Kažkas kosmose išsiderino... Tai pastebi mokslininkai, įsiklausydami į mikrobanginį Visatos foną (CMB), pagrindinį informacijos apie ankstyvąją Visatos fazę šaltinį. Iškart po Didžiojo sprogimo, atsitiktinės fliuktuacijos privertė susidaryti energetinius burbulus, kurie išsivystė į galaktikų spiečius. Tos fliuktuacijos kažkuo primena garso bangas. Tai vyko prieš 14 mlrd. metų, o dabar to pirmapradžio garso žemėlapis sudarytas pagal CMB temperatūrą.

CMB fliuktuacijos, kaip ir garso bangos, gali būti išskaidytos į jas sudarančias harmonikas. Ir kai kurios tų harmonikų yra "tylesnės", nei tikimasi – ir dar "groja ne tą natą". Tarsi orkestre kai kurie instrumentai imtų groti "pro šalį". Tad arba kažkas ne taip su kosmologijos modeliu, arba kažkas praleista stebėjimų duomenyse.

Kelis dešimtmečius kurtas Visatos modelis, vadinamas infliaciniu lambda vėsiosios tamsiosios materijos modeliu, paaiškina daugybę Visatos savybių, pvz., lengvųjų elementų (vandenilio, helio, ličio) gausą ir apibrėžia Visatos amžių (14 mlrd. m.), kuris artimas seniausių žvaigždžių amžiui. Jis nuspėja ne tik CMB buvimą, bet ir jo beveik tobulą homogeniškumą. Tą modelį sudaro trys pagrindinės dalys: infliacijos procesas, kosmologine konstanta (l), vadinama lambda, ir nematomos dalelės (tamsioji materija).

Infliacija – tai nepaprastai trumpas Visatos pagreitinto plėtimosi laikotarpis, prasidėjęs iškart po Didžiojo sprogimo ir pasibaigęs spinduliavimo paskleidimu. Ji leidžia paaiškinti, kodėl Visata yra tokia plati, kodėl joje tiek daug visko ir kodėl ji beveik homogeniška (o taip pat, kodėl nėra visiškai homogeniška – dėl atsitiktinių energijos fliuktuacijų).

Tačiau iškilo kai kurių problemų, astronomams pradėjus matuoti CMB temperatūrų skirtumus. CMB yra seniausia šviesa, atsiradusi vos keli šimtai tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo, kai greitai besiplečianti ir vėstanti Visata perėjo iš tankios neskaidrios plazmos būsenos į skaidrias dujas. CMB pirmąkart aptiko Arno Penzias ir Robert Wilson 1965 m. Dabar atlikti CMB temperatūros anizotropijos matavimai (temperatūros reikšmės skirtingose dangaus srityse) – jos skirtumai atspindi pirmapradės Visatos tankio fliuktuacijas. Tuos skirtumus pirmąkart užfiksavo COBE palydovas 1992 m., o vėliau didesniu tikslumu suregistravo WMAP palydovas.

Tačiau tokiuose infliacinės Visatos modeliuose negalima tiksliai apskaičiuoti tų fliuktuacijų. Jie leidžia tik nustatyti jų statistines charakteristikas. Pirmoji prielaida, susijusi su CMB, buvo tų fliuktuacijų "statistinė izotropija", t.y. jos nėra orientuotos jokiomis kryptimis. Kitas infliacinio modelio spėjimas yra, kad kiekvienos sudėtinės sferinės harmonikos ("natos") elgesys turi būti atsitiktinis (leistinų tikimybių ribose), t.y. jos turi būti pagal Gauso pasiskirstymą, kurio kreivė yra varpo formos. Kiekviena harmonika turėtų savo Gauso pasiskirstymą, kurio plotis ("varpo" pagrindo plotis) nusako, kiek energijos (garsumo) turi ta harmonika. Didesni nukrypimai galėtų būti galimi tik harmonikoms, kurios susidarė infliacijos pradžioje arba pabaigose.

