Kozmolgia: Az Univerzum trtnetnek tudomnya
Megjsolhat-e a Vilgegyetem mltja?
Az Univerzumra vonatkoz csillagszati-fizikai kutatsok az elmlt, alig nyolcvan vben risira tgtottk azt a trtartomnyt, ahol eredmnyesen alkalmazhat a jelensgek rtelmezsre az einsteini gravitcielmlet s a kvantumfizika tvzsbl ltrejtt kozmolgiai megkzelts. A tvoli kozmikus objektumokrl hrt hoz, vges sebessggel terjed jelek forrsainak tridbeli elhelyezse rvn egyre mlyebbre hatolunk be a Vilgegyetem mltjba. A Vilgegyetem trkphez oly mdon rajzolunk hozz jabb univerzum-szigeteket, szigetcsoportokat, hogy helyket s termszetket meghatrozva, ezek azonnal kapaszkodul szolglnak a tvolabb lpshez. A kozmolgiai trvnyek sikeressge azon mlik, hogy mennyire kpesek elre lttatni a kozmikus mlt feltrul jelensgeit.
A trben s idben egyre tvolabbi tartomnyokbl szrmaz informcik beptse a kozmolgia trvnyrendszerbe kt alapvet nehzsggel kzd. A gyakorlatiasabb az, hogy a megfigyelt jelensgek krben s a megfigyelsek pontossgban az elmlt vtizedben bekvetkezett robbansszer fejlds ellenre a kozmolgiai paramterek termszetre vonatkoz elkpzelsek helyessgt ellenrz eljrsok szma pp hogy elegend a paramterek kztti kapcsolatok megllaptsra. Egyelre sz sincs a kozmolgiai rendszer ellentmondsmentessgnek sokszorosan "tlbiztostott", keresztl-kasul tesztelsrl. Az "elmarads" a fizika mintaad ismeretrendszereinek helyzettl jelents fejldst ignyel s gr.
A legfontosabb kozmolgiai paramterek rtkeinek bizonytalansgt az n. preczis kozmolgia korszaknak beindulst kveten sikerlt 5 % al szortani. Ehhez a kijelentshez azonban egy alapvet, alig lekzdhet elvi problma kapcsoldik. Vajon minsthet-e a megfigyelhet egyetlen Univerzumunk egsznek termszetrl vgzett szlelsek rtelmezsnek helyessge a matematikai statisztika segtsgvel? Ha csak egyetlen mrst vgezhetnk, vajon van-e md a paramter pontos rtknek meghatrozsra? Ha az tlagra vonatkoz elmleti elrejelzstl eltr eredmnyt mrnk, vajon rossz az elmlet, vagy a vrhat rtk krli statisztikai ingadozs jl ismert esetvel llunk szemben?
Ez a kozmikus variancia problmja, amely a kozmolgia fejldsnek trtnett tjrja. Az egyedisg, az egyszeri megfigyelhetsg termszetes az emberi trsadalom trtnetben lejtszd folyamatok jelents rszvel kapcsolatban. Ez a hasonlatossg megkrdjelezheti a kozmolginak a termszettudomnyos kutatsok kz val besorolhatsgt. Soha nem veszthetjk szemnk ell Willem de Sitternek, a kozmolgia egyik megalaptjnak mondst: "Minden, az Univerzum egszre vonatkoz llts hihetetlen extrapolcin alapszik, amely nagyon veszlyes mvelet!"
"A tvolsgot mint veggolyt..."
Az 1920-as vekre visszatekintve mltn llthat, hogy a Vilgegyetemre akkor nyert ismeretek jelentsge vetekszik a kvantummechanika megalkotsval. A kvantumfizikhoz vezet ton a hidrognatom vonalas sznkpe volt az "arkhimdeszi pont". A korabeli csillagszok a spirlis kdknek nevezett gi objektumok termszetrl s a megfigyeltl mrt tvolsgukrl folytatott vitban ragadtk meg azt a gondolati konstrukcit, amely mindmig a kozmolgia vezrfonalaknt szolgl. Az eurpai termszettudomny teljestmnyt kiemel tudomnytrtneti neveltetsnk szmra meghkkent mdon a kozmolgia kialakulshoz vezet megfigyelseket s az rtelmezskrl folytatott vitkat javarszt az jvilg csillagszainak ksznhetjk. E krlmny megrtshez megjegyzend, hogy a korszak legnagyobb tvcsve, amely vgl felismerhetv tette a spirlis kdk szlein elhelyezked nll csillagokat, a Mt. Wilson Obszervatrium 100 hvelykes tkrs teleszkpja volt.
