Új Szó, 2003. november (56. évfolyam, 252-274. szám)
2003-11-03 / 252. szám, hétfő
Mindentudás egyeteme ÚJ SZÓ 2003. NOVEMBER 3 Minél távolabbról érkezik a fénybe kódolt információ, annál régebbi kozmikus jelenségről hoz hírt. Ez a körülmény lehetőséget ad az Univerzum történetének feltárására Galaxistérképek és a rejtélyes sötét anyag Az Univerzum egészének keletkezését és fejlődésének történetét tanulmányozó tudományterület a kozmológia. Legfontosabb kérdései könnyen összegezhetők. Milyen távol van a legtávolabbi galaxis? Hogyan keletkezett az Univerzum? Mikor volt az ősrobbanás? Hogyan mozog az Univerzum egésze? Patkós András fizikus is ezekkel a kérdésekkel szembesítette hallgatóságát a Mindentudás Egyetemén. PATKÓS ANDRÁS ELŐADÁSA Az egyik legelterjedtebben használt amerikai egyetemi kozmológia tankönyv húsz évvel ezelőtt így fogalmazott: „Az Olvasó szerencsésnek érezheti magát, hogy olyan korban él, amikor a tudomány már képes egy olyan alapvető mennyiséget, mint az Univerzum kora, egy kettes szorzófaktor bizonytalansága erejéig meghatáMINDENTUDÁS EGYETEME a bennünket alkotó anyag elemi építőköveitől eltérő, új anyagfajtákat és köztük ható új erőket fedezzenek fel a „konzervatív” várakozásoktól esedeg eltérő megfigyelési eredmények hátterében. Az is kiderülhet, hogy a kölcsönhatások ma ismert törvényszerűségeinek története van, és milliárd évekkel korábban az anyag szerveződése a ma ismerttől eltérő törvényeknek engedelmeskedett. A modern fizika (és nyomában minden természettudományos kutatási rozni.” Az akkori adatok alapján az Univerzum korát 10 és 20 milliárd év közöttire becsülték. A 20. század utolsó évtizedében felgyorsultak a kozmológiai megfigyelő kutatások. 2003 márciusa óta az Univerzutp életkorára vonatkozó „hivatalos” adat: 13,5-13,9 milliárd év, azaz a 100%-os hiba helyére 2%- os bizonytalanság lépett. A belátható Univerzum „sugárirányú” mérete 13 milliárd fényév. Úgy tűnik, hogy egyéb méretek megadására nincs is szükség, mert a Vüágmindenség egésze, a megfigyelési pont helyzetétől függeüenül, gömbszerűen szimmetrikus tulajdonságokat mutat, bármely irányban végzünk is vizsgálatokat. Az Univerzumot mozgató különféle anyagfajtáknak a láthatárunkon belülre eső együttes tömegét Galaxisunk (a Tejút) tömegének 1000 milliárdszorosára becsülik. HOGYAN MÉRHETJÜK MEG A MINOENSÉGET? A modern fizikának Galilei, Kepler és Newton munkásságával elindult története négy alapvető kölcsönhatást tárt fel. A mai kozmológusok e törvényeket hipotetikusan az Univerzum egészére érvényesnek fogadják el. Az egyre távolabbi tartományokból érkező új tapasztalati tények értelmezésekor a kutatók azt is ellenőrzik, hogy a földi laboratóriumokban felfedezett kölcsönhatások irányítják-e az Univerzum távoli tartományainak történéseit is? Készen állnak arra, hogy irányzat) lényege a kísérlet, amely a jelenségeknek megfelelően kontrollált körülmények közötti ismételt előidézését és az eredményeknek a matematikai statisztika eszközeivel való megbízhatósági ellenőrzését is előírja. Nem vüágos, hogy egyetlen Univerzumunkat (amelynek neve is jelzi egyedülvalóságát) ilyen statisztikai jellegű jellemzéssel hogyan közelíthetjük meg. AZ UNIVERZUM „ARCHEOLÓGIÁJA" A csülagász, az asztrofizikus, a kozmológus (akik ugyanannak a tudományos nemzetségnek