24.10.2019
PL EN
06.08.2019 aktualizacja 06.08.2019
Katarzyna Florencka
Katarzyna Florencka

Śladami dzieciństwa Wszechświata

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Poszukiwanie fal grawitacyjnych będących pozostałością po zachodzącym na początku istnienia Wszechświata procesie, który mógł przypominać... wrzenie wody - to cel badań, w które angażuje się polska fizyczka teoretyczna, dr Bogumiła Świeżewska.

Tuż po Wielkim Wybuchu, na samym początku istnienia, Wszechświat nie przypominał miejsca, które znamy z naszego doświadczenia. Nie było tam gwiazd, planet czy jakichkolwiek innych skupisk materii: zamiast tego, wypełniała go gorąca plazma złożona z cząstek elementarnych. Nawet światło nie mogło wówczas podróżować na duże odległości, ponieważ swobodne elektrony mogły oddziaływać z fotonami - a w szczególności je rozpraszać.

Stan ten uległ zmianie dopiero około 379 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Elektrony i protony połączyły się wówczas w tzw. procesie rekombinacji, tworząc atomy wodoru. Dowodem na to jest zaobserwowane jeszcze w latach 50. mikrofalowe promieniowanie tła - czyli promieniowanie elektromagnetyczne będące pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Ten moment to równocześnie granica możliwości obserwacyjnych tradycyjnych radioteleskopów.

Od pewnego czasu dysponujemy jednak innym, zupełnie dla nas nowym oknem na Wszechświat - mowa tutaj o możliwości wykrywania fal grawitacyjnych. Możliwe, że dzięki temu już za kilkanaście lat naukowcy zdołają wykryć fale grawitacyjne powstałe w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata. Poszukiwania te mają być prowadzone od ok. 2034 r. przez umieszczony w przestrzeni kosmicznej detektor LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

"Mamy nadzieję, że będzie to przełom, który pozwoli nam +usłyszeć+, co wydarzyło się za zasłoną mikrofalowego promieniowania tła" - tłumaczy w rozmowie z PAP dr Bogumiła Świeżewska, fizyczka teoretyczna zajmująca się - jak to sama określa - "dzieciństwem Wszechświata".

Spośród wielu wydarzeń, które w tymże dzieciństwie miały miejsce, polską badaczkę szczególnie zainteresował proces pozyskania masy przez cząstki elementarne. "Z naszego aktualnego stanu wiedzy wynika, że większość obserwowanych przez nas cząstek elementarnych masę nabywa poprzez wejście w oddziaływanie z tzw. polem Higgsa" - tłumaczy dr Świeżewska.

"Istniejące dzisiaj pole Higgsa można sobie wyobrazić jako gęsty kisiel, który spowalnia poruszające się w nim cząstki - dzięki temu zachowują się one, jakby były ciężkie, miały dużą masę. Jeśli natomiast z jakiegoś powodu to pole miałoby stać się rzadkie, to cząstki te zaczęłyby się swobodnie poruszać - zupełnie jakby nie ograniczała ich żadna masa" - opowiada badaczka.

Według przewidywań teoretycznych, w bardzo wczesnym Wszechświecie pole Higgsa miało zupełnie inne niż dzisiaj właściwości i nie było w stanie "dać masy" znajdującym się w nim cząstkom. Dopiero po pewnym czasie, kiedy Wszechświat zaczął rozszerzać się i stopniowo stygnąć, właściwości tego pola uległy zmianie. W pewnym momencie (fizycy oceniają, że miało to miejsce ok. 9 pikosekund po Wielkim Wybuchu) pole Higgsa ostatecznie zgęstniało, a cząstki zaczęły zachowywać się, jakby miały masę.

Kluczowe jest jednak pytanie, jak ten proces wyglądał - może to być bowiem kolejny dowód braków Modelu Standardowego, podstawowej teorii opisującej cząstki elementarne i oddziaływania między nimi.

Według przewidywań Modelu Standardowego, przemiana ta zaszła "gładko": rzadkie pole po prostu stopniowo zgęstniało. Zupełne inna jest jednak wizja wyłaniająca się z niektórych teorii rozszerzających Model Standardowy.

"Przewidują one, że właściwości pola Higgsa zmieniały się skokowo. W niektórych rejonach Wszechświata cząstki już miały masę, w innych jeszcze nie" - mówi dr Świeżewska. "Możemy to porównać do wrzenia wody: w pojemniku wypełnionym gotującą się wodą występuje w tej samej chwili woda o bardzo różnych właściwościach: w stanie ciekłym i gazowym. W miarę upływu czasu pojawia się coraz więcej bąbli wypełnionych gazem - aż do momentu, kiedy cała woda wyparuje".

Według założeń naukowców, tak właśnie mógł wyglądać proces gęstnienia pola Higgsa we wczesnym Wszechświecie. Główna różnica pomiędzy tym procesem a jego analogią polega jednak na tym, że aby doprowadzić wodę do wrzenia, trzeba ją podgrzać, czyli dodać energię. Proces gęstnienia pola Higgsa miałby działać odwrotnie: wraz z rozszerzaniem się bąbli energia byłaby uwalniana.

Pozostałością po tak gwałtownie uwalnianej energii miałyby być właśnie fale grawitacyjne. Jak tłumaczy dr Świeżewska, od fal obserwowanych dotychczas powinna je różnić przede wszystkim częstotliwość - dlatego też niezbędne są dokładne przewidywania teoretyczne, pozwalające jak najlepiej interpretować dane eksperymentalne.

Jeśli przewidywania się potwierdzą i uda się takie fale grawitacyjne zaobserwować, będzie to dla fizyków bardzo ważny trop. "Dostalibyśmy do ręki kolejny dowód na to, że +czysty+ Model Standardowy nie jest poprawny oraz otrzymalibyśmy wskazówkę, w którym kierunku szukać fundamentalnej teorii" - podkreśla badaczka.

Równocześnie przyznaje, że fascynujący dla niej byłby też sam fakt zaobserwowania czegoś, co wydarzyło się na samym początku istnienia Wszechświata. "Wspaniale byłoby uzyskać konkretną odpowiedź na pytanie, co się wtedy działo!" - podkreśla.

PAP - Nauka w Polsce, Katarzyna Florencka

kflo/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2019