏umiç dêwi´kowe za-
g´szczenia i rozrzedzenia. Analiza modulacji tych fal ujaw-
nia si∏´ grawitacyjnego oddzia∏ywania, a to z kolei pozwala
okreÊliç zwiàzek pomi´dzy materià i energià w oÊrodku.

Tak jak w dzisiejszym WszechÊwiecie materia we wczes-

nych epokach by∏a dwojakiego rodzaju. Pierwszy to bariony
(protony i neutrony), stanowiàce wi´kszoÊç tzw. zwyk∏ej ma-
terii. Drugi rodzaj to ciemna zimna materia, która chocia˝
wywiera wp∏yw grawitacyjny, nie zosta∏a dotàd bezpoÊred-
nio zaobserwowana, poniewa˝ w ˝aden dostrzegalny sposób
nie oddzia∏uje ze zwyk∏à materià ani Êwiat∏em. Zarówno zwy-
czajna, jak i ciemna materia sà êród∏ami pola grawitacyjne-
go, ale tylko ta pierwsza podlega akustycznym zag´szczeniom
i rozrzedzeniom. W momencie rekombinacji fala podstawo-
wa jest zamro˝ona w fazie, w której grawitacja wzmacnia
stopieƒ spr´˝enia g´stszych obszarów [ramka na stronie 32].
Jednak pierwszy wy˝szy ton harmoniczny, o d∏ugoÊci fali rów-
nej po∏owie d∏ugoÊci fali podstawowej, zostaje z∏apany w fa-
zie przeciwnej. Grawitacja usi∏uje Êcisnàç plazm´, a ciÊnienie
gazu usi∏uje go rozpr´˝yç. W rezultacie fluktuacje temperatu-
ry wywo∏ywane tym alikwotem sà s∏absze od wywo∏ywanych
przez fal´ podstawowà.

Efekt ten wyjaÊnia, dlaczego drugie maksimum w widmie

mocy jest mniejsze od pierwszego. Porównujàc amplitudy tych
maksimów, kosmolodzy mogà oszacowaç, jak silna by∏a we
wczesnym WszechÊwiecie grawitacja w porównaniu z ówczes-
nym ciÊnieniem promieniowania. Takie pomiary dowodzà,
˝e g´stoÊç energii barionów w momencie rekombinacji by∏a
w przybli˝eniu taka sama jak g´stoÊç energii fotonów. Bario-
ny stanowià zatem oko∏o 5% dzisiejszej g´stoÊci krytycznej.
Ten wynik pozostaje w fantastycznej zgodnoÊci z g´stoÊcià ba-
rionów uzyskanà na podstawie badaƒ syntezy lekkich pier-
wiastków w reakcjach jàdrowych, jakie zachodzi∏y w pierw-
szych trzech minutach po Wielkim Wybuchu.

Ogólna teoria wzgl´dnoÊci mówi jednak, ˝e grawitacji pod-

lega zarówno materia, jak i energia. Czy zatem we wczesnym
WszechÊwiecie grawitacja fotonów równie˝ wzmacnia∏a fluk-
tuacje temperatury? Okazuje si´, ˝e tak, ale by∏ te˝ inny efekt,
który równowa˝y∏ to wzmacnianie. Po rekombinacji fotony
mikrofalowego promieniowania t∏a pochodzàce z g´stszych ob-
szarów straci∏y wi´cej energii ni˝ fotony z obszarów rozrze-
dzonych, poniewa˝ musia∏y wydostawaç si´ z g∏´bszych jam
potencja∏u grawitacyjnego. Zjawisko to, zwane efektem Sach-
sa–Wolfe’a, zredukowa∏o amplitud´ fluktuacji temperatury
promieniowania, dok∏adnie niwelujàc efekt ich wzmocnie-
nia przez grawitacj´ fotonów. Obszary, których rozmiary kà-
towe sà dziÊ wi´ksze od 1º, by∏y we wczesnym WszechÊwie-
cie zbyt du˝e, by podlegaç oscylacjom akustycznym. W takich
skalach fluktuacje temperatury pochodzà wy∏àcznie z efektu