kissé eltérő „tájszólást” beszélő tagjai) az Univerzumot szinte kizárólag az elektromágneses sugárzást (azon belül fényt) kibocsátó objektumokat megfigyelve vizsgálja. A fény véges sebességgel halad, a Nap fénye 8 perc alatt ér a 150 millió km távolságra lévő Földre. A csillagászatban az 1 fényév, a fény által egy év, azaz 365 x 24 x 60 perc alatt megtett távolság használatos a távolság egységeként, ami a Nap-Föld távolság mintegy hatvanezerszerese. Több mint 10 milliárd évre van szüksége a fénynek ahhoz, hogy a megfigyelhető Univerzum legtávolabbi pontjából eljusson hozzánk. Nyilván minél távolabbról érkezik a fénybe kódolt információ, annál régebben indult útjára, azaz annál régebbi kozmikus jelenségről hoz hírt. Ez a körülmény lehetőséget ad az Univerzum történetének felAz MTA CsKI piszkéstetői távcsövének CCD-kamerája tárására, ha pontosan meg tudjuk határozni a fényforrások távolságát. Az Univerzum egész történetén áthaladó fény által hozott információk távolság, azaz korok szerinti szétválasztásának feladata közelíti a kozmológus munkáját az emberi múltat kutató régészéhez. A földi régész az ember által fokozatosan egymásra épített rétegek korát például a maradványok környezetében talált fémpénzek, cserepek és más dátumot hordozó tárgyak révén határolja be, a különböző korú rétegek törmelékes maradványait óvatos munkával szétválasztja egymástól. Az azonos korú törmelékekből megkísérli az egykori tárgy, épület, festmény fizikai rekonstrukcióját. Ugyanígy vadászik a kozmológus is a korai Univerzum egy meghatározott korszakáról hírt adó, jellemző relikviákra. Ezek olyan tipikus kozmikus objektumok, jelenségek, amelyek elég egyszerűek ahhoz, hogy a fizika mérési eszközeivel tanulmányozhatók legyenek, és létrejöttük megértéséhez a fizika törvényeit hívhassuk segítségül. TÁVOLSÁGMÉRÉS A KOZMOSZBAN A távolság mérését a kozmológiában minden esetben viszonylag gyakori előfordulású, közel azonos belső csillagdinamikájú (standard) csillagok megfigyelésére építik. A viszonylagos távolság megállapítása azon az előfeltevésen alapszik, hogy valamely azonos működésű csillagfajta egyes egyedei azonos fényteljesítményt bocsátanak ki. Miután a teljesítmény a távolság négyzetével arányosan növekvő felületen oszlik szét, egyszerű összefüggés adja meg a csillag látszólagos fényességének csökkenését a távolság függvényében. Persze olyan jelenséget kell választanunk, amelyről okkal remélhetjük, hogy bekövetkeztének időpontjától független a jelenséget kísérő fénysugárzás teljesítménye. A 20. század első évtizedéiben Henrietta Leavitt, amerikai csillagász vizsgálta Galaxisunknak, a Tejútnak azokat a csillagait, amelyek fényessége néhány napos periodicitással változik. E csillagokat Cepheidáknak hívják. Leavitt felfere több különálló galaxis létét bizonyították, és Hubble szisztematikusan vizsgálta az azokból érkező fény színképét. A földi spektroszkópusok által részletesen tanulmányozott hidrogén-színképet ismerte fel kissé eltorzítva. A hidrogén által kisugárzott fény diszkrét frekvenciái annál jobban eltolódtak a kisebb frekvenciák, azaz a kéktől a vörös felé, minél nagyobb volt a fényesség alapján meghatározott távolság. Ezt hívják vöröseltolódásnak. A Hubble- törvény a következő egyszerű megfogalmazásban állítható fel: a vöröseltolódás mértéke