Chladná skvrna v reliktním záření: Je záhadná anomálie důsledkem superprázdnoty, nebo kolize s jiným vesmírem?

Teplotní mapa fluktuací reliktního mikrovlnného pozadí (CMB) z družice Planck. V pravém dolním kvadrantu v souhvězdí Erydanu je zřetelná rozsáhlá modrá oblast – záhadná Chladná skvrna (Cold Spot). Kredit: ESA and the Planck Collaboration

V roce 1965 objevili Arno Penzias a Robert Wilson slavné reliktní záření (Cosmic Microwave Background – CMB) – dosvit z doby 380 000 let po Velkém třesku, za což v roce 1978 získali Nobelovu cenu.

Reliktní záření je neuvěřitelně homogenní: přichází ze všech směrů s téměř dokonalou teplotou absolutního černého tělesa $2,7255\ \text{K}$.

Teprve družice COBE, WMAP a definitivně evropská observatoř Planck odhalily na této hladké ploše nepatrné primordiální teplotní fluktuace v řádu desítek mikrokelvinů ($\Delta T / T \sim 10^{-5}$). Tyto fluktuace představují hustotní zárodky, z nichž v průběhu miliard let gravitace vytvořila galaxie, hvězdy a kupy galaxií.

Podle standardního kosmologického modelu $\Lambda\text{CDM}$ jsou tyto fluktuace výsledkem gaussovských kvantových fluktuací během kosmické inflace: mají náhodný charakter a řídí se striktním statistickým rozdělením.

V roce 2004 však astronomka Cruzová se svými kolegy při analýze dat z družice WMAP objevila v jižním souhvězdí Erydanu anomálii, která standardnímu modelu odporuje: Chladnou skvrnu v reliktním záření (CMB Cold Spot).

Anatomie kosmické anomálie

Chladná skvrna je monumentálním objektem:

• Zabírá na nebeské sféře plochu o průměru přibližně 10 úhlových stupňů (cca 20 měsíčních úplňků vedle sebe).
• Její průměrná teplota je přibližně o $70\ \mu\text{K}$ chladnější než průměr CMB, přičemž centrální jádro je chladnější dokonce až o $140\ \mu\text{K}$.
• Podle standardní Gaussovské statistiky inflace je pravděpodobnost náhodného vzniku takto velké a hluboké chladné anomálie pouhých cca 1 až 2 % (odchylka na úrovni $3\sigma$ až $4\sigma$).

Vědecká komunita se okamžitě rozdělila na dva tábory: jde o fyzikální jev vzniklý podél cesty fotonů vesmírem, nebo o stopu fundamentální nové fyziky z doby samotného počátku kosmu?

       Hypotézy vysvětlující původ Chladné skvrny (Cold Spot)
+--------------------------+---------------------+----------------------+
| Teoretický model         | Fyzikální mechanismus| Pravděpodobnost / stav|
| --- | --- | --- |
+--------------------------+---------------------+----------------------+
| Statistická náhoda       | Extrémní fluktuace  | Velmi nízká (p ≈ 1 %) |
| --- | --- | --- |
| Obří superprázdnota (ISW)| Podchlazení fotonů  | Částečně vyloučeno   |
| Kosmická textura         | Topologický defekt  | Teoreticky možné     |
| Kolize multivesmírů      | Kvantové provázání  | Fascinující hypotéza |
| Přístrojový artefakt     | Chyba měření / šum  | ZCELA VYLOUČENO      |
+--------------------------+---------------------+----------------------+

Hypotéza 1: Obří superprázdnota a ISW efekt

Nejpopulárnějším standardním vysvětlením byla přítomnost gigantické kosmické superprázdnoty (Eridanus Supervoid) ležící v linii pohledu mezi námi a reliktním zářením:

• Pokud fotony CMB proletí obří prázdnotou o průměru jedné miliardy světelných let, vlivem zrychlené expanze temné energie (Integrovaný Sachs-Wolfeův jev – ISW) ztratí část energie a ochladí se.

V roce 2015 sice astronomové pod vedením Istvána Szapudiho identifikovali v daném směru superprázdnotu s červeným posuvem $z \approx 0,22$.

Následná detailní spektroskopická přehlídka 2dF-VST ATLAS vedená Ruariem Mackenziem a Tomem Shanksem z Durhamské univerzity však přinesla zklamání:

• Přesná měření hustoty galaxií ukázala, že Eridanská prázdnota není dostatečně prázdná ani dostatečně velká.
• ISW efekt dokáže vysvětlit pokles teploty o maximálně $10\ \text{až}\ 20\ \mu\text{K}$ – což je sotva pětina pozorovaného chladu!
• Závěr durhamského týmu byl neúprosný: superprázdnota nemůže být primární příčinou Chladné skvrny.

Hypotéza 2: Srážka s jiným vesmírem?

Pokud Chladná skvrna nevznikla v pozdním vesmíru působením prázdnoty, musí mít primordiální původ – vznikla přímo během Velkého třesku.