MARZEC 2004 ÂWIAT NAUKI

29

WAYNE HU i MARTIN WHITE pracujà nad rozwiàzaniem zagadki
historii kosmosu. Hu jest wyk∏adowcà astronomii i astrofizyki w Uni-
versity of Chicago. Doktorat z fizyki otrzyma∏ w 1995 roku w Univer-
sity of California w Berkeley. Jego zainteresowania naukowe koncen-
trujà si´ na problemach ciemnej energii, ciemnej materii i powstawania
struktury WszechÊwiata. White jest profesorem astronomii i fizyki
w Berkeley. Doktoryzowa∏ si´ w 1992 roku w Yale University. Poza pro-
blemem powstawania kosmicznej struktury interesuje si´ zwiàzkami
pomi´dzy astrofizykà i fizykà fundamentalnà.

O

AUTORACH

Sachsa–Wolfe'a. Paradoksalnie, w takich obszarach goràce
plamy w rozk∏adzie promieniowania reliktowego odpowia-
dajà mniej g´stym miejscom we WszechÊwiecie.

Kosmolodzy mogà te˝ dzi´ki mikrofalowemu promienio-

waniu t∏a szacowaç iloÊç ciemnej materii we WszechÊwiecie.
Grawitacja, która pochodzi od samych barionów, nie mog∏a-
by modulowaç fluktuacji temperatury poza pierwszym ma-
ksimum w widmie mocy. Aby zapewniç jamom potencja∏u
grawitacyjnego dostatecznà g∏´bokoÊç, potrzebna by∏a wy-
starczajàca iloÊç ciemnej materii. Mierzàc stosunki amplitud
pierwszych trzech maksimów, uczeni odkryli, ˝e g´stoÊç zim-
nej ciemnej materii musi byç oko∏o pi´ciu razy wi´ksza ni˝ g´-
stoÊç zwyczajnej barionowej materii. Tak wi´c ciemna mate-
ria stanowi oko∏o 25% dzisiejszej g´stoÊci krytycznej.

Zdumiewajàca zgodnoÊç

TAKI OPIS

sk∏adu dzisiejszego WszechÊwiata sprawia niestety,

˝e oko∏o 70% krytycznej g´stoÊci pozostaje zupe∏nie nieokre-
Êlone. Aby skompensowaç ten deficyt, teoretycy zaproponowa-
li istnienie tajemniczego sk∏adnika, zwanego ciemnà ener-
già, którego wp∏yw na dynamik´ WszechÊwiata wzrasta∏
z up∏ywem czasu [patrz: Georgi Dvali „Moce ciemnoÊci”,
strona 48]. Stopniowo dochodzimy wi´c do niewiarygodnej
konkluzji: wi´kszoÊç dzisiejszego WszechÊwiata sk∏ada si´
z niewidocznej, ciemnej materii i ciemnej energii. Co gor-
sza, wydaje si´, ˝e dziÊ g´stoÊci ciemnej materii i ciemnej

energii sà porównywalne, choç w epoce rekombinacji wo-
doru ta pierwsza by∏a o wiele wi´ksza ni˝ druga. Fizycy nie
lubià zbie˝noÊci, wolà postrzegaç WszechÊwiat jako ciàg
przyczyn i skutków, a nie efekt przypadku. Ma∏o tego, inny ta-
jemniczy czynnik – pole inflatonowe – zdominowa∏ wczeÊ-
niejsze etapy kosmicznej ewolucji i wytworzy∏ zarodki kos-
micznej struktury. Dlaczego mielibyÊmy przyjàç model
kosmologiczny oparty na dowolnie wprowadzonych trzech ta-
jemniczych czynnikach?

