Wielka nadzieja fizyków, czyli akcelerator LHC w CERN-ie, zaliczył klasyczny falstart. W dwa tygodnie po oficjalnym otwarciu maszynę za kilka miliardów euro trzeba było wyłączyć. Źle połączone kabelki sprawiły, że z jednego gigantycznego magnesu wyciekły dwie tony helu i do wiosny 2009 największy eksperyment naukowy na świecie będzie w remoncie. Na szczęście nie jest to jedyna szansa ludzkości na rozwikłanie odwiecznych zagadek – jak powstał Wszechświat, z czego jest zbudowany i co się z nim stanie w przyszłości. Naukowcy mają plan B, a są nim nowe teleskopy, które za kilka tygodni znajdą się w przestrzeni okołoziemskiej i pokażą nam kosmos, jakiego dotąd nie widzieliśmy.

Nad naszymi głowami znajduje się bowiem gigantyczna fotografia narodzin Wszechświata, a nawet zjawisk zachodzących na poziomie cząstek elementarnych. W pierwszych fazach Wielkiego Wybuchu, gdy nie istniała jeszcze znana nam dziś materia, działy się rzeczy, których w LHC nigdy nie uda nam się zaobserwować. Ich ślady są obecne wszędzie – sztuka polega na tym, jak je zobaczyć.

NIEMOWLĘ MA 380 TYS. LAT


W echo Wielkiego Wybuchu wpatrywać się będzie sonda Planck, ochrzczona tak na cześć wielkiego niemieckiego fizyka, który położył podwaliny pod współczesną fizykę kwantową. Urządzenie zostało zaprojektowane z myślą o łapaniu światła, które przestało być widzialne jakieś 10 mld lat temu. Chodzi o mikrofalowe promieniowanie tła, będące pozostałością po niemowlęcym Wszechświecie (wiek niemowlęcy oznacza w tym przypadku 380 tys. lat). W miarę jego rozszerzania się to, co początkowo było jasnym światłem, zamieniło się w fale radiowe. Gdy promieniowanie tła odkryto w latach 60. XX wieku, stało się jednym z koronnych dowodów przemawiających za teorią Wielkiego Wybuchu.

Można jednak z tego promieniowania wyczytać znacznie więcej. Otóż nie jest ono jednolite, lecz ma miejsca „cieplejsze” i „zimniejsze”. Robiąc im coraz dokładniejsze fotografie – z użyciem satelitów takich jak COBE i WMAP – uczeni ustalili np., z czego składał się niemowlęcy Wszechświat, kiedy odbył się jego poród (13,7 mld lat temu) i kiedy pojawiła się w nim pierwsza gwiazdka (pół miliarda lat po początku początków). Te odpowiedzi – jak to już w nauce bywa – sprawiły jednak, że fizycy zaczęli stawiać kolejne pytania i dlatego wysyłają teraz w kosmos Plancka. Ma on wykonać jeszcze dokładniejszą mapę promieniowania tła, co prawdopodobnie pozwoli nam zrozumieć, co było przed Wielkim Wybuchem; dlaczego pierwotna materia zaczęła się zagęszczać, tworząc gwiazdy i galaktyki; czy wszystko na świecie jest zbudowane z malutkich superstrun i ile wymiarów ma otaczająca nas przestrzeń.

Zadanie nie jest łatwe, bo promieniowanie mikrofalowe ma temperaturę zaledwie o 2,7 stopnia wyższą od zera absolutnego. Mierzący je przyrząd musi być schłodzony do jeszcze niższej temperatury – zaledwie 0,1 st. Kelvina. Pomiary może zakłócić nawet sam proces wysyłania zebranych danych na Ziemię. Dlatego naukowcy z ESA postanowili umieścić teleskop w tzw. punkcie Lagrange L2, czyli miejscu odległym o 1,5 mln km od naszej planety.

Wspólna siła grawitacji Słońca i Ziemi sprawia, że satelita niejako stoi w miejscu – zawsze będzie miał te dwa ciała niebieskie za plecami, a Księżyc nie będzie mu właził w pole widzenia.

SIĘGAJ, GDZIE WZROK NIE SIĘGA


W tym samym miejscu znajdzie się drugi superczuły i wymagający ekstremalnego chłodzenia przyrząd pomiarowy – teleskop Herschela. Jego zadanie jest równie fascynujące, jak Plancka – będzie szukał śladów tajemniczej ciemnej materii, czyli tego, z czego zbudowane jest 70 proc. Wszechświata (i czego nikt dotąd na oczy nie widział, choć fizycy są pewni, że to coś istnieje). Jak zobaczyć niewidzialne? Oczywiście trzeba skupić się na świetle, którego nie dostrzegamy – w tym przypadku to tzw. głęboka podczerwień. Wiemy, że wypełnia ona kosmos, bo emitują ją nawet zupełnie zimne atomy w międzygwiezdnej pustce (pochłaniają światło gwiazd i oddają energię właśnie w podczerwieni). Ziemski biegun północny oglądany w ten sposób jarzyłby się światłem. Tak samo jest z otaczającym nas Wszechświatem – rejony, które na pierwszy rzut oka wydawały się ciemne i puste, w podczerwieni tętnią „życiem”

Jest jeden szkopuł. Podczerwień emitują wszystkie atomy – także te, z których zbudowany jest teleskop. W normalnych warunkach nie da się więc obserwować kosmosu w tym świetle, tak jak niemożliwe jest oglądanie gwiazd za dnia. Dlatego cały przyrząd musi być schłodzony do możliwie najniższej temperatury. Większość instrumentów będzie zanurzona we wrzącym helu, który wstępnie obniży temperaturę do 2 st. Kelvina, a część detektorów dostanie dodatkowy system chłodzący, który sięgnie okolic zera absolutnego. Ponieważ wrzący hel będzie uciekał w kosmos, czas życia teleskopu ograniczony jest zapasem 2 tys. litrów tego gazu i obliczony na trzy lata. Nie ma szansy na wysłanie misji serwisowej np. promem kosmicznym – punkt Lagrange L2, gdzie Herschel znajdzie się wraz z Planckiem, jest pięć razy dalej od Ziemi niż Księżyc.

