Kozmikus kettős törés: újabb döbbenetes kérdőjel az univerzum keletkezéséről

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (CMB) vizsgáló csillagászok bizonyítékokat találtak egy olyan rendkívül furcsa jelenségre, aminek az értelmezéséhez, illetve a magyarázatához új fizikára lehet szükség. Az először 2020-ban felfedezett úgynevezett kozmikus kettős törés jelensége arra utal, hogy az univerzum keletkezésére vonatkozó és jelenleg legáltalánosabban elfogadott kozmológiai modell, az ősrobbanás elmélete messze nem tár fel mindent arról, amit a világegyetem keletkezéséről jelenleg tudunk.

Az univerzum keletkezésével kapcsolatban még sok a nyitott kérdés Fotó: NASA

A kozmikus kettős törés jelensége, amit csak nemrég fedeztek fel a csillagászok, azt mutatja, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, ami az ősrobbanás maradványaként egyenletesen tölti ki a világegyetemet, másként viselkedik, mint ahogy a kozmológia standard modellje szerint kellene viselkednie.

   A kozmikus kettős törés a mikrohullámú háttérsugárzás egyik megmagyarázhatatlan jelensége. A kép a mikrohullámú háttérsugárzás eloszlását mutatja az univerzumban
Fotó: NASA / WMAP Science Team

Kozmikus kettős törés: egy új anomália forgathatja fel a jelenlegi modelleket

A világegyetemről alkotott ismereteink szerint a KMHz-spektrum a világmindenség legkorábbi fényéből visszamaradt halvány és közel egyenletes sugárzás. A fény körülbelül 380 000 évvel az ősrobbanás után szabadult fel, amikor a fiatal univerzum végre annyira lehűlt, hogy az atommagok és az elektronok atomokká állhattak össze, lehetővé téve ezzel a fény szétterjedését és az univerzum átlátszóvá válását.

Az univerzum története az ősrobbanástól kezdve  Fotó: ELTE

„A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás a legtávolabbi és legrégebbi fény, amit egy távcső képes érzékelni. Lehetetlen tovább látni a fény felszabadulásának idején túlra, mert akkoriban az univerzum még teljesen átlátszatlan volt” – magyarázza az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA). „A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás a lehető legközelebb viszi a csillagászokat az ősrobbanáshoz, és jelenleg ez az egyik legígéretesebb módja annak, hogy megértsük az univerzum születését és fejlődését, amelyben élünk” – írják az ESA szaktudósai, akiket az Ilf Science tudományos hírportál idéz.

A mikrohullámú háttérsugárzás az egész teret kitölti   Fotó: NASA/JPL-Caltech

Pozitívumként említhető, hogy ez a sugárzás halványan érzékelhető és áthatja az egész ismert univerzumot, ezért lehetséges a tanulmányozása is.

Az egész univerzumot kitöltő elektromágneses sugárzás, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás tekinthető az ősrobbanás egyik legfontosabb empirikus bizonyítékának. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás energiaeloszlása a 2,75 kelvin hőmérsékletű feketetest-sugárzásának felel meg, amelynek maximuma a mikrohullámú frekvenciatartományba esik: 160,4 GHz-nél, vagyis 1,9 mm-es hullámhossznál található. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást, mint az ősrobbanás maradványának létezését először George Gamow amerikai elméleti fizikus jósolta meg teoretikusan, 1947-ben. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást 1964-ben Arno Penzias és Robert Wilson fedezte fel, bizonyítékot szolgáltatva Gamow elméletének helyességére.

Ráadásul úgy tűnik, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás elég jól elhelyezhető a világegyetem történetének a fejlődési vonalába, és ugyancsak jól összhangba hozható az univerzumról alkotott kozmológiai modelljeinkkel. 

Penzias és Wilson a mikrohullámú háttérsugárzást felfedező rádióteleszkópjuknál  Fotó: NASA/ Headquarters

Ám létezik néhány olyan anomália is, ami arra utal, hogy még mindig vannak megfejtésre és magyarázatra váró rejtélyek a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzással  kapcsolatban. Ilyen például a kozmikus dipólus anomália, vagy ennél prózaibb és kevésbé tudományos elnevezésével a „gonosz tengelye”, ami komoly és megoldhatatlannak látszó fejtörést okoz az asztrofizikusok számára.

Kissé elfordult a mikrohullámú háttérsugárzás azóta, hogy elkezdett terjedni az univerzumban

2020-ban a tudósok egy olyan új és mindaddig ismeretlen jelenségről számoltak be, amit „kozmikus kettős törésként” emlegetnek. A polarizáció az a folyamat, melynek során a fényhullám oszcillációi egyetlen síkra korlátozódnak és ami merőleges a terjedési irányra. Általában ez a fajta polarizáció ugyanabban az irányban marad, amikor a fény áthalad a kozmikus téren. 