és a lumino- zitási távolság között egyenes arányosság áll fenn. A Doppler osztrák fizikus által felfedezett, közismert hatás alapján a sugárzás színének észlelt vörösödését a forrás állandó sebességű távolodása okozza. Ezért a Hubble-törvény közismert megfogalmazása valójában a Világegyetem legfontosabb globális mozgástörvénye: A galaxisok a távolságukkal arányban növekedő sebességgel távolodnak egymástól. GALAXISTÉRKÉPEK A modern asztrofizikai eszközök egyre halványabb fényforrások megfigyelésére képesek. A bennük használt fényképező eszközök a beérkező fotonok irány szerinti szétválasztásával az égbolt finomrajzolatú térképének felvételét teszik lehetővé. Hosszú expozíciós idővel adják össze a fényforrásokból származó fotonok energiáját az ún. CCD-csipekből felépített kamerákban. Ez a technika másfél évtized alatt forradalmian átalakította az amatőr fotósok életét is. Az ezzel a technikával felszerelt Hubble űrteleszkópot az égboltnak azokra a tartományaira irányították, amelyeket a hagyományos csillagászati eszközök tökéletesen sötétnek mutattak. Az eredmény drámai. Galaxisok és galaxis-halmazok sokasága tárulkozik fel egészen a négyszeresnél is nagyobb (430%- os) vöröseltolódás tartományáig. Évtizedes előkészítés után, 1999- ben indult be a Sloan Alapítvány által támogatott digitális ég-térképe- zési program (SDSS), amely öt év alatt közel egymülió galaxis többszínű fényképét készíti el automatizáltan. A több színszűrős fényképVA Az Univerzum korszakai dezte, hogy az átlagos fényteljesítmény egyenletesen nő a pulzáció periódusidejének növekedésével. Ezzel a periódusidő mérésére vezette vissza a Cepheidák abszolút fényteljesítményének meghatározását. Ezt az észlelhető gyengébb fényességgel összevetve meghatározta az új objektumnak a referenciaként használt (ismert távolságú) Cepheidához képesti relatív távolságát. Edwin Hubble azzal a felfedezésével „teremtette meg” a kozmológiát, amikor 1922-ben az Androméda csillagkép irányában, egy szabad szemmel éppen látható, halvány foltként észlelhető csillaghalmazban sikerült egy Cephei- dát kimutatnia. Ennek távolságára kétmillió fényév adódott, amivel Hubble bebizonyította, hogy a folt csillaghalmaza a Tejúttól távoli, független „Univerzum-sziget”, mai szóval galaxis. A galaxiskatalógusokban az M31 nevet viselő Androméda galaxis a hozzánk legközelebbi galaxis, amiből még ezer milliárd van az Univerzumban. A húszas években a csillagászok egysorozatot földi telepítésű teleszkóppal veszik fel. Egy magyar kutatók jelentős hozzájárulásával kidolgozott eljárást használva e fényképekből meghatározzák az objektumok vöröseltolódásának mértékét. A SDSS tartja a legnagyobb vöröseltolódású objektum (egy ún. kvazár, amelyről még nem bizonyított, hogy galaxis kapcsolható-e hozzá) megfigyelésének rekordját, amelyre az eltolódás 600%-os. A Hubble-törvénytől való esetleges kismértékű eltérések nem változtatják meg a fő tendenciát: aminek nagyobb a vöröseltolódása, az távolabb van, azaz az Univerzum korábbi történeti pillanatáról ad hírt. A galaxisokat az égbolt irányai mentén a vöröseltolódásuk mértékében rendezve alakulnak ki a galaxistérképek, amelyek az Univerzum csillagcsomóinak szerkezetéről adnak információt, az égbolt egy szeletéről. Az első ilyen térképet az 1980-as évek közepén tették