Láttad már az ősrobbanás fényét?

0:00 Emlékszel a hangyafocira?

Emlékszel még a hangyafocira? Arra a sercegő, villódzó fekete-fehér hóesésre, ami a régi tévéken jelent meg, ha két csatorna közé tekerted a gombot? Ha igen, akkor láttad a világegyetem legrégebbi fényét. Annak a hóesésnek egy parányi része ugyanis nem a tévé saját áramköreiből és nem a szomszéd hajszárítójából jött, hanem egy olyan jelből, ami közel 14 milliárd éve indult útnak. Akkor, amikor még nem voltak csillagok és galaxisok, és a Föld anyaga szétszórt, izzó gázként lebegett. Ebben a részben megnézzük, mi ez a jel, hogyan mérték ki elképesztő pontossággal, és mit olvasnak ki belőle a csillagászok: a világegyetem összetételét, sőt még az alakját is.

0:38 És azt is, hogy ma is láthatod-e a tévédben. Előre szólok: ma már nem egészen.

0:45 Ez A Föld története, a negyedik rész.

0:58 A világegyetem legrégebbi dokumentuma

Az előző részben láttuk, hogy az anyag és az antianyag nagy megsemmisülése után egy kevés anyag maradt, de rengeteg fény. Ma ennek a fénynek a történetét követjük. Ez a legrégebbi dokumentum, ami a világegyetemről fennmaradt. Rajta vannak azoknak az apró egyenetlenségeknek a nyomai, amelyekből később a galaxisok kinőttek, köztük a mi Tejútrendszerünk is, benne a Nappal és a Földdel.

1:22 Amikor felszállt a köd

1:23 Tekerjünk vissza a kezdet utáni első néhány százezer évbe. A világegyetem ekkor forró, izzó plazma volt: atommagok és szabad elektronok kavargó levese, több ezer fokon. Ebben a levesben a fény nem jutott messzire. Minden fényrészecske szinte azonnal beleütközött egy szabad elektronba, és irányt változtatott. Olyan volt, mint egy sűrű ködben: van fény, minden világít körülötted, mégsem látsz semmit, mert a fény nem tud egyenletesen haladni.

1:50 Aztán nagyjából 380 ezer évvel a kezdet után a világegyetem nagyjából 3000 kelvinre hűlt. A kelvin az abszolút nullától mért fok, és 3000 kelvin nagyjából egy régi villanykörte izzószálának a hőmérséklete. Ekkor az elektronok már annyira lelassultak, hogy az atommagok be tudták fogni őket. Megszülettek az első semleges atomok, a szabad elektronok eltűntek, és a köd felszállt. A fény elindult, és azóta is repül. Ez a fény a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás. Az első részben már szóba került, hogyan bukkantak rá 1965-ben két amerikai rádiócsillagász, Arno Penzias és Robert Wilson. Most azt nézzük meg, mi történt azóta. Amikor ma ezt a fényt figyeljük, olyan, mintha egy felhőtakaró alját néznéd a földről.

2:34 A felhő belsejébe nem látsz bele, csak a széléig. A háttérsugárzás ennek a kozmikus ködnek a széle: mögé fénnyel soha nem láthatunk. Egy apró pontosítás. A fény a kezdet után 380 ezer évvel indult, vagyis nagyjából 13,8 milliárd éve van úton. Ehhez az úthoz képest az a 380 ezer év szinte semmi: ez a fény majdnem olyan öreg, mint maga a világegyetem.

2:57 Miért nem izzik az ég?

2:59 Ha 3000 fokos, izzó fény indult el, miért nem látjuk ma narancssárgán ragyogni az egész eget? Az első néhány millió évben az ég még tényleg derengett, előbb narancsosan, aztán egyre vörösebben. Utána a fény kicsúszott a látható tartományból, és a világegyetem a szem számára elsötétült. Hogy miért? Mert a tér azóta több mint ezerszeresére tágult, és a fény hullámai vele együtt nyúltak meg, mint egy rugó, amit széthúzol. A hullámhossz nagyjából 1 milliméterre nyúlt, a hőmérséklet pedig 2,7 kelvinre esett. Ez mínusz 270 Celsius-fok.

3:34 Ez a fény ma is körülvesz minket. A Föld körüli térben minden köbcentiméterben nagyjából 400 ilyen ősi foton van. A mikrohullámú sütőd is mikrohullámokkal dolgozik, csak sokkal hosszabbakkal, nagyjából 12 centiméteresekkel, és persze sokkal erősebbekkel. A háttérsugárzás ehhez képest hideg, halk suttogás.

3:54 A tökéletes görbe

3:55 Az, hogy egy jel minden irányból egyformán jön, még nem bizonyítja, hogy a kezdetből származik. Ha viszont tényleg egy egykor forró, egyenletes világegyetem fénye, akkor egészen jellegzetes alakja kell, hogy legyen.