Po pierwsze, te trzy czynniki pozwalajà wyjaÊniç ca∏e bogac-

two znanych wczeÊniej faktów. Istnienie ciemnej materii po-
stulowano ju˝ w latach trzydziestych, by wyjaÊniç lokalnà g´-
stoÊç materii w gromadach galaktyk. Albert Einstein poj´cie
ciemnej energii wprowadzi∏ w 1917 roku, kiedy dopisa∏
do swych równaƒ tzw. cz∏on kosmologiczny, równowa˝àcy
dzia∏anie grawitacji. Póêniej wycofa∏ si´ z tego pomys∏u. Sta-
∏a kosmologiczna zosta∏a jednak przypomniana w latach dzie-
wi´çdziesiàtych, gdy obserwacje odleg∏ych supernowych wy-
kaza∏y przyÊpieszanie kosmicznej ekspansji [patrz: Adam G.
Riess i Michael S. Turner „Od supernowych do antygrawita-
cji”, strona 42]. G´stoÊci ciemnej materii i ciemnej energii
wyznaczone z promieniowania reliktowego sà w zdumiewa-
jàcej zgodnoÊci z tymi obserwacjami astronomicznymi.

Po drugie, standardowy model kosmologiczny ma moc

przewidywania. W 1968 roku Joseph Silk (obecnie pracujà-
cy w University of Oxford) przewidzia∏, ˝e akustyczne maksi-

30

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

NASA/WMAP SCIENCE TEAM

OD CZASU REKOMBINACJI WODORU,
oko∏o 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu,
wi´kszoÊç fotonów kosmicznego
mikrofalowego promieniowania t∏a bez
przeszkód bieg∏a przez obserwowalny
WszechÊwiat. Niektóre fotony jednak
rozprasza∏y si´ na czàstkach
na∏adowanych. Powodowa∏o to polaryzacj´
promieniowania w du˝ych skalach
kàtowych na niebie. Obserwacje polaryzacji
w tych skalach, które przeprowadzi∏a
sonda WMAP, oznaczajà, ˝e kilkaset
milionów lat po Wielkim Wybuchu oko∏o
17% fotonów promieniowania reliktowego
by∏o rozpraszanych przez cienkà mgie∏k´
zjonizowanego gazu.

Informacja, ˝e tak znaczna cz´Êç

promieniowania podlega∏a wtórnym
rozproszeniom, jest chyba najbardziej
zaskakujàcym wynikiem uzyskanym
przez WMAP. Kosmolodzy ju˝ wczeÊniej
spekulowali o mo˝liwoÊci zjonizowania
wi´kszoÊci kosmicznego wodoru i helu
przez promieniowanie, które pochodzi∏o
z pierwszych, niezwykle masywnych
i goràcych gwiazd. (Ten proces zwany
jest powtórnà jonizacjà, poniewa˝
ponownie przekszta∏ci∏ gaz w stan plazmy,

która istnia∏a przed emisjà mikrofalowego
promieniowania t∏a). Teoretycy szacowali
jednak, ˝e proces ten zaszed∏ niemal
miliard lat po Wielkim Wybuchu, a wtedy
tylko oko∏o 5% fotonów promieniowania
reliktowego mog∏oby zostaç rozproszone.
Pochodzàce z WMAP dowody na
wi´kszy stopieƒ wtórnego rozpraszania
fotonów wskazujà, ˝e powtórna jonizacja
nastàpi∏a znacznie wczeÊniejszej.
Modelowanie procesu wczesnego
powstawania pierwszych gwiazd jest wi´c
dla teoretyków nie lada wyzwaniem.
Odkrycie to mo˝e nawet podwa˝yç

przewidywania teorii inflacji, mówiàce,
˝e we wczesnym WszechÊwiecie
poczàtkowe fluktuacje g´stoÊci by∏y
takie same we wszystkich skalach.
Pierwsze gwiazdy mog∏y powstaç
wczeÊniej, o ile fluktuacje w ma∏ych
skalach mia∏y wi´ksze amplitudy.

