Tíz évnél régebben a csillagászok a világegyetem hőmérsékletének mérése közben valami furcsát találtak. Felfedezték, hogy egy 20 hold szélességű égboltfolt szokatlanul hideg volt.
A csillagászok az egész univerzumot beborító mikrohullámú sugárzást mérték, amely az ősrobbanás izzó maradványa. Ha ezt a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást, vagy CMB-t nézzük, akkor az ősegyetembe pillanthatunk be, egy olyan időbe, amikor az kevesebb mint 400 000 éves volt.
Ami most a legfőbb hipotézisnek tűnik, az egy kozmikus szuperagy
A CMB betakarja az eget, és mindenhol nagyjából ugyanúgy néz ki, 2,725 kelvines, gyengén hideg hőmérsékleten parázslik – csak néhány fokkal melegebb, mint az abszolút nulla. A csillagászok azonban az újonnan felbocsátott WMAP műholddal felfegyverkezve olyan apró hőmérséklet-változások vizsgálatát tűzték ki célul, mint a 100 000-ből egy rész. Ezek a véletlenszerű ingadozások, amelyek az ősrobbanás után fél perccel a világegyetem kvantumhabjából születtek, segítenek a tudósoknak megérteni, hogy miből áll a kozmosz, és hogyan jött létre.
Az ingadozások közül kiemelkedett egy hideg pont. Az évek során a csillagászok mindenféle ötlettel előálltak ennek magyarázatára, a műszerhibától kezdve a párhuzamos univerzumokig. Most azonban egy fő gyanúsítottat találtak: egy hatalmas üres üreget, az úgynevezett kozmikus szuperüres teret, amely olyan nagy, hogy ez lehet a világegyetem legnagyobb struktúrája.
Az elmélet szerint egy ilyen hatalmas üresség, amelyben egyetlen csillag vagy galaxis sem létezik, fagyos nyomot hagyhat a CMB-n. A rejtélyre adott válasz tehát lehet, hogy egyszerűen egy csomó semmi. Mégis maradnak rejtélyek, és az ügy korántsem lezárt.
Hogyan lehet hideg foltot csinálni
A hideg folt nem az egyetlen furcsa dolog a CMB-ben. A tudósok több más ilyen anomáliát is találtak – például az égbolt egyik feléről érkező jelek kissé erősebbnek tűnnek, mint a másik feléről. A kozmológia standard elmélete, amely egyébként prófétikusan jósolta meg a CMB részleteit, nem tudja teljesen megmagyarázni ezeket a furcsaságokat, amelyek közül a hideg folt az egyik legkiemelkedőbb.
Egy igazán nagy folt egyfajta torzító lencseként működhet
A legegyszerűbb magyarázat az anomáliákra, hogy ezek véletlenek, a véletlen műtárgyai a CMB véletlenszerű hőmérséklet-ingadozásai között. Ha százszor feldobsz egy érmét, mindig van rá esély, hogy 20, 30 vagy akár 50 fejet kapsz egymás után. A tudósok számára az a kihívás, hogy kiderítsék, hogy ezek az anomáliák a szerencsének vagy a súlyozott érmének köszönhetőek. Ami a hideg foltot illeti, az adatok azt mutatják, hogy annak a valószínűsége, hogy véletlenről van szó, egy a 200-hoz. Nem lehetetlen, de nem is valószínű.
Néhány tudós azt állította, hogy a hideg foltot műszerhiba vagy az adatok elemzésének módja okozta. 2013-ban azonban a Planck műhold új megfigyelései megerősítették a hideg folt korábbi észleléseit. És ez magyarázatot követelt.
Az, ami most a legfőbb hipotézisnek számít, egy kozmikus szuperoid. A kozmosz összes anyaga – galaxisok és láthatatlan sötét anyag – lapok, indák és szálak hatalmas hálójában húzódik az űrben. Közöttük üres zsebek vannak, amelyeket ürességnek neveznek, és amelyeknek sokféle alakjuk és méretük van. Egy igazán nagy üresség egyfajta torzító lencseként működhet, ami miatt a CMB hűvösebbnek tűnik, mint amilyen valójában.
Míg egy foton egy ürességben száguldozik, a világegyetem egyre gyorsabban és gyorsabban tágul
Az ok a következő: Amikor a fény áthalad az ürességen, energiát veszít, és frekvenciája csökken, a spektrum alacsonyabb frekvenciájú, vörösebb vége felé tolódik el. Mint a legtöbb dolog, a fény is ki van téve a gravitáció hatásának, amely útjuk során hathat a fotonokra. Az üresség belsejében azonban az anyaghiány miatt alig van gravitáció, amely befolyásolhatná a fényt. Egy foton számára az ürességen való átrepülés olyan, mintha egy dombon mászna át. És a mászás energiát igényel.