A XX. szzad elejre a csillagszati tvolsgmrsnek a csillagok ltszlagos parallaktikus mozgsn alapul kzvetlen mdszere elrte teljestkpessgnek korabeli hatrait. A ltsz fnyessgek sszehasonltsa lehetv teszi a relatv tvolsgok meghatrozst. A csillagok termszetre vonatkoz fizikai ismeretek lnyegi hinyban az abszolt fnyessgre s ezzel az abszolt tvolsg standardjainak tvolabbi tartomnyban is hasznlhat kialaktsra mg nem nylott lehetsg. A tvolsgbecsls javasolt mdszerei mindegyiknek htterben az a megalapozatlan feltevs hzdott meg, amely szerint a mi galaktikus krnyezetnk csillagainak tulajdonsgai (mret, tmeg, spektrum) tipikusak, azaz a tvoli csillagrendszerekben is azonos az egyes fajtk elfordulsi gyakorisga. Erre alapozva a kvetkez tvolsgbecslsi javaslatok szlettek:
* A klnbz tartomnyokban tallhat legfnyesebb csillagok sszegzett ltsz fnyessgeinek arnytsa ahhoz a hozznk kzeli tartomnyhoz, amelyben a parallaxis mdszere alkalmazhat;
* A cefeida tpus vltozcsillagok peridusa s abszolt fnyessge kztt Henrietta Leavitt ltal felfedezett sszefggs rvnyessgnek ltalnos elfogadsa s alkalmazsa a kt Magelln-felhn tl terjed, tvoli tartomnyokra is;
* A spirlis kdkben szlelt csillagfelfnyesedsek, a nvk termszetnek azonostsa a szkebb krnyezetnkben fellpett hasonl jelensgekkel, s relatv fnyessgk hasznlata tvolsgbecslsre.
Harlow Shapley az 1910-es vek vgn mindezen mdszerek szleskr alkalmazsval arra kvetkeztetett, hogy a Tejtrendszer az addigi becslseknl egy nagysgrenddel nagyobb. A spirlis kdk kivtelvel minden addig szlelt objektumot a mi galaxisunkba sorolt, s a Tejtrendszernek 300 ezer fnyves mretet javasolt. A spirlis kdket a galaxisunkbl ppen kiszakad objektumoknak vlte. Anyagukra tisztzatlan eredet taszt er hatst felttelezte, amely magyarzn egy msik amerikai csillagsz, Vesto Melvin Slipher 1914-es szrevtelt, miszerint e kdk javarszt tvolodnak tlnk.
1920. prilisban, a Harvard Smithsonian Intzetben szervezett nyilvnos vitn e nzetek opponense, Heber Doust Curtis zeire szedte a tvolsgmeghatrozs fenti mdszereinek elvi s gyakorlati bizonytalansgait, s killt a Tejtrendszer mretnek elz, nhny tzezer fnyvre becslt rtke mellett. rvelse kzppontjban a spirlis kdk nll, a mi galaxisunkhoz hasonl szerkezet univerzum-szigetknt val rtelmezse llt. Az ellentmondsok feloldsa nlkl zrult vitban 1923-ban Edwin Hubble megfigyelse hozott szintzist. A Mt. Wilson ristvcsvvel tallt r az Andromda-kd szln egy cefeida tpus vltozcsillagra, amelyre a peridusid - abszolt fnyessg relci alkalmazsval ktmilli fnyv tvolsg addott. Bebizonyosodott, hogy a spirlis kdk nll galaxisok.