Az aktív galaxismagok általában polarizált sugárzást bocsátanak ki   Fotó: NASA/JPL-Caltech

A csillagok által kibocsátott sugárzás általában polarizálatlan, de az aktív galaxismagokban erős rádióhullámokat kibocsátó objektumok vagy például a pulzárok sugárzása polarizált. Bizonyos esetekben a normál csillagok fénye is polarizálódhat a szóródás vagy a Faraday-forgás következtében létrejött csillagközi mágneses tér miatt. Az asztrofizikusok a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás polarizációjából tudnak következtetéseket levonni az egészen korai univerzum fizikájára.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást vizsgálva és összehasonlítva a Tejútrendszerben sokkal közelebb lévő csillagközi porfelhők által szórt fénnyel a tudóscsoport bizonyítékot talált arra, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás kissé elfordult azóta, hogy az univerzum korai időszakában, a világegyetem átlátszóvá válásától számítva elkezdett terjedni a táguló kozmikus térben. Az elfordulás csak nagyon csekély, amelynek mértékét az első tanulmány körülbelül 0,3 fokos értékre tette. Egy 2025 szeptemberében megjelent és az Atacama kozmológiai teleszkóp polarizációs adatait felhasználó előzetes tanulmány azonban a korábbi kutatás eredményét pontosítva 0,215 fokra teszi az elhajlás szögét.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás az ősrobbanás maradványa   Fotó: University of Copenhagen

Noha első ránézésre ez az érték sem tűnhet túl jelentősnek, de még ez az enyhe elfordulási szög is teljesen megmagyarázhatatlan jelenség a standard modellben, 

ez pedig akár egy új fizika szükségességét is felvetheti.

„A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás polarizált fénye érzékeny az új fizikai jelenségekre, amelyek megsértik a paritásszimmetriát” – magyarázza a kutatócsoport a tanulmányában. „Például a fotonok kölcsönhatása a megfoghatatlan sötét anyag és sötét energia mezőivel a lineáris polarizáció síkjának egyenletes elfordulását okozhatja az égbolton” – hangsúlyozzák a tudósok. Egy másik új és még nem lektorált, az arXiv preprint szerverre feltöltött előzetes tanulmány szerzői azt sugallják, hogy az „axionok”, vagyis az axionszerű részecskék néven ismert sötétanyag-jelölt jelentheti a megoldást a jelenlegi standard modellel megmagyarázhatatlan jelenségre.

A sötét anyag és a sötét energia eloszlása az univerzumban    Fotó: TrendinTech

„Az axionszerű részecskék (ALP-k), mint ígéretes sötétanyag-jelöltek, egyedülálló előnyökkel rendelkeznek az ehhez hasonló jelenségek természetes magyarázatához” – írja a kutatócsoport a tanulmányában. „Eredményeink azt mutatják, hogy két különböző tömegű ALP-mező szuperpozíciója enyhítheti a kimosódási hatás által előírt korlátokat, és összeegyeztethető a megfigyelésekkel is” – hangsúlyozzák a tanulmány szerzői. 

További vizsgálatokra lesz szükség a kozmikus kettős törés létezésének alátámasztására 

és annak meghatározására, hogy a KMH mennyit fordult el a kibocsátása óta. Csak ezután kezdhetjük el kitalálni, hogy mindez mit  jelent a jelenlegi fizika és a standard modell számára – vélik a tanulmányt jegyző tudósok.

Még mindig nem tudjuk, hogy mi történhetett az ősrobbanás pillanatában

A világegyetem megszületése utáni legkorábbi pillanatokra, így különösen az inflációs fázisra és az ezt követő úgynevezett Planck-időre – amelyek az emberi elme számára felfoghatatlanul rövid, egyetlen másodperc sok milliomod részének megfelelő szakaszok – nincs igazán jó fizikai modellünk. Albert Einstein általános relativitáselmélete, ami a gravitációt mint a téridő görbültségének geometriáját, illetve következményét írja le, az univerzum nulladik pillanatára egy gravitációs szingularitást jósol.

Albert Einstein, az általános relativitáselmélet megalkotója   Fotó: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

Az ősrobbanás szingularitásában a standard modell szerint az univerzum sűrűsége és a téridő görbülete is paradox módon végtelen volt. Mivel az ősrobbanás kozmológiai elmélete jelenleg még nem foglalja magába a kvantumos hatásokat, ezért e modell előrejelzései csak az ősrobbanás utáni időpillanattól válnak érvényessé. 

E paradoxon feloldásához egy teljesen új fizikai modellre lenne szükség, a kvantumgravitáció modelljére, amit viszont mindeddig még senkinek sem sikerült megalkotnia. 

A kvantumgravitáció, ami az elméleti fizika egy egyelőre még teoretikus ága, legfőbb célja a természetben meglévő négy alapvető kölcsönhatás közül hármat leíró kvantummechanika és a negyediket, a gravitációt leíró általános relativitáselmélet egyesítése.

           A mindent egyesítő kvantumgravitációs elmélet megalkotása a kozmológia mindeddig megoldatlan kihívása                                            Fotó: NASA/JPL

 A végcél a négy alapvető erőt, illetve kölcsönhatást koherensen magába olvasztó elmélet, a „mindenség elméletének” kidolgozása. Egyelőre azonban még túl sok az akadály a kvantummechanikai és az einsteini gravitációmodell egyesítési kísérleteiben. A gravitáció mégis sok szempontból tulajdonképpen jobb kvantumtérelmélet, mint a jelenlegi standard modell. A kozmikus kettős törés jelenségének felfedezése, vagyis a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás elhajlása egy további adalék az új fizikai modell megalkotásának szükségességéhez, mert egyre több olyan jelenséget fedezünk fel az univerzumban, amiket a hagyományos modellel már nem lehet megmagyarázni.

A kozmikus kettős törés jelenségét:

• 2020-ban fedezték fel a csillagászok a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást vizsgálva,
• ami az ősrobbanás maradványának számít és egyenletesen tölti ki az univerzumot,
• és ami  a terjedése során enyhén elfordult a megfigyelések szerint,
• amelynek okát nem tudjuk megmagyarázni a jelenlegi fizikai modellekkel.