De a foton visszakaphatja ezt az energiát. Amint kilép az ürességből, újra anyaggal körülvéve találja magát, és a gravitációs hatás elég ahhoz, hogy magához húzza, és visszaadja neki az elvesztett energiát.
Hogy a foton energiát veszítsen, ahhoz a világegyetem felgyorsult tágulására van szükség. Amíg egy foton az ürességben száguldozik, addig a világegyetem egyre gyorsabban és gyorsabban tágul. Mire a foton elhagyja az űrt, azt tapasztalja, hogy – ennek a kozmikus nyúlásnak köszönhetően – az összes anyag szétterült. Mivel az anyag most szélesebb körben oszlik el, gravitációs hatása nem olyan erős. Nem tudja ugyanolyan erővel vonzani a fotont, mint korábban, és a foton nem tudja visszanyerni azt az energiát, amivel korábban rendelkezett.
Lehet, hogy kevesebb mint 3 milliárd fényévre van egy üresség
A fizikusok már az 1960-as évek végén kidolgozták ezt a jelenséget, de senki sem figyelte meg ténylegesen. A hidegfolt felfedezése után azonban az olyan csillagászok, mint Szapudi István a Hawaii Egyetemről, elkezdték keresni ennek a viselkedésnek a bizonyítékát, amelyet integrált Sachs-Wolfe- vagy ISW-hatásnak neveznek. 2008-ban meg is találta.
A csodálatos szuperüreg
Szapudi nem tudta azonosítani a CMB-n lenyomatot hagyó egyes üregeket – ehhez nem álltak rendelkezésére az adatok. Ehelyett ő és csapata 100 üres tér és galaxishalmaz statisztikai elemzésével kerestek egy általános ISW-hatást, amelyek gravitációs súlya melegítő hatást kelt és forró foltokat hagy a CMB-ben. A kutatók valódi ISW-hatást találtak, amely átlagosan körülbelül 10 milliomod kelvinnel, azaz 10 mikrokelvinnel változtatja meg a CMB hőmérsékletét.
A hideg folthoz képest, amely körülbelül 70 mikrokelvinnel hidegebb, mint a CMB átlaga, a hatás kicsi. De a lényeg az volt, hogy megmutassuk, hogy az üregek hideg foltokat hozhatnak létre. Ha egy üresség elég nagy lenne, elképzelhető, hogy létrehozhatná a hideg foltot. “Ha ez a hideg folt a legnagyobb anomália a CMB-ben, az nagyon is lehet egy hatalmas űr jele – egy nagyon ritka űré az univerzumban” – mondja Szapudi. “Ezért gondoltam, hogy most meg kellene keresnünk.”
Az űr hatalmas. Sugara 220 megaparsec
Az első próbálkozás 2010-ben üresnek bizonyult. De az adatok korlátozottak voltak, csak néhány pontra terjedtek ki a folton belül. Érdekes módon az eredmények azt is kimutatták, hogy kevesebb mint 3 milliárd fényévnyire lehet egy üresség.
Múlt évben ő és csapata újra próbálkozott, ezúttal rengeteg több adattal, több mint 200-szor nagyobb égboltot lefedve és az egész hideg foltot felölelve. Ennyivel nagyobb – több ezer galaxisból álló – lefedettséggel a korábbi utalások jóhiszemű ürességgé olvadtak össze. Az adatok egyértelműek voltak. “Teljesen biztosak vagyunk benne, hogy van egy üresség” – mondja Szapudi. “A házamat tenném rá.”
És az űr hatalmas. Sugara 220 megaparsec, azaz több mint 700 millió fényév, ami az egyik legnagyobb – ha nem a legnagyobb – fizikai struktúrává teszi az univerzumban.
Egy ekkora üresség szokatlan, talán csak egy maroknyi létezik belőle, mondja Szapudi. Az, hogy egy ilyen ritka üresség átfedi a hideg foltot – ami maga is egy másik ritkaság – túlságosan valószínűtlennek tűnik ahhoz, hogy puszta véletlen legyen. Szerinte sokkal valószínűbb, hogy az üresség okozza a hidegfoltot. Számításai szerint ez a forgatókönyv 20 000-szer valószínűbb, mintha a két objektum csak úgy véletlenül egybeesne.
Mások még nem biztosak benne. Az olyan csillagászok számára, mint Patricio Vielva a spanyolországi Cantabriai Egyetemről, aki 2004-ben a hideg folt felfedezését vezette, még mindig kérdéses az üresség ritkasága. Ha kiderül, hogy az ilyen ürességek sokkal elterjedtebbek, akkor ez az együttállás nem is lenne annyira figyelemre méltó. Talán csak véletlen egybeesésről van szó. Éppen ezért a kutatóknak több adatra van szükségük ahhoz, hogy felmérhessék, mennyire ritkák ezek a szuperüres terek. “Jelenleg azt hiszem, ez az egyik legfontosabb dolog, amit meg kell állapítani” – mondja Vielva.”