Dane z sondy WMAP dostarczajà

te˝ innej poszlaki, która wskazuje
na odst´pstwa od niezale˝noÊci od skali,
wczeÊniej ju˝ zaobserwowane
przez satelit´ COBE. W najwi´kszych
skalach kàtowych, odpowiadajàcych
obszarom odleg∏ym na niebie o ponad 60º,
zarówno WMAP, jak i COBE zauwa˝y∏y
dziwny brak odpowiednio silnych
fluktuacji temperatury mikrofalowego
promieniowania t∏a. Deficyt ten mo˝e byç
po prostu fluktuacjà statystycznà
(roz∏àcznych obszarów o tak du˝ych
rozmiarach jest na ca∏ym niebie
zbyt ma∏o, by ich statystyczna
analiza by∏a wiarygodna). Zdaniem
niektórych teoretyków te odst´pstwa
mogà jednak wskazywaç, ˝e nasze
modele inflacji, ciemnej energii
i topologii WszechÊwiata sà
nieodpowiednie.

PIERWSZE GWIAZDY powtórnie zjonizowa-
∏y otaczajàcy je gaz.

VOTUM SEPARATUM

ma w widmie mocy z mikrofalowego promieniowania t∏a po-
winny byç t∏umione w konkretniej skali, którà wyliczy∏. Rezul-
tatem tego t∏umienia mia∏a byç niewielka, ale precyzyjnie
okreÊlona polaryzacja promieniowania. (Promieniowanie spo-
laryzowane jest zorientowane w okreÊlonym kierunku). Mo˝-
na by si´ spodziewaç, ˝e fotony mikrofalowego promienio-
wania t∏a b´dà niespolaryzowane, poniewa˝ rozpraszanie
w pierwotnej plazmie powinno nadaç im chaotyczne kierun-
ki. Jednak w ma∏ych skalach, w których wyst´puje t∏umienie
Silka, fotony nara˝one sà na stosunkowo niewiele rozpro-
szeƒ. Dlatego zachowujà swojà orientacj´, która odbija si´
póêniej w polaryzacji. Ta akustyczna polaryzacja zosta∏a zmie-

rzona przez Degree Angular Scale Interferometer (instru-
ment u˝ywany w Amundsen–Scott South Pole Station na An-
tarktydzie), a póêniej przez WMAP. Stopieƒ zmierzonej pola-
ryzacji Êwietnie zgadza si´ z przewidywaniami teoretycznymi.
WMAP zarejestrowa∏a te˝ polaryzacj´ w wi´kszych skalach kà-
towych, pochodzàcà z rozpraszania fotonów ju˝ po rekom-
binacji [ramka na sàsiedniej stronie].

Istnienie ciemnej energii pozwala równie˝ przewidywaç

dodatkowe cechy promieniowania reliktowego, które w∏aÊ-
nie teraz zaczynamy obserwowaç. Poniewa˝ ciemna energia
przyÊpiesza ekspansj´ kosmosu, os∏abia studnie potencja∏u
grawitacyjnego zwiàzanego z grupowaniem si´ galaktyk.

MARZEC 2004 ÂWIAT NAUKI

31

WIDMO MOCY

OBSERWACJE mikrofalowego promieniowania t∏a
pozwalajà opracowaç mapy fluktuacji temperatury
na ca∏ym niebie (a). Kiedy badacze analizujà fragmenty
tych map (b), nak∏adajà odpowiednie filtry, by sprawdziç,
jak te fluktuacje zale˝à od skali kàtowej. W du˝ych
skalach (rozciàgajàcych si´ na niebie na wi´cej ni˝ 30º)
fluktuacje sà ledwo widoczne (c). Podobnie jest w bardzo
ma∏ych skalach rz´du jednej dziesiàtej stopnia (e).
Za to w skalach rz´du jednego stopnia fluktuacje sà
doÊç silne (d). Pierwsze maksimum w widmie mocy
(wykres na dole) jest skutkiem zag´szczeƒ i rozrzedzeƒ
wywo∏ywanych przez podstawowy mod oscylacji
akustycznych we wczesnym WszechÊwiecie.
Kolejne maksima sà skutkiem dzia∏ania wy˝szych
tonów harmonicznych.