közzé, a feltérképezés mélysége kevesebb, mint két évtized alatt óriásit lépett előre. PATKÓS ANDRÁS, az ELTE Atomfizikai Tanszékének tanára A tanulmányi versenyek és a Középiskolai Matematikai Lapok vonzották a természettudományok és a matematika világába. Egyetemi tanulmányait az ELTE-n végezte, és számos külföldi vendégkutatói, később vendégprofesszori meghívásától (Koppenhága, Bonn, Genf, Uppsala, Strasbourg stb.) eltekintve egész pályája az ELTE TTK-hoz köti. Pályája első szakasza a kvarkok létezését bizonyító kísérletekhez, majd a szabad kvarkok megfigyelhetetlenségének magyarázatához kapcsolódott. A nyolcvanas évek közepe óta a részecskefizika alapállapotának, a részecskefizikai vákuumnak a tulajdonságaival és azoknak a Forró Univerzum-beli változásaival foglalkozik kutatómunkájában. Számos fiatal kutatót vezetett a PhD-fokozat elnyeréséhez, akikből immár kis kutatócsoport szerveződött. A csoport a kvantumtérelmélet módszereit fejleszti és alkalmazza az Univerzum legkorábbi, ún. inflációs korszakához kapcsolódó kérdések megválaszolásában. A REJTÉLYES SÖTÉT ANYAG A galaxishalmazokban résztvevő galaxisok ugyanolyan kötött rendszert alkotnak, mint a Naprendszer bolygói. A halmaz egésze együtt sodródik a Hubble-törvényt követve a táguló Univerzumban, de az egyes tagok közötti tömegvonzás e mozgásra zárt pályán való száguldást is „rárajzol”, amelynek jellemző sebessége 1000 km/s. A galaxisok közötti teret forró gáz tölti ki, amelynek hőmérsékletét abból a tényből lehet megbecsülni, hogy elektromágneses sugárzása a röntgen-tartományban igen intenzív, éppen ebből tudjuk, hogy a galaxisközi gáz több ezer fokos. Ezen a hőmérsékleten minden anyag, amely elektromágneses kölcsönhatásra képes, világít. Ezért nem várható, hogy a bennünket alkotó anyag kisebb darabkái, amelyeket „barna törpéknek” is neveznek, megbújnának ebben a rendszerben. ( A galaxishalmaz teljes tömegét több független módszerrel is meg lehet becsülni, többek között a nagy tömegek közelében elhaladó fény elhajlásának jelensége is felhasználható erre. A leképezés számszerű értékelésének konklúziója az, hogy a galaxishalmaz össz- tömegének csak mintegy 4—5%-a található a taggalaxisokban é 10-15%-a a forró galaxisközi gáz ban. A többi az ismeretlen söté anyag. Kisebb skálán vizsgáltál annak lehetőségét, hogy a nem vi lágító anyag egy része az ismer anyagfajták hideg csomóiból, úgy nevezett barna törpékből áll. A ga laxisunkban végzett megfigyelései szerint e csomók járuléka elhanya golható. Az elemi részek fizikájá nak egyik legfontosabb kihívás: annak a mindeddig ismeretlen, va lószínűleg nagytömegű részecské nek a felfedezése, amely a söté anyag meghatározó komponense A newtoni gravitációt kifejti anyagfajták nagyjából 30%-át te szik ki az Univerzum alkotórészei nek. A galaxishalmazokra épüli becslésünkből megérthetjük, hog; a bennünket alkotó anyag, azaz : fényt kibocsátani képes alkotóré szék (az elektron, a kvarkok és tár saik) nem több mint 5%-os súllyá rendelkeznek az Univerzum telje: anyagában. Nehéz beletörődni hogy mindaz, amit az emberi tudó mány az Univerzum anyagábó mindmáig képes volt megragadni ilyen kis részt jelent csak. Készítette az M8iH Communica tions szabad felhasználásra, < szerzői jogok korlátozása nél kül. Az SDSS teleszkóp fMíNÍW-'N'««>As!