Nem elég hideg
De van egy nagyobb probléma is.”
A szuperüres tér nem tudja eléggé lehűteni a CMB-t. Egy ekkora szuperoid csak 20 mikrokelvinre tudja lehűteni a CMB-t. A hidegfolt viszont átlagosan 70 mikrokelvinnel hidegebb. Egyes pontokon a hőmérsékletcsökkenés 140 mikrokelvin.
Az eltérés egyik lehetséges oka az, hogy az üresség valójában nagyobb a mértnél. Ha így lenne, akkor az ISW hatása erősebb lenne. Szapudi méréseinek bizonytalanságait figyelembe véve az üresség sugara akár 270 megaparsecig is terjedhet. Mégis, Vielva szerint, még ez sem elég nagy ahhoz, hogy magyarázatot adjon a hideg foltra.
Sőt, a kozmológia jelenlegi elméletei szerint a világegyetem talán nem is képes kialakítani egy elég nagy ürességet. “A probléma az, hogy az a fajta üresség, ami ehhez a hatáshoz szükséges, nem létezik” – mondja Vielva.
A további megfigyelések lehetővé teszik a csillagászok számára, hogy pontosabb méréseket kapjanak a szuperüreg méretéről és tulajdonságairól
De ha nem üresség, akkor mi? Lehet, mondja Vielva, hogy a hideg foltot egy kozmológiai textúra okozza, egy hiba a világegyetemben, hasonlóan a jégben található repedésekhez vagy foltokhoz. Ahogy a korai világegyetem fejlődött, egy fázisátalakuláson ment keresztül, hasonlóan ahhoz, ami a víz megfagyásakor történik, amikor folyékonyból szilárddá válik. A jégben akkor keletkeznek hibák, amikor a vízmolekulák nem állnak egy vonalban. Az univerzumban is előfordulhatnak textúrák. 2007-ben Vielva segített megmutatni, hogy ha létezik textúra, akkor az ISW-effektus révén létrehozhatja a hideg foltot.
A textúrák azonban spekulatívak, és senki sem látott bizonyítékot a létezésükre. “A textúrák szép ötlet, de fogalmunk sincs arról, hogy ezek a dolgok reálisak-e vagy sem” – mondja Rien van de Weijgaert, a hollandiai Groningeni Egyetem csillagásza.
A legtöbb csillagász számára – mondja van de Weijgaert – még mindig egy szuperoid tűnik a legjobb magyarázatnak. “Mostanra ez tekinthető az egyik leghihetőbb lehetőségnek” – mondja. “A hatás nagysága az, amivel kapcsolatban lehetnek kérdéseink, de nem hihetetlen.”
Az biztos, hogy az üresség hipotézis mindenképpen érdekes, mondja Vielva. De a hőmérsékleti eltérést előbb fel kell oldani.”
Csak még nem tudjuk a történet végét. Szerintem senki sem tudja
Még több adat segítene. Például a több megfigyelés lehetővé tenné a csillagászok számára, hogy pontosabb méréseket kapjanak a szuperoid méretéről és tulajdonságairól. Azt is felfedhetik, hogy van-e egy kisebb üresség az előtérben, ami segíthet a CMB hűtésében. Lehet, hogy a hideg folt azért ilyen frigid, mert a szuperoid történetesen a CMB egy olyan régiója előtt van, amely már most is egy kicsit hidegebb a normálisnál.
Még ha a számok most nem is állnak össze, ez még nem ok az aggodalomra. “Ezen a ponton, mivel a bizonytalanságok olyan nagyok, nem szabad emiatt sokat aludni” – mondja Carlos Frenk, az angliai Durham Egyetem asztrofizikusa. Az a gyanúja, hogy további adatokkal és elemzésekkel a szupermagasság fog kiderülni, mint a helyes válasz. “Könnyen lehet, hogy minden szépen a helyére kerül” – mondja.”
Ha így van, akkor a hideg folt az első mérés, amely egy olyan objektumot – egy szuperoidot – mutat, amely az ISW-effektuson keresztül nyomot hagy a CMB-ben. Ez részben azért jelentős, mert a szuperoid egyszerűen olyan hatalmas. A szuperoid más szempontból is fontos lehet: “Van még egy lehetőségünk a sötét energia tanulmányozására, ami a legkülönösebb dolog az univerzumban” – mondja Szapudi.”
Az ISW-effektus csak azért működik, mert az univerzum egyre gyorsabban tágul, és a kozmoszt szétfeszítő titokzatos erő a sötét energia. Az ISW-hatás mérésével a kutatók a szuperoidból kiindulva szondázhatják a sötét energia hatását – és jobban megérthetik, hogyan viselkedik és mi az.