NASA/WMAP SCIENCE TEAM (

a–e

); GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE (

wykr

es

)

a

b

c

d

e

10

100

80

60

40

20

100

1000

Skala kàtowa

(odwrotnoÊci radianów)

Odst´pstwa od

Êredniej temperatur

y

(milionowe cz´Êci kelwina)

32

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE

CIEMNA MATERIA moduluje sygna∏y akustyczne w mikrofalowym promieniowaniu t∏a. Po inflacji g´stsze obszary ciemnej
materii, które mia∏y takie same rozmiary jak fala podstawowa (na diagramie energii potencjalnej przedstawione jako doliny),
si∏ami grawitacji wciàgajà bariony i fotony. (Doliny sà zaznaczone na czerwono, poniewa˝ grawitacja zmniejsza równie˝
temperatur´ uciekajàcych fotonów). W epoce rekombinacji, oko∏o 380 tys. lat póêniej, grawitacja i pr´dkoÊç wywo∏ana
falà akustycznà wspólnie podnoszà temperatur´ w dolinach (niebieski) i obni˝ajà temperatur´ na grzbietach (czerwony).

W MNIEJSZYCH SKALACH dzia∏anie grawitacji i ciÊnienia akustycznego czasem jest przeciwnie skierowane. Skupiska ciemnej
materii, które odpowiadajà fali wywo∏ujàcej drugie maksimum w widmie mocy, na d∏ugo przed rekombinacjà maksymalizujà
temperatur´ promieniowania w dolinach. Jest to punkt zwrotny w ewolucji zaburzeƒ – ciÊnienie gazu zaczyna wypychaç bariony
i fotony z dolin (niebieskie strza∏ki), podczas gdy grawitacja usi∏uje je zatrzymaç (bia∏e strza∏ki). Wynikiem tej przepychanki jest
zmniejszenie fluktuacji temperatury. WyjaÊnia to, dlaczego drugie maksimum akustyczne jest mniejsze ni˝ pierwsze.

PIERWSZE MAKSIMUM

Wspó∏dzia∏anie grawitacji i pr´dkoÊci
wywo∏anej falà akustycznà

DRUGIE MAKSIMUM

Grawitacja przeciwdzia∏a
ruchowi wywo∏anemu
falà akustycznà

Skupisko ciemnej
materii

Skupisko
ciemnej materii

Foton

Foton

Przyciàganie
grawitacyjne

Przyciàganie
grawitacyjne

Ruch wywo∏any
falà akustycznà

Ruch wywo∏any
falà akustycznà

Barion

Barion

GRAWITACYJNA MODULACJA

Foton, który leci przez taki obszar, wpadajàc do jamy poten-
cja∏u, zyskuje energi´. Ale jama ta staje si´ coraz p∏ytsza, dla-
tego foton na wyjÊcie z niej traci mniej energii, ni˝ zyska∏,
wpadajàc. To zjawisko, zwane wyca∏kowanym efektem Sach-
sa–Wolfe’a, wywo∏uje zaburzenia promieniowania reliktowe-
go w du˝ych skalach. Niedawno obserwatorzy wykryli Êlady
takiej korelacji podczas porównania wielkoskalowych struk-
tur widocznych w katalogach galaktyk z danymi zarejestrowa-
nymi przez WMAP. IloÊç ciemnej energii, która jest potrzeb-
na do wywo∏ania obserwowanych wielkoskalowych zaburzeƒ
temperatury, zgadza si´ z iloÊcià oszacowanà na podstawie
maksimów akustycznych i odleg∏ych supernowych. Poniewa˝
coraz lepsze sà pomiary rozk∏adu galaktyk, a inne wyznacz-
niki wielkoskalowej struktury WszechÊwiata równie˝ stajà
si´ dost´pne, wyca∏kowany efekt Sachsa–Wolfe’a mo˝e si´
okazaç wa˝nym êród∏em informacji o ciemnej energii.

