A Planck öröksége
(Rovat: Űrcsillagászat Európában - 2020.11.27 07:15.)

Visszanézett az idők kezdetéig és észlelte a Világegyetem első fényét – találóan ezzel a mondattal összegezi az ESA kiadványa a Planck-szonda jelentőségét.

Az ESA tudományos programjában (amelyben minden tagállam számára kötelező a részvétel) két fő irányt különböztetünk meg, a Naprendszer kutatását és az űrcsillagászatot. Az előbbiek közül különösen gyakran találkozhattak portálunk cikkeiben például a Rosetta küldetésével, az utóbbiak egyike a Planck-szonda. Bár küldetése 2013-ban befejeződött, 2009-es startjától kezdve rendszeresen felbukkantak az eredményeiről szóló hírek cikkeinkben (lásd lent). Az ESA most látta elérkezettnek az időt arra, hogy egy évtized távlatából önálló kiadványban foglalja össze a Planck eredményeit, és azok csillagászati, azon belül elsősorban kozmológiai jelentőségét.

Az ESA legújabb, a Planck-űrszonda eredményeit bemutató kiadványának borítója. (Kép: ESA)

A kiadvány színvonalas kivitelével és gazdag tartalmával azokat az időket idézi fel, amikor az ESA kiadványai még üres fecsegés és gyermeteg rajzok helyett valódi, értékes tartalmat közvetítettek. A Planck-szonda tudományos örökségének jelentőségét Jan Tauber, a projekt vezető kutatója beköszöntő soraiban azzal támasztja alá, hogy a szonda eredményeiből eddig már több ezer publikáció született, és számuk folyamatosan, évente több százzal gyarapszik. A szondát és eredményeit bemutató kiadvány méltó ehhez az örökségéhez.

A Planck-szondát készítő csapat tagjai az ESA ESTEC űrközpontjában 2008 áprilisában, a kész szonda előtt. (Kép: ESA / A. Le Floc'h)

A bevezető oldalakon a szerzők elmondják, miért fontos területe az űrkutatásnak az űrcsillagászat – amelynek segítségével megismerjük a Világegyetem történetét, felépítését és abban elfoglalt helyünket. Olyan ismeretekre tehetünk szert, amelyeket földi távcsövekkel nem szerezhetünk meg, erre példaként egy galaxis képét látjuk különböző űrszondák az elektromágneses színkép különböző tartományain készített felvételeit mutatják be, illetve összehasonlítják, milyennek látszik egy aktív rádiógalaxis a Planck különböző hullámhosszakon, illetve polarizált fényben végzett észlelései alapján. Nagy vonalakban megismerhetjük a Világegyetem legkorábbi időszakának történetét, különös tekintettel arra, miként támasztja alá az ősrobbanás kozmológiáját a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás észlelése. Itt ismerhetjük meg a Planck előfutárait, a háttérsugárzásról egyre pontosabb képet adó COBE (Cosmic Background Explorer) és WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) küldetéseket is.

A Centaurus A aktív galaxis sugárzásának intenzitása és polarizációja a Planck-szonda által megfigyelt kilenc frekvencia közül hétben. Alul ugyanezen objektum képe látható infravörösben (ESA Herschel-űrtávcső), látható fényben (Európai Déli Obszervatórium) és a röntgentartományban (ESA XMM-Newton-űrtávcső). (Kép: ESA / Planck Collaboration)

A Planck-szonda eredményei nem jöhettek volna létre a csúcstechnológiát képviselő mérnöki munka nélkül. Ennek köszönhető, hogy a 2,5 méter átmérőjű, szénszállal erősített polimer kompozitból készült főtükör tömege mindössze 29 kg volt. Az egész távcsövet a rendkívüli érzékenység elérése érdekében folyamatosan 40 K (–233 °C) hőmérsékletre hűtve kellett működtetni, az ehhez szükséges folyékony hélium lassú fogyása korlátozta négy évre a szonda működési idejét. A detektorokat még jobban le kellett hűteni, egyesek 20 K, míg mások a hihetetlenül alacsony, mindössze 0,1 K hőmérsékleten működtek. Utóbbi alacsonyabb a Világegyetemet kitöltő háttérsugárzás 2,7 kelvines hőmérsékleténél, így a Planck működése idején ezek a detektorok jelentették a Világegyetem leghidegebb pontját.