A právě zde vstupují na scénu odvážné teorie moderní teoretické fyziky:

1. Kosmická textura (Cosmic Texture):
   Při fázovém přechodu v raném vesmíru (kdy se jednotná síla GUT rozpadla na elektroslabou a silnou interakci) mohlo dojít k narušení symetrie vakua a vzniku topologického defektu časoprostoru – kosmické textury, která zanechala na CMB otisk s přesně takovým profilem, jaký má Chladná skvrna.
2. Kvantová srážka bublin v multivesmíru:
   V teorii věčné inflace (věčné bublání vesmírů) tvoří náš vesmír pouze jednu z mnoha rozpínajících se bublin v gigantickém multiversu. Teoretická fyzička Laura Mersini-Houghtonová navrhla, že Chladná skvrna je gravitačním a kvantovým otiskem kolize našeho vesmíru se sousední vesmírnou bublinou těsně před koncem inflace!

Podle této teorie by šlo o vůbec první přímý empirický důkaz existence multivesmíru, jaký má lidstvo v rukou.

Rozuzlení přinese polarizace reliktního záření

Jak lze definitivně rozhodnout mezi statistickou anomálií, texturou a multivesmírem?
Klíč leží v polarizaci reliktního záření (režimy E-módů a B-módů):
Pokud má Chladná skvrna primordiální původ z kolize či textury, musí mít polarizace mikrovlnných fotonů v jejím okolí specifický nematematický vírový vzor, který se diametrálně liší od běžného náhodného šumu.

Budoucí mise zaměřené na ultra-přesnou polarimetrii reliktního záření – jako je japonský satelit LiteBIRD a pozemská observatoř Simons Observatory v Chile – přinesou definitivní odpověď.

„Chladná skvrna zůstává největší provokací standardní kosmologie na mapě reliktního záření. Pokud vyloučíme superprázdnoty, zůstáváme tváří v tvář možnosti, že se díváme na jizvu po střetu s jiným vesmírem. Je to fascinující okno na samou hranu našeho chápání reality,“ uzavírá Tom Shanks.

Reference

[1] Cruz, M., et al. (2005). Detection of a non-Gaussian spot in WMAP. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 356(1), 29–40. DOI: 10.1111/j.1365-2966.2004.08419.x.
[2] Planck Collaboration: Ade, P. A. R., et al. (2016). Planck 2015 results. XVI. Isotropy and statistics of the CMB. Astronomy & Astrophysics, 594, A16.
[3] Mackenzie, R., Shanks, T., et al. (2017). Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 470(2), 2328–2338.
[4] Mersini-Houghton, L. (2008). Birth of the universe from the multiverse. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1040, No. 1, pp. 122–131).
[5] Simons Observatory Collaboration (2019). The Simons Observatory: Science goals and forecasts. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2019(02), 056.

Fyzika Sachs-Wolfeova jevu a anomálie v reliktním záření

Chladná skvrna v reliktním záření (CMB Cold Spot), objevená v roce 2004 v datech družice NASA WMAP a definitivně potvrzená s vysokou přesností kosmickým teleskopem ESA Planck v roce 2013, leží v jižním souhvězdí Erydanu ($l = 209^{\circ}, b = -57^{\circ}$). Jde o oblast o průměru zhruba $5^{\circ}$ (což na obloze odpovídá desetinásobku průměru Měsíce v úplňku), která je v průměru o $70,\mu\text{K}$ chladnější než okolní reliktní pozadí ($T_0 = 2{,}7255\text{ K}$).

Ve standardním kosmologickém modelu ΛCDM mají náhodné gaussovské fluktuace reliktního záření typickou amplitudu pouhých $\Delta T / T \approx 10^{-5}$ (cca $18,\mu\text{K}$). Pravděpodobnost, že by takto rozsáhlá a hluboká teplotní prohlubeň vznikla čistě náhodnou statistickou fluktuací, činí méně než 0,2 % (odchylka přes $4,\sigma$).

Integrovaný Sachs-Wolfeův jev v obří superprázdnotě (Eridanus Supervoid)

Hlavním standardním fyzikálním vysvětlením je vliv gigantické kosmické bubliny prázdnoty ležící mezi námi a reliktním zářením ($z \approx 0{,}15 - 0{,}25$, vzdálenost cca 3 miliardy světelných let). Když fotony reliktního záření procházejí gravitačním polem takové struktury, dochází k integrovanému Sachsovu-Wolfeovu jevu (ISW):

Kde $\Phi$ je gravitační potenciál a integrál se počítá podél dráhy světelného paprsku:

1. Fotony CMB vstoupí do superprázdnoty a musejí překonávat gravitační potenciál – gravitačně se unavují a ztrácejí energii (modrý/červený posun).
2. Protože se však vesmír v epoše temné energie rozpíná zrychleně, gravitační potenciál prázdnoty se v průběhu průletu fotonu rozmělňuje a slábne ($\partial \Phi / \partial t \neq 0$).
3. Když foton z prázdnoty vystupuje ven, získá méně energie, než kolik ztratil při vstupu. Výsledkem je čistá ztráta energie – foton je červeně posunut a z našeho pohledu se oblast jeví jako chladná.

Srovnání hypotéz o původu Chladné skvrny

Detailní polarizační data z detektoru polarizace kosmického záření (např. budoucí japonská mise LiteBIRD a pozemní Simons Observatory) budou klíčem: pokud je Chladná skvrna způsobena reálnou superprázdnotou, polarizace Q a U módů musí přesně korelovat s gravitačním čočkováním mezigalaktických struktur.