To nie koniec pieÊni

MIKROFALOWE PROMIENIOWANIE T

¸A

mo˝e te˝ dostarczyç klu-

czowych danych, które pozwolà odtworzyç, co dzia∏o si´
w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Niewiele jest
w kosmologii idei bardziej szalonych ni˝ kosmiczna inflacja.
Czy naprawd´ WszechÊwiat uleg∏ inflacji? JeÊli tak, to jaka
by∏a jej natura? Jakie pole wywo∏a∏o tak gwa∏towne rozszerza-
nie? Najnowsze pomiary promieniowania reliktowego nie-
zwykle wzmocni∏y argumenty na rzecz najprostszych mode-
li inflacji. Modele te zak∏adajà, ˝e amplitudy poczàtkowych
zaburzeƒ g´stoÊci by∏y we wszystkich skalach jednakowe. Je-
Êli jednak dok∏adniejsze obserwacje ujawnià, ˝e amplitudy
zale˝a∏y od skali, to proste modele inflacyjne b´dà wymaga-
∏y modyfikacji. Trzeba b´dzie przyjàç bardziej barokowe roz-
wiàzania albo w ogóle zmieniç ca∏y paradygmat.

Innà ekscytujàcà mo˝liwoÊcià, jakà daje badanie mikrofa-

lowego promieniowania t∏a, jest poznanie fizyki procesu in-
flacji przez wyznaczenie skali energii, w których ona zacho-
dzi∏a. Fizycy sà na przyk∏ad przekonani, ˝e gdy temperatura
we WszechÊwiecie przekracza∏a 10

15

K, s∏abe oddzia∏ywania

jàdrowe i oddzia∏ywania elektromagnetyczne by∏y ró˝nymi
przejawami jednego oddzia∏ywania elektros∏abego. Gdyby
uczeni odkryli, ˝e proces inflacji przebiega∏ przy takich w∏aÊ-
nie energiach, by∏by to silny argument na rzecz powiàzania
inflacji z unifikacjà oddzia∏ywaƒ elektros∏abych. Mo˝liwy jest
te˝ inny scenariusz, w którym inflacja zasz∏a w znacznie wy˝-
szych temperaturach, a oddzia∏ywania elektros∏abe zunifi-
kowa∏y si´ z silnymi oddzia∏ywaniami jàdrowymi. W takim
przypadku inflacja by∏aby zwiàzana z wielkà unifikacjà od-
dzia∏ywaƒ fundamentalnych.

Kwesti´ t´ badacze mogliby rozstrzygnàç dzi´ki pewnej

szczególnej w∏asnoÊci promieniowania reliktowego. Inflacja
nie tylko wygenerowa∏a zaburzenia g´stoÊci, wywo∏a∏a rów-
nie˝ fluktuacje samej tkanki czasoprzestrzeni. Fluktuacje te sà
falami grawitacyjnymi, których d∏ugoÊci mogà dorówny-
waç rozmiarom obserwowalnej cz´Êci WszechÊwiata. Ampli-
tuda tych fal jest proporcjonalna do kwadratu skali energii,
przy której nastàpi∏a inflacja. JeÊli do inflacji dosz∏o przy wy-
sokich energiach zwiàzanych z wielkà unifikacjà, wygenero-
wane wtedy fale grawitacyjne mog∏y wywo∏aç polaryzacj´
mikrofalowego promieniowania t∏a.

Wreszcie dalsze obserwacje rzucà zapewne Êwiat∏o na fizycz-

nà natur´ ciemnej energii, która mo˝e byç formà energii pró˝-

ni, jak proponowa∏ Einstein. Jednak jej g´stoÊç by∏aby o 60,
a nawet 120 rz´dów wielkoÊci mniejsza, ni˝ przewiduje to
teoria czàstek elementarnych. Poza tym dlaczego g´stoÊci
ciemnej energii i ciemnej materii majà teraz i – jak si´ wy-
daje – tylko teraz porównywalne wartoÊci? Aby odpowiedzieç
na te pytania, naukowcy mogà wykorzystaç fakt, ˝e fotony
promieniowania reliktowego oÊwietlajà struktury w ca∏ym
obserwowalnym WszechÊwiecie. Spodziewajà si´, ˝e obserwa-
cja amplitud fluktuacji g´stoÊci w ró˝nych epokach kosmicz-
nej historii ujawni, jak przebiega∏a ta rywalizacja materii
z ciemnà energià.