HISTORIA W PLASTERKACH

 

Być może już niedługo historię Wszechświata poznamy jeszcze dokładniej – epoka po epoce. Umożliwić to może idea tak zwanej kosmicznej tomografii, czyli obserwowania promieniowania radiowego o długości fali 21 centymetrów. Takie promieniowanie emitują atomy wodoru – najpowszechniejszego pierwiastka we Wszechświecie – i, co ciekawe, jest w nim zapisany swoisty znacznik czasowy: ze względu na rozszerzanie się Wszechświata fala jest tym dłuższa, im jest starsza. Można więc z niej odczytać losy materii na przestrzeni miliardów lat.Sęk w tym, że fale z różnych epok są ze sobą zmieszane. Aby zrobić Wszechświatowi tomografię, trzeba – podobnie jak przy medycznym badaniu tomograficznym – mozolnie odcyfrować dane i potem przedstawić je w strawnej postaci. Tu przydaje się wynalazek Jeana Baptiste’a Josepha Fouriera, który żył na przełomie XVIII i XIX wieku i odkrył sposób na proste analizowanie funkcji matematycznych.

ASTRONOMIA PODWODNA

Do najbardziej zwariowanych teleskopów należy zaliczyć ten, który budowany jest pod wodą w okolicach Tuluzy. Teleskop zajmuje się obserwacją neutrin, a dokładnie – delikatnych rozbłysków światła, towarzyszących kolizjom tych niemal nieważkich cząstek elementarnych z cząsteczkami wody. Kilkusetmetrowa warstwa H20 zapewnia izolację przed innymi rodzajami promieniowania i idealną ciemność. Dzięki temu można obserwować nieuchwytne neutrina, które przez kosmos przelatują jak kula karabinowa przez masło.


Analiza Fouriera nadaje się doskonale do zapisu cyfrowego – gdy słuchamy płyty CD i nagrania MP3 czy oglądamy zdjęcie zrobione aparatem cyfrowym, to na pewno mamy z nią do czynienia.

Dr Max Tegmark, fizyk z Massachusetts Institute of Technology, postanowił wykorzystać metodę Fouriera w kosmologii. Opracował projekt wielkiego radioteleskopu, który będzie wychwytywał fale o długości 21 cm i odczytywał z nich obraz dawnego Wszechświata. „Promieniowanie tła daje nam szczegółowe informacje, ale tylko z jednej epoki. Tomografia 21-centymetrowa pozwoli nam uzyskać takie same dane dotyczące tysięcy epok” – mówił na łamach tygodnika „New Scientist”. Zdaniem dr. Tegmarka w przyszłości wszystkie teleskopy będą działały na tej zasadzie.

Tyle że to dość odległa przyszłość. Kosmiczny tomograf musiałby przetworzyć tak wielką ilość danych, że dzisiejsze komputery by sobie z tym nie poradziły (albo trzeba by ich kupić tak wiele, że całe przedsięwzięcie straciłoby finansowy sens). Na pierwsze obrazy z takiego teleskopu przyjdzie nam więc poczekać jeszcze jakieś 30 lat.

ZAJRZEĆ E.T. DO TALERZA


Na razie uczeni planują budowę nowej generacji teleskopów optycznych bez wykorzystania analizy fourierowskiej. Hiperteleskopy pozwolą nam zobaczyć, jak dokładnie wyglądają planety krążące wokół odległych gwiazd – np. jaki jest skład chemiczny ich atmosfery i czy występują na nich pory roku podobne do ziemskich. Do tego potrzeba jednak teleskopu mającego setki czy tysiące metrów średnicy.

Jak go zbudować i nie zbankrutować? Wystarczy, żeby był dziurawy – składałby się z armady satelitów, z których każdy miałby swój kawałek zwierciadła teleskopowego. Dane zebrane z nich wszystkich układałyby się w bardzo szczegółowy obraz odległych obiektów – zdjęcia z teleskopu Hubble’a będą mogły się przy tym schować.

Inny pomysł to umieszczenie w kosmosie gigantycznej soczewki, kierującej światło na jednego satelitę (który potem przekaże obraz na Ziemię). Nie byłaby ona jednak wykonana ze szkła, lecz z metalu. Uczeni z francuskiego Observatoire Midi Pyrénées w Tuluzie dowiedli, że płaski blaszany krążek potrafi skupiać światło równie dobrze jak szklana soczewka – a to dzięki zjawisku dyfrakcji, czyli zaginania promieni świetlnych na brzegu jakiegoś przedmiotu. Metalowa soczewka dyfrakcyjna o średnicy kilkuset metrów może wkrótce pokazać nam planetę zdatną do życia, z dużym oceanem, łagodnym klimatem i egzotyczną przyrodą. Nikt jednak nie wie, czy znajdzie się też jakiś E.T., który pomacha nam do kamery...