Sferinės harmonikos nusako gerokai sudėtingesnius būdus, kaip gali vibruoti sferos. Visa mūsų informacija apie tolimąją Visatą yra suprojektuota į vieną vienintelę sferą – dangų. Žemiausia nata (žymima l = 0 ) yra monopolis – kai visa Visata pulsuoja kaip viena visuma. CMB monopolis yra jo temperatūros vidurkis – 2,725 K. Kita artimiausia nata ( l = 1 ) yra dipolis, kai temperatūra kyla viename pusrutulyje, o krenta kitame. Dipolis dominuoja dėl Doplerio poslinkio – Saulės judėjimo kryptimi dangus atrodo truputį karštesnis. Ir bendrai, kiekvienos l reikšmės (0,1,2,...) osciliacija vadinama multipoliu. CMB atveju kiekvienas multipolis l turi vidutinį intensyvumą C_l. Visų l visų intensyvumų visuma vadinama kampiniu stiprumo spektru, kuris braižomas kaip grafas. Jis prasideda C₂. C₂ ir C₃ dar vadinami kvadrapoliu ir oktopoliu – ir būtent jų reikšmės yra gerokai mažesnės, nei tikimasi pagal teoriją. Pagal analogiją su geografija – tarsi didžiausi vandenynai būtų sekliausi, o muzikos terminologija – orkestre nebūtų bosų ir tūbų.

Dangaus muzikos harmonikos CMB tyrinėtojai tiria fliuktuacijas panaudodami matematines funkcijas, vadinamas sferinėmis harmonikomis. Paimkime smuiko stygą; ja išgauti galima daugybę natų - net nesutrumpinant jos ilgio užspaudžiant pirštu. Tas natas pažymėkime n, tai kiekis vietų (mazgų) ant stygos, kurie nejuda skambant natai. Žemiausia nata ( n = 0 ) arba nesant mazgų vadinama pagrindiniu tonu - kai visa styga (išskyrus jos galus) virpa vienodai. Nata su vieninteliu mazgu centre ( n = 1 ) yra pirmoji harmoninė osciliacija - kai pusė stygos juda viena kryptimi, o kita - kita. Jei sudainuotumėte gamą (do-re-mi... do), tai baigiantysis do būtų pirmąja harmonika pradiniam do. udėtingą stygos virpėjimą galima išskaidyti į sudėtines harmonikas. Pvz., štai kaip atrodo n = 0 ir n=4 harmonikų suma (atkreipkite dėmesį, kad ketvirtosios harmonikos amplitudė yra mažesnė). Dabar panagrinėkime sferines harmonikas, Yl m. Kadangi sferos paviršius yra dvimatis, jų apibrėžimui reikalingi du dydžiai: l (0, 1, 2, ...) ir m (sveikas skaičius tarp -l ir l). Visų galimų natų su ta pačia l reikšme ir skirtingomis m reikšmėmis, kiekvienos su atitinkama amplitude (kitaip, garsumu), visuma vadinama multipoliu. Pavaizduoti sferines harmonikas galime nuspalvindami sferą pagal atskirų sričių reikšmes. Kai l = 0, visa sfera vibruoja vienodai; kai l = 1, pusė sferos viena kryptimi, pusė kita ir t.t. Šis dipolis turi tris režimus (m=-1; m=0 ir m=1), nusakančius tris statmenas kryptis. Kvadrapolis (l=2) turės jau 5 režimus ir t.t. Į tokias sferines harmonikas galima išskaidyti visus CMB temperatūros svyravimus.

Padėtis dar painesnė, jei paimsime ne vidutinius intensyvumus, o kampinę koreliacijos funkciją, C(…). Įsivaizduokite, kad žiūrite į du dangaus taškus, tarp kurių kampas lygus …. Jūs nustatote, kad vienas jų yra šiltesnis, o kitas šaltesnis nei vidurkis. Tada ta funkcija paskaičiuoja jų temperatūrinių fliuktuacijų koreliaciją. Stebėjimai rodo, kad mūsų Visatai C(…) yra artima nuliui, kai … yra apie 60^o, t.y. tokiu kampu esančios fliuktuacijos beveik nekoreliuoja tarpusavyje. Ir tai konfliktuoja su visais infliacinės Visatos modeliais.

Galimos trys šio konflikto sprendimai. Pirmiausia, tai tik statistinis atsitiktinumas, pavyzdžiui, netikslumai duomenyse didesni nei tikėtasi. Antra, koreliacijos gali būti pasekmė nenumatyto fizikinio efekto, į kurį neatsižvelgė WMAP komanda. Ir pagaliau, tai gali reikšti teorinių prielaidų (modelio) netikslumą. Nemažai tyrinėtojų (vienu pirmųjų 2003 metais buvo G. Efstathiou) laikosi pirmojo varianto, spėdami, kad pataisas į duomenis įnešė mūsiškės Paukščių tako galaktikos emisija.