Szczególnie u˝yteczne mogà byç pomiary dwóch efektów

wyst´pujàcych w mikrofalowym promieniowaniu t∏a. Pierw-
szy, zwany efektem Suniajewa–Zeldowicza, zwiàzany jest
z rozpraszaniem fotonów tego promieniowania przez goràcy,
zjonizowany gaz w gromadach galaktyk. Pozwala on na iden-
tyfikacj´ gromad w kluczowym momencie kosmicznej histo-
rii, oko∏o 5 mld lat temu, gdy ciemna energia zaczyna∏a wy-
wo∏ywaç przyÊpieszanie ekspansji WszechÊwiata. Liczba
istniejàcych wtedy gromad galaktyk pozwala z kolei okreÊliç,
jaka by∏a wówczas amplituda fluktuacji g´stoÊci. Drugi efekt
– soczewkowanie grawitacyjne – wyst´puje, gdy fotony prze-
latujà w pobli˝u struktury o szczególnie du˝ej masie. Ponie-
wa˝ ich trajektorie ulegajà ugi´ciu, ma ono wp∏yw na obser-
wowane rozk∏ady temperatury i polaryzacji promieniowania.
WielkoÊç ugi´cia wià˝e si´ z amplitudà fluktuacji g´stoÊci,
które odpowiadajà tym strukturom.

Aby przeprowadziç takie badania inflacji i ciemnej ener-

gii, astrofizycy b´dà potrzebowaç teleskopów nowej genera-
cji, które pozwolà im obserwowaç promieniowanie reliktowe
z jeszcze wi´kszà rozdzielczoÊcià. Europejska Agencja
Kosmiczna planuje w 2007 roku wystrzelenie sondy Planck
– obserwatorium, które zostanie umieszczone na tej samej
orbicie co WMAP. Planck b´dzie rejestrowaç ró˝nice tempe-
ratury mikrofalowego promieniowania t∏a na poziomie nawet
pi´ciu milionowych kelwina, a jego rozdzielczoÊç kàtowa b´-
dzie lepsza od jednej dziesiàtej stopnia. Takie pomiary umo˝-
liwià badaczom analiz´ oscylacji akustycznych w bardzo sze-
rokim zakresie d∏ugoÊci fal i precyzyjniej okreÊlà widmo
mocy zaburzeƒ generowanych przez inflacj´. Planuje si´
tak˝e wiele eksperymentów naziemnych, dzi´ki którym w pro-
mieniowaniu reliktowym majà zostaç wykryte efekty zwiàza-
ne ze strukturà w dzisiejszej epoce przyÊpieszonej ekspansji
kosmosu.

Choç standardowy model kosmologiczny zdumiewajàco

dobrze sprawdza si´ jako fenomenologiczny opis Wszech-
Êwiata, g∏´bsze zrozumienie jego tajemnic musi poczekaç
na wyniki obserwacji wykonanych instrumentami nowej ge-
neracji. Z pewnoÊcià kosmiczna symfonia b´dzie zachwycaç
swoich s∏uchaczy jeszcze przez d∏ugi czas.

n

MARZEC 2004 ÂWIAT NAUKI

33

Narodziny galaktyk. George Smoot i Keay Davidson; Wydawnictwo CiS,

1996.

3K: The Cosmic Microwave Background Radiation. R. B. Partridge;
Cambridge University Press, 1995.
WszechÊwiat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia

kosmosu. Alan H. Guth; Prószyƒski i S-ka, Warszawa 2000.

Wi´cej informacji o WMAP i mikrofalowym promieniowaniu t∏a mo˝na zna-

leêç na stronach

map.gsfc.nasa.gov oraz background.uchicago.edu

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