A XX. sz. elejn kezdemnyezett tvolsgbecslsi mdszerek tkletestse mindmig folytatdik, immr a csillagok termszetre vonatkoz nukleris fizikai ismeretek birtokban.A "kozmikus kilomterkvek" mg nagyobb tvolsgokon val szlelshez hamarosan a szupernvk felvillansi fnyessgnl is nagyobb energit felszabadt objektumok megfigyelsre lehet szksg. Komoly erfesztsek trtnnek a gammakitrsek termszetnek megismersre. Vgl a fny ltal 12-13 millird v alatt bejrhat tvolsgokig lehet kpes a csillagszat fnyessgen alapul tvolsgmrsre.
A Shapley-Curtis-vitbl visszamaradt utols rejtlyt, a spirlis galaxisokat "tvolt erhats" mibenltt igyekezett tisztzni Hubble, amikor a hszas vekben felfedezett galaxisok tvolodsi sebessgt jelz sznkpvonal-eltolds (az n. vrseltolds) s a fnyessgi tvolsg kapcsolatt kutatta. 1929-ben kzztett cikknek [1] brja vilgosan mutatja, hogy a kt mennyisg kztt pozitv korrelci van. Mindazonltal risi btorsgra volt szksge a kt mennyisg kztti egyenes arnyossg, a Hubble-trvny kimondshoz. Ezen a ponton kapcsoldhatott be az szlelsek rtelmezsbe az elmleti fizika. Az n. kozmolgiai elvet - a newtoni(!) gravitci hatsa alatti gzramlsnak azt a felttelezett tulajdonsgt, hogy az ramlsi kp fggetlen a megfigyel vonatkoztatsi rendszertl - alkalmazva, azonnal addik a Hubble-trvny. Ehhez a felismershez "csak" arra volt szksg, hogy llandsult llapot helyett radilisan tgul-sszehzd Univerzumot ler megoldst keressnk. E lehetsget mr a XIX. szzad vgn lertk, de az 1960-as vek vgig folyt az llandsult llapot vilgegyetem hveinek utvdharca. A Hubble ltal megfigyelt galaxisok igen kzeliek (spektrumuk vrseltoldsa nem haladja meg a 0,01 %-ot), tvolodsi sebessgk a fnysebessg tredke, azaz a klasszikus newtoni mechanika jl rja le a mozgsukat. A galaxisok globlis tvolod mozgsnak a relativitselmlet ltal jsolt eltrse(!) a Hubble-trvny eredeti alakjtl csupn az elmlt vtizednek kt-hrom nagysgrenddel nagyobb mlysg megfigyelseinek rtelmezsekor vlt bizonythatv.

1.bra
A tgul Univerzum jvbeli trtnetnek megjslsban mg hatrozottabb szerepet kap az ltalnos relativitselmlet. A tguls sorn a fotonokban s neutrnkban trolt energia srsge a nagy tmeg rszecskkbl ll, nem-relativisztikus anyagban trolt rtknl gyorsabban cskken (mert vrseltoldst is szenved). Ha a rszecskefajtknak van egy olyan llapot komponense, amely igen kis energiasrsgnl fogva akr mindmig szrevehetetlen jrulkot adott, m a nem-relativisztikus anyagnl is lassabban hgul, akkor ez a komponens egyszer meghatrozv vlhat (esetleg mr azz is vlt). Ha ez a komponens nincs egyenslyban, amit pldul negatv nyomsa is jelezhet, akkor gravitcis hatsa az ltalnos relativitselmlet szerint akr gyorsulst eredmnyez tasztsba (antigravitciba) is tfordulhat. E komponens jelenltt a galaxismozgsnak a Hubble-trvnytl val sajtos eltrse jelezheti. Ez az eshetsg tovbb nveli a kozmikus tvolsgskla minl pontosabb s minl tvolabbi tartomnyokra val kiterjesztsnek jelentsgt.