4:09 Honnan tudjuk? A COBE mérése

Minden test, ami egyenletesen át van melegedve, a parázstól a csillagokig, egy jellegzetes színképű fényt bocsát ki. A fizikusok ezt feketetest-sugárzásnak hívják. A színkép, vagyis hogy melyik hullámhosszon mennyi fény jön, egyetlen dologtól függ: a hőmérséklettől.

4:26 1989 novemberében a NASA felbocsátotta a COBE műholdat, kifejezetten a háttérsugárzás vizsgálatára. Az egyik műszere, John Mather vezetésével, a sugárzás színképét mérte. 1990 januárjában Mather egy csillagászati konferencián kivetítette az első eredményt. A mérési pontok olyan hibátlanul ültek rá a feketetest-görbére, hogy a teremben tapsvihar tört ki. Az eltérés a tökéletes görbétől később is olyan kicsinek bizonyult, hogy a mérési pontosságon belül nem látszott. Ez gyakorlatilag lezárta a vitát a Nagy Bumm vetélytárs elméleteivel.

5:01 Százezred résznyi foltok

A COBE egy másik műszere, George Smoot vezetésével, valami még izgalmasabbat keresett. 1992-ben bejelentették, hogy a háttérsugárzás nem tökéletesen egyforma. Egyes irányokból egy picit melegebb, másokból egy picit hidegebb. Előbb azonban le kellett vonni egy nagyobb hatást. Az égbolt egyik fele nagyjából ezred résznyivel melegebb a másiknál, mert mi magunk száguldunk ehhez az ősi fényhez képest, nagyjából 370 kilométert másodpercenként. Ez a Naprendszer sebessége a világegyetem hátteréhez viszonyítva. Ha ezt kivonják, maradnak a valódi foltok. Mekkorák? Nagyjából százezred résznyiek. Mintha egy futballpálya méretű, tükörsima lapon milliméteres egyenetlenségeket keresnél.

5:45 Mather és Smoot 2006-ban Nobel-díjat kapott. Ezek az apró egyenetlenségek ugyanis nem mérési hibák voltak. Ezek a magok, amelyekből később minden kinőtt. A kicsit sűrűbb foltokba gyűlt össze a gáz, abból lettek az első csillagok, a galaxisok, és végső soron mi is.

6:01 A világegyetem hangja

És most jön az, amit kevesen ismernek, pedig a kozmológia egyik legszebb része. Az ősi plazmában hang terjedt. Képzeld el azt a forró levest, mielőtt felszállt a köd. Hol egy kicsit sűrűbb, hol egy kicsit ritkább. A sűrűbb helyek a gravitációjukkal még több anyagot húznak magukhoz. A fény nyomása viszont visszalöki az anyagot. A kettő küzdelméből rezgés lesz: összehúzódás, tágulás, összehúzódás. Pontosan így terjed a hang a levegőben is, csak ezek a hullámok nagyjából a fénysebesség felével száguldottak. Amikor a köd felszállt, a hang elhallgatott. A rezgések megdermedtek, mint egy kimerevített videókocka, és ez a pillanatkép van a háttérsugárzás foltjaiba égetve.

6:43 Egy zenész egy hangszer hangjából meg tudja mondani, mekkora és miből készült. A gitár másképp szól, mint a nagybőgő, és ugyanaz a hang is másképp szól fán, mint fémen. A kozmológusok ugyanezt csinálják: a foltok méretéből és erősségéből, a világegyetem felhangjaiból kiolvassák, miből áll a hangszer.

7:00 Egy fok az égen: sík a tér

A legerősebb foltok nagyjából egy fok méretűek az égen, kétszer akkorák, mint a telihold. Ebből a méretből az következik, hogy a tér nagy léptékben, a mérési pontosságon belül, sík. Nem görbül önmagába, mint egy gömb felszíne.

7:13 Honnan tudjuk? Egyre élesebb térképek

7:14 A COBE még elmosódott képet adott. 2001-ben indult a NASA WMAP műholdja, 2009-ben pedig az Európai Űrügynökség Planck űrtávcsöve, amely 2013-ig pásztázta az eget, és máig a legrészletesebb térképet készítette a háttérsugárzásról.

7:30 Előre megjósolták

A legszebb az egészben, hogy ezeket a rezgéseket előre megjósolták. 1970-ben két csoport, az amerikai Jim Peebles és munkatársa, valamint a szovjet Rasid Szunyajev és Jakov Zeldovics, egymástól függetlenül kiszámolta, hogy ha a galaxisok kis egyenetlenségekből nőttek ki, akkor a háttérsugárzásban ilyen hangrezgések nyomának kell lennie.

7:52 Évtizedekkel később a ballonos és a műholdas mérések megtalálták a rezgések csúcsait, úgy, ahogyan az elmélet várta. Peebles 2019-ben Nobel-díjat kapott a kozmológiai munkásságáért.