A Planck-űrszonda aktív hűtőrendszere, amellyel egyes detektorokat (HFI) 0,1 K hőmérsékletre lehetett lehűteni. Az alsó négy, fényes, gömb alakú tartályban van a hélium, háromban ⁴He, a negyedikben ³He. A kétféle izotóp egyesítésével állítják elő a rendkívül alacsony, 0,1 K hőmérsékletet. (Kép: ESA/AOES Medialab)

A távcső kamerája csupán 75 pixel felbontással működött, viszont rendkívül széles spektrumtartományt fogott át, a rádiótartománytól a távoli infravörösig. A megszerzett adatokat 1% pontossággal sikerült redukálni, ami önmagában is rendkívüli kihívást jelentett, egyes hullámhosszakon azonban még ezt a pontosságot is sikerült ötvenszeresen felülmúlni. Bár a szondát eredetileg csak egy év működésre és az égbolt kétszeri végigmérésére tervezték, sikerült ezt jelentősen felülmúlni és négy év alatt kilencszer végigmérni az égbolt egyes területeiről érkező sugárzás erősségét, miközben a távcső műszerei megszakítás nélkül működtek. Működési ideje alatt a Planck mintegy ezermilliárd mérést végzett, ezek alapján sikerült a korábbinál pontosabb értékeket kapni a Világegyetem standard modelljét leíró hat paraméterre.

A Planck-szonda és a korábbi WMAP kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra vonatkozó mérései részletgazdagságának összehasonlítása. (Kép: ESA / Planck Collaboration / NASA / WMAP Science Team)

A Planck méréseinek kozmológiai jelentőségére és az adatok értelmezésére vonatkozóan a szonda első kozmológiai eredményeit bemutató, korábbi cikkünkre utalunk. A kiadvány bemutatja a sötét anyagot és a sötét energiát tartalmazó, úgynevezett Lambda-CDM (Lambda-Cold Dark Matter) modellt, és felsorolja a modell alapjául szolgáló kiinduló feltevéseket is. (Ezek a feltevések a következők. A fizika mindenütt ugyanúgy működik a megfigyelhető Világegyetemben. Az általános relativitáselmélet a téridő és a gravitáció megfelelő leírása. Nagy léptékben a Világegyetem mindenütt ugyanolyan. Valaha a Világegyetem forró és sűrű volt, azóta tágul és hűl. A Világegyetemnek az ismert közönséges anyagon kívül két további összetevője van, a hideg sötét anyag és a sötét energia. A tér görbülete nagyon csekély, vagyis a téridő közel sík geometriájú. A Világegyetem sűrűségének ma megfigyelhető ingadozásai kvantummechanikai eredetűek és a Világegyetem nagyon ősi állapotában gyökereznek. A megfigyelhető Világegyetem „triviális” topológiájú.) Ha ezen feltevések valamelyike hibásnak bizonyulna, az alapvetően rengetné meg a Lambda-CDM kozmológiát.

Az égbolt képe abban a kilenc frekvenciatartományban, ahol a Planck-szonda a méréseit végezte. A képekről a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást eltávolították. (Kép: ESA / Planck Collaboration)

A Planck mérési eredményei alapvetően összhangban vannak a Lambda-CDM modellel, ám apró eltérések is mutatkoznak. Ezeket már korábbi cikkünkben is bemutattunk, az anizotrópiák amplitúdójának az égbolt két fele közötti eltérését és egy szokatlan „hideg foltot”. Ugyancsak utaltunk arra, hogy a Planck mérései alapján pontosított Lambda-CDM modell a Világegyetem tágulási ütemét megadó Hubble állandóra 67,4 km/s/Mpc értéket ad, ami csekély mértékben bár, de szignifikánsan kisebb a hagyományos csillagászati megfigyelésekkel 2–4% pontossággal meghatározott 70–74 km/s/Mpc közötti értéknél. Az anomáliákból egyelőre nem kell messzemenő következtetéseket levonni, de további kutatásra mindenképp érdemesek a Planck méréseivel feltárt problémák.

A Hubble-állandónak az ESA Planck-szondája méréseiből levezetett értékei (piros négyzetek) határozottan kisebbek a más csillagászati megfigyelésekből levezetett értékeknél (kék pontok). Egy független méréssel kapott, bár sokkal nagyobb hibájú adat (lila négyszög, ezt neutroncsillagok összeolvadásából érkező fény és gravitációs hullámok egyidejű észleléséből vezették le) éppen a két másik adatsor közé esik. (Kép: ESA / Planck Collaboration)

A Planck méréseiből a mikrovilágra vonatkozóan is érdekes következtetéseket lehetett levonni. Így például a megfigyelések alapján 0,12 eV-os felső határt lehetett adni a neutrínó tömegére, míg a részecske tömegének alsó határa a Napból érkező neutrínók megfigyeléséből 0,06–0,1 eV közöttinek adódik, vagyis a Plancknak köszönhetően meglehetősen szűk határok közé sikerült szorítani a részecske tömegét (ami így néhány milliószor kisebb az elektron tömegénél). Ez azért fontos eredmény, mert a neutrínók olyan óriási számban vannak jelen az univerzumban, hogy együttes tömegük hatással lehet a Világegyetem nagy léptékű struktúráinak kialakulására. Ez csak egyetlen példa arra, milyen sok, a közvetlen kozmológiai megfigyelésekhez csak áttételesen kapcsolódó területen ért el figyelemre méltó eredményeket a Planck-szonda.