A galaxisok abszolt fnyessgnek meghatrozsban a globlis mozgs levlasztsa utn a galaxist alkot csillagok (avagy a galaxishalmazt alkot galaxisok s a galaxiskzi gz) visszamarad sajt (pekuliris) mozgsa jelents szerepet kap. Ennek a mozgsnak a tulajdonsgai annl inkbb kzeltenek egy gz rszecskinek (vletlenszer) hmozgshoz, minl rgebbi a galaxis (elliptikus galaxisokban sokkal jobban teljesl, mint a fiatalabb spirlisokban). A mozgs sebessgnek ngyzetes tlaga egyfajta hmrskletknt rtelmezhet, s arnyos a galaxis sugrzsnak abszolt intenzitsval (ezt a kapcsolatot spirlis galaxisok esetre a Tully-Fisher-, elliptikusokra a Faber-Jackson-relcik szmszerstik). A mozgs rszletes tanulmnyozsa teht nmaga is ad eszkzket, amelyek a tvolsgok meghatrozshoz, illetve a klnbz mdszerrel trtnt becslsek sszhangjnak ellenrzshez jrulnak hozz.
rdemes felfigyelni itt arra, hogy egy-egy galaxis alaki, bels dinamikai megjelense mai felfogsunk szerint immr fgg keletkezsnek idpontjtl. Azaz az llandsult llapot univerzumrl val lemondssal egytt azt a felttelezst is feladtuk, hogy az Univerzum tetszleges kozmikus trid-tartomnyban azonos kpet mutatna szmunkra. A galaxisok s galaxishalmazok kpe idben visszafel haladva szisztematikusan vltozik, amelynek szlelsre vonatkoz vrakozsaink kidolgozsa s sszevetse a legsibb galaxisokon vgzend megfigyelsekkel a modern csillagszat egyik nagyon nehz feladata.
"...szz ezer ve nzem, amit megltok hirtelen..."
A galaxisok s az azokat alkot csillagok keletkezse s fejldse sszetett folyamat, amelyet nem-lineris mdon befolysol a gravitci. Ez a kutatsi irnyzat ma elssorban az elemzsre hasznlhat egysges formtum adathalmaz nagysgnak nvelsre (pldul a nagy galaxiskatalgusok ltrehozsra) koncentrl. Az Univerzum trtnetnek a galaxisok ltrejttt megelz korszakaibl szrmaz jelei jval egyszerbb fizikai helyzetet tkrznek, amelyben az elemi kvantumos klcsnhatsok csupn linerisan csatoldnak a gravitcival.
Ebbl az idszakbl kt jl azonosthat kozmolgiai sjelet (relikvit) lehet egyre rszletesebben vizsglni: a knny elemek atommagjainak s-szintzisbl szrmaz anyagfajtk kozmikus elterjedtsgt s a kozmikus mikrohullm httrsugrzst (KMH). Utbbinak mai llapota nagyon nagy (~10-5) relatv pontossggal megfelel az Univerzumot homogn mdon kitlt, T=2,725 K hmrsklet termikus elektromgneses sugrzsnak, amely a tguls kvetkeztben hlt erre a hmrskletre a kibocstsakor fennll kb. 2800 K-rl. Csakis ebben az atomfizikai szempontbl magas hmrsklet korban, az atomi rekombinci korban volt a fny s anyag klcsnhatsa elg intenzv a hmrskleti egyensly kialaktshoz. Teht biztosak lehetnk abban, hogy az srobbans utn 3-400 ezer vvel az Univerzum egszt termikus egyenslyban lv gzkeverk tlttte ki.
A knny atommagoknak az srobbanst kvet els hsz percben vgbement s-szintzisbl szrmaz nukleris anyag a csillagok fzis reaktoraiban jraprocesszldott, s ez megnehezti a kvetkeztetst az eredeti izotparnyokra. A ksbbi kozmikus korszakokbl szrmaz "rrakdsoktl" megtiszttott si (primordilis) nukleris anyagkoncentrci szlelt rtkeit a termikus egyenslyi llapot proton-neutron keverkben vgbemen folyamatokra vonatkoz jslatokkal vetik ssze. Egyetlen paramter alkalmas rtk megvlasztsval a hidrogn mellett tovbbi ngy knny mag (D, 3He, 4He s 7Li) primordilis elterjedtsgre adhat becsls. A lejtszd magreakcik tmeneti valsznsgeinek kiszmtshoz hasznlt termikus modell fizikai elvei egyeznek a Napban foly, illetve a fldi laboratriumokban tanulmnyozott fzis folyamatok rtelmezsre s tervezsre hasznltakkal. Az szlelsekkel sikeresen sszevetve az srobbanst kvet els perc vgtl a huszadik percig tart korszakra vonatkozan elvgzett szmtsok eredmnyeit, bizonytottnak vesszk a forr egyenslyi Univerzum egszen korai ltezst. Az egyenslyhoz vezet mg korbbi t az elmleti spekulcik terepe volt a legutbbi idkig...