8:03 Mit árul el a hangszer?

És mit árul el a hangszer? A Planck végső eredményei szerint a világegyetem tartalmának csak nagyjából 5 százaléka olyan közönséges anyag, amiből a csillagok és a bolygók állnak, és te is. Nagyjából 27 százalék sötét anyag, ami nem bocsát ki fényt, de a gravitációja érződik. Erről a hatodik részben lesz szó. A maradék nagyjából 68 százalék a sötét energia, ami a tágulást gyorsítja, és amiről még kevesebbet tudunk. Ez nem egyetlen mérés eredménye. A háttérsugárzásból számolt közönséges anyag mennyisége egyezik azzal, amit a legősibb gázfelhők összetételéből kapunk, ahogyan az előző részben láttuk.

8:41 Repedés a babafotón

8:42 A háttérsugárzás azonban nemcsak válaszokat ad, hanem új kérdéseket is felvet. A Planck adataiból azt is ki lehet számolni, milyen gyorsan kellene ma tágulnia a világegyetemnek. Csakhogy ha ezt a tágulási ütemet közvetlenül mérjük, közeli csillagok és galaxisok segítségével, nagyjából 8 százalékkal nagyobb értéket kapunk. Ez kevésnek tűnik, de a mérések ma már olyan pontosak, hogy a különbséget nehéz egyszerű mérési hibára fogni. Ezt hívják Hubble-feszültségnek. Lehet, hogy valahol egy rejtett hiba lapul a mérésekben. És lehet, hogy egy új fizikai jelenség nyoma. Erről ma is éles vita folyik, és a James Webb űrtávcső mérései sem döntötték még el a kérdést egyértelműen.

9:21 Na és a tévé?

9:23 Most térjünk vissza a hangyafocihoz. Tényleg láttad a háttérsugárzást a régi tévén? Igen, de az csak egy nagyon kicsi része volt a hangyafocinak. Az analóg tévé antennája rádióhullámokat fogott, és ha nem volt adás, akkor is jött valami. A zaj nagy része a tévé saját áramköreiből származott, a hőtől remegő elektronokból. Hozzáadódott a Föld légköre, a Nap, a Tejútrendszer rádiósugárzása, és persze minden, amit az emberi civilizáció valaha kibocsátott. A háttérsugárzás ennek csak egy kis szelete. Egy gyakran idézett becslés szerint nagyjából 1 százalék, más számítások szerint még kevesebb, a tévétől és az antennától függően. Szemmel persze nem lehetett kiválogatni, melyik pötty az ősi fény.

10:03 A régi tévé a tetőantennával tehát akaratlanul egy nagyon rossz, de működő rádiótávcső volt.

10:08 És ma is láthatod?

És ma is láthatod? Ma már nem egészen. Magyarországon 2013. október 31-én kapcsolták le végleg az analóg földfelszíni tévéadást. A mai digitális készülékek, ha nincs jel, nem hangyafocit mutatnak, hanem egy üzenetet, hogy nincs jel. A háttérsugárzás persze ugyanúgy ott van, csak a készülék már nem mutatja meg. Ha viszont egy padláson még lapul egy régi analóg tévé és egy szobaantenna, és bekapcsolod, a hangyafoci egy része ma is ugyanaz az ősi fény lesz.

10:36 Mit tudunk?

Mit tudunk tehát? Tudjuk, hogy 380 ezer évvel a kezdet után a világegyetem átlátszóvá vált, és az akkor elindult fény ma 2,7 kelvines mikrohullámként érkezik minden irányból. Tudjuk, hogy a színképe tökéletes feketetest-sugárzás, és hogy százezred résznyi foltjaiban egy egész világegyetem receptje van. És tudjuk azt is, hogy ez a recept nem egyezik tökéletesen azzal, amit a mai világegyetemben mérünk. Ez nem kudarc, hanem a következő nagy felfedezés lehetséges helye. Ha a világegyetem egy százéves ember lenne, a háttérsugárzás az a fotó volna, ami az első napján készült róla. Minden, ami azóta történt, a galaxisok, a csillagok, a Föld és te, abban a fotóban van elrejtve, apró, százezred résznyi foltok formájában.

11:20 A következő részben

Miután a köd felszállt, a világegyetem elsötétült. Nem voltak csillagok, csak hűlő gáz és láthatatlan anyag, nagyjából százmillió éven át. Aztán valahol a sötétben a gáz összehúzódott, felforrósodott, és felragyogott az első csillag. De az első csillagok nem olyanok voltak, mint a Nap. A legtöbb modell szerint sokkal nagyobb tömegűek, vakítóan forrók, és pár millió év alatt kiégtek. Egyiküket sem látta még senki biztosan, de a James Webb űrtávcső már a nyomukban jár. A következő részben megismerkedünk velük: a kezdet óriásai.