Baryonové akustické oscilace

Vlny, které zamrzly, když byl vesmír 380 000 let starý

Kosmologie, dříve vysmívaná věda, dnes zažívá bouřlivý rozvoj a má k dispozici již poměrně dlouhou řadu způsobů, kterými můžeme zkoumat náš vesmír, jeho vznik a vývoj. Drtivá většina těchto metod nějakým způsobem souvisí s vlnami. Elektromagnetické vlny nám přinášejí možnost zkoumat reliktní záření, fotony zbylé po fázi raného horkého vesmíru, ale také díky nim vidíme proměnné hvězdy cefeidy a supernovy, které dovolují určovat vzdálenosti v kosmu. Nyní hodně zkoumané gravitační vlny fyzikům v principu umožňují nahlédnout až těsně k počátku vesmíru. A i když to někoho možná překvapí, můžeme využít i vlny akustické, díky nimž zkoumáme baryonové akustické oscilace.

1. Slabý otisk baryonových akustických oscilací v tom, jak se ve vesmíru shlukují galaxie. Tento vzor je nejpatrnější při použití obrovského vzorku galaxií.

Snímek NASA

Jde o fluktuace hustoty baryonové hmoty způsobené akustickými vlnami v prvotním plazmatu v raném vesmíru. Co to ale vlastně znamená? Baryonová hmota je složená z baryonů, částic, mezi něž patří zejména protony a neutrony. Jde tedy o hmotu, kterou známe velmi dobře z našeho běžného života, neboť se z ní skládá vše kolem nás. Tato hmota ale tvoří jen asi 5 % energetické bilance našeho kosmu, zbytek patří tajemným substancím: temné hmotě a temné energii.

Současně si musíme uvědomit, že náš vesmír byl na počátku své existence nesmírně horký a hustý. Zatímco dnes je průměrná teplota vesmíru jen několik kelvinů, tedy asi minus 270 stupňů Celsia, a stále klesá, raný vesmír měl průměrnou teplotu mnohem vyšší. Ještě 380 000 let po počátku, v době oddělení reliktního záření, byla teplota kosmu asi 3000 K. A v mladším vesmíru byla teplota ještě řádově vyšší. Tehdy byla dokonce tak vysoká, že neexistovaly protony a neutrony; kvarky, z nichž se tyto částice skládají, byly volné a tvořily kvarkové-gluonové plazma, hlavní složku už zmíněného prvotního plazmatu.

2. Americký teleskop Nancy G. Roman, který by měl baryonové akustické oscilace prozkoumat v budoucnu.

Snímek NASA (viz též science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope)

Nejpřijímanější scénář, známý též jako standardní kosmologický model, nám říká, že tato látka byla nezvykle uniformní, ale přesto v ní už tehdy byly přítomny určité velmi drobné hustotní a teplotní fluktuace. Někde byla látka malinko hustší, jinde naopak o trošku řidší. Tyto malé anizotropie vznikly už velmi těsně po vzniku kosmu, a to díky kvantové mechanice. Jak přesně k tomu došlo, nevíme, ale domníváme se, že kvantové fluktuace hmoty vytvořily tyto prvotní anizotropie už na samém počátku vesmíru. Následně byly tyto fluktuace zvětšeny díky kosmické inflaci, [1] jevu, který rozepnul vesmír všemi směry o 20 až 100 řádů (v závislosti na konkrétní variantě modelu). O něco málo později se inflace z dosud neznámých důvodů zastavila a vesmír se dál rozpínal normální rychlostí. Prvotní hustotní fluktuace už ale existovaly a dál se vyvíjely.