Tačiau buvo pabandyta panagrinėti ir kitus aspektus. Kiekvienas C_l turi ir kryptį, pvz., dipolis nurodo karštesnę dangaus pusę. Didesnės polių reikšmės turi daugiau informacijos apie kryptis. Tad reikia tikėtis, kad iš surinktų duomenų paskaičiuota informacija apie kryptis duotų bendresnį vaizdą. Tačiau taip nėra. Pirmi neatitikimai pastebėti 2003 m., kai A. de Oliveira-Costa, M. Tegmark, M. Zaldarriaga ir A. Hamilton nustatė, kad kvadrapolių ir oktapolių ašys yra gana artimos (būtent šiose sferinėse harmonikose trūko stiprumo). Tuo tarpu infliaciniai modeliai laiko, kad jos turėtų būti nepriklausomos.

Tais pačiais 2003-aisiais H. K. Eriksen su Oslo universiteto bendradarbiais padalijo dangų į visus įmanomus pusrutulius ir palygino fluktuacijas skirtinguose pusrutuliuose. Pasirodė, kad dažnai pusrutuliai turi pakankamai skirtingus stiprumus – kas vėl prieštarauja infliaciniams Visatos modeliams. Ir įdomiausia, kad didžiausi skirtumai yra pusrutuliuose, esančiuose abipus ekliptikos, plokštumos, kurioje Žemė sukasi aplink Saulę. Tai buvo požymis, kad CMB fliuktuacijos, apie kurias manyta, kad jų kilmė yra kosmologinė (su tam tikrais mūsų galaktikos emisijos papildais), iš tikro, yra priklausomos nuo mūsų Saulės sistemos. Vėlesni tyrinėjimai tokią galimybę tik sustiprino.

Tikėtiniausi du tokios situacijos paaiškinimai. Pirmas, kad klaidinga WMAP prietaisų konstrukcija arba klaidinga jų duomenų analizė. Tačiau COBE palydove buvo sumontuoti kitokie prietaisai, iš kurių duomenų paskaičiuotos panašios koreliacijos. Tad labiau priimtinas yra aiškinimas, kad egzistuoja nežinomas mikrobangų šaltinis arba absorbuotojas – ir jisai kažkaip susijęs su mūsų Saulės sistema (pvz., nežinomas netoliese esantis dulkių debesis). Tačiau ir šis aiškinimas turi trūkumų – kaip tas objektas veikia vieną spektrą, tačiau nedaro įtakos kitiems.

Iš tikro, problema sudėtingesnė. Gali tekti vėl tikrinti teorines prielaidas. Tačiau dabartinės alternatyvos infliacinėms Visatos teorijos nėra patrauklios. Viena jų – kad Visata turi nepaprastai sudėtingą topologiją (pvz., Visata yra baigtinė ir išriesta kaip "baronka" ar riestainis). 2007 m. European Space Agency planavo paleisti "Planck" palydovą, kuris matuotų CMB daugiau dažnių ir didesniu tikslumu. Tai leis tiksliau įvertinti ankstesnius paskaičiavimus.

Parengė Cpt.Astera's Advisor

Papildoma literatūra

1. C. L. Bennett et al. First Year WMAP Observations...// Astrophysical J. Supplemental, vol. 148, 2003
2. L. M. Krauss, M. S. Turner. A Cosmic Conundrum// Sci. Am., vol. 290, vol. 8, Sept. 2004
3. J.-P. Luminet, G. D. Starkman, J. R. Weeks. Is Space Finite?// Sci. Am., vol. 285, no 4, Apr. 1999
4. W. Hu, M. White. The Cosmic Symphony// Sci. Am. Vol. 290, no 2. Feb. 2004

Papildomai skaitykite:
Visatos modeliai
Didysis sprogimas
Sprogimai Visatoje
Laiko ir erdvės atskyrimas
Nepaprastai masyvios ir ryškios
Visatos pirmapradis karštis
Didysis sprogimas ar Didysis atšokimas
Galaktikos judrioji atmosfera
Nepaprastai suderinta Visatos sandara
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Visata: nuo šičia link begalybės
Antigravitacija: praeityje ir dabartyje
Tamsioji materija ir energija
Kosmoso eskadrilės sutiktuvės?
Nepaprasti Visatos skaičiai
Stabilios būsenos teorija
Šaltoji branduolių sintezė
Juodųjų skylių portretas
Antigravitacijos paieškos
Lyginamoji kosmologija
Visatos mechanika
Papildomas matavimas
Nematomumo skydas
Erdvės ratilai

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life. Review of our site in English