33. Reliktní záření

Kilogram  Blýskání  Zastavujeme světlo

Reliktní záření je v současnosti nejdůležitějším zdrojem informací o raném vesmíru. Jde o elektromagnetické záření s vlnovou délkou přibližně jeden milimetr, které prostupuje celý vesmír. Nachází se všude kolem nás, ale naše smysly ho nedokážou vnímat – oko je totiž na mikrovlny necitlivé. Reliktní záření je se svou teplotou pouhých 2,73 K mrazivým svědkem dob dávno minulých. Tak jako je ve zkamenělinách otisknuta informace o druhohorním světě, je i v tomto záření zaznamenán samý počátek světa, který je naším domovem.

Dnes víme, že vesmír byl ve svých počátcích mimořádně hustý a horký. Postupně se rozpínal, a jak chladnul, vytvářely se v něm stále složitější a složitější struktury. V čase pouhých deseti mikrosekund se ve vesmíru vytvořily neutrony a protony. V čase několika minut se neutrony a protony spojovaly v lehká atomární jádra. V čase 400 000 roků vesmír zchladnul na pouhé 4 000 °C. A právě v tomto období skončila éra volných elektronů. Elektrony vytvořily atomární obaly kolem jader. Vznik prvních atomů byl provázen velkolepou změnou. Před zformováním obalů byl vesmír v plazmatickém skupenství. Vytvoření atomárních obalů znamenalo fázový přechod z plazmatického do plynného skupenství. Plazma je pro světlo neprůhledné, fotony jsou v divokém reji srážek zachytávány nabitými elektrony a opět vyzařovány. Po vzniku obalů byla látka pro světlo najednou průhledná. Říkáme, že se světlo oddělilo od látky a započalo svou samostatnou pouť vesmírem.

Jaký byl další osud světla, které se oddělilo od látky? V době svého vzniku šlo skutečně o světlo na hranici viditelného a infračerveného oboru s vlnovou délkou kolem 700 nm. Vlnová délka světla sleduje expanzi vesmíru a prodlužuje se spolu s ní. Dnes uplynulo od okamžiku oddělení reliktního záření přes 13 miliard roků a vlnová délka se natáhla na jeden milimetr. Původně červené světlo dnes září v mikrovlnné oblasti. Pohled na reliktní záření znamená pohled na samotný konec Velkého třesku a je obrovskou výzvou pro lidstvo. V tomto poslu dávných časů se skrývají odpovědi na naše otázky o počátku světa.

O důsledcích horkého počátku vesmíru poprvé uvažoval George Gamow spolu s Ralphem Alpherem a Rogerem Hermanem. Jako první si uvědomili, že při tvorbě atomárních obalů došlo k oddělení světla od látky a předpověděli tak existenci reliktního záření. Psal se rok 1948, bylo po druhé světové válce a díky leteckým bitvám byla technika detekce radiových vln a mikrovln na velmi vysoké úrovni. V té době byla ale myšlenka existence reliktního záření považována za natolik šílenou, že se o jeho nalezení nikdo ani nepokusil.

Na objev reliktního záření si lidstvo muselo počkat až do roku 1965. Tehdy v Bellových telefonních laboratořích v New Jersey rozhodli, že vysloužilá trychtýřovitá anténa, původně určená pro práci s telekomunikační družicí Echo, bude využita k pozorování oblohy v radiovém oboru. Arno Penzias a Robert Wilson se už při prvních testech antény potýkali s velkým šumem. Záhy zjistili, že tento šum přichází rovnoměrně z celého vesmíru. Za objev reliktního záření získali Penzias a Wilson Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1978.
Podrobný průzkum reliktního záření provedla až americká družice COBE z roku 1989. Její jméno je zkratkou z anglického COsmic Background Explorer, což bychom mohli přeložit jako „Výzkumník kosmického pozadí“. Družice COBE byla reliktnímu záření šitá na míru. Přístroje družice musely být pečlivě chlazené kapalným héliem, aby se potlačil jejich vlastní šum. V průběhu prvních osmi minut provozu proměřila COBE spektrum reliktního záření a zjistila, že má teplotu 2,73 K. Na mapě intenzity reliktního záření, pořízené družicí COBE v roce 1992, se nacházejí chladnější a teplejší oblasti. Odchylky od průměrné hodnoty jsou asi 1/100 000 K. Právě tyto drobné flíčky v reliktním záření přinášejí nejcennější informace. Jsou jakýmsi pradávným otiskem struktur z období vzniku reliktního záření. Mnohem později se z těchto zárodečných shluků vytvořily galaxie a kupy galaxií. Dnes víme, že průměrná velikost těchto flíčků je jeden úhlový stupeň, což je přibližně dvojnásobek průměru Měsíce. Podrobným studiem reliktního záření můžeme zjistit stáří vesmíru, jeho zakřivení, složení i další parametry.

Družice COBE představovala naprostý průlom v lidském poznání. Poprvé v historii se lidé podívali na struktury ve vesmíru v jejich samotných zárodcích, na struktury staré pouhých 400 000 roků. Nobelova cena za fyziku pro rok 2006 byla proto udělena autorům tohoto experimentu, Johnu Matherovi a Georgi Smootovi, zcela oprávněně.

Dalšími mezníky ve výzkumu reliktního záření se staly sondy WMAP z roku 2001 a Planck z roku 2009. Obě jsou umístěny 1,5 milionu kilometrů za Zemí ve směru od Slunce. V tomto místě jsou vyrovnány gravitační a odstředivé síly působící na sondy.

Pečlivá analýza reliktního záření umožnila poznat přesně stáří vesmíru, jeho složení, křivost a prohlédnout si první rodící se struktury. Z měření polarizace reliktního záření bylo možné poodhalit roušku tajemství vzniku prvních hvězd. Reliktní záření nám umožňuje dozvědět se zásadní informace o minulosti a možná i o budoucnosti našeho vesmíru.

Archiv Českého rozhlasu