Jelenleg s a kzeljvben szmos megfigyelsi projektet hajtanak vgre e kt korszak nvekv rszletessg megismersre. Mindkettbl informcik szerezhetk a legfontosabb kozmolgiai paramterekre (elssorban a teljes anyag s azon bell a barionikus anyag srsgre s sszettelre). A kozmolgia tudomnyos elmletnek els nagy vizsgja abban ll, hogy e kt egszen klnbz fizikai jelensggel meghatrozott korszakbl a paramterekre levont kvetkeztetsek az egyre pontosabb szlelsek tkrben is megtartjk-e koherencijukat. A cikk htralv rszben a projektekbl 2003 vgig leszrt konklzikat foglalom ssze. A galaxistrkpekbl levonhat kvetkeztetsek kozmolgiai jelentsge egyre n, de albb (terjedelmi korltok s az rtelmezsnek fentebb jelzett nmely kevss rtett vonatkozsa miatt) csak utalok rjuk.
A knny elemek atommagjainak felplse [2] akkor kezddhetett meg, amikor a proton s a neutron tkzsbl kialakul deuteron magot (a nehzhidrogn, azaz a deutrium atommagjt) az igen nagyszm, de a tguls miatt cskken energij fotonok nem tudtk sztverni. Ez jval azutn kvetkezett be, hogy a protonokat s neutronokat egymsba talakt gyenge klcsnhatsi folyamatok sebessge a tguls teme al cskkent. Ettl kezdve a proton s a neutron koncentrcijnak hnyadosa kzel lland, amelyet a kt nukleon kztti tmegklnbsg egyrtelmen meghatroz. A neutron gyenge bomlsa miatt ez a hnyados lassan vltozik, amit a deuteront eredmnyez reakci trgyalsakor figyelembe vettek. Miutn a nukleonok ktsi energija az emltett magok kzl a hlium 4He izotpjban a legnagyobb, a deuteron, a triton (a tricium magja) s a hlium 3He izotpja szinte teljes egszben ebbe a magba alakult t. Az a tny, hogy az Univerzum barionikus anyaga tmegnek 23-25 %-a a stabil hliumizotpban tallhat, a forr Univerzum hipotzisnek egy igen korn megszletett kvalitatv bizonytka, mivel a csillagokban zajl magfizikai folyamatokkal az s-szintzisbl szrmaz hlium mennyisgnl csak kt nagysgrenddel kevesebb jelenltt lehet megmagyarzni.
A knny magok s-szintzisnek reakcii mindaddig tartanak, amg sebessgk nagyobb, mint a tguls. Miutn a reakcisebessgek a hmrsklet tdik hatvnyval arnyosak, az els fzis reaktor mkdse a tguls kvetkeztben igen gyorsan vget rt. A tguls sebessgt a tmeg nlkli szabadsgi fokok - a foton s a neutrnk - szma szablyozza. Brmilyen hipotetikus knny szabadsgi fok jelenlte extra neutrnknt is rtelmezhet, amelynek kvetkeztben a gyorsabb tguls miatt tbb neutron maradna meg, s llna rendelkezsre 4He termelsre. A tbbi knny mag elterjedtsge az Univerzum teljes barionsrsgnek (a protonok s neutronok egyttes srsgnek) rzkeny fggvnye. Minl nagyobb a barionsrsg/fotonsrsg hnyados - amelyet h-val jellnek -, annl tkletesebben alakul t a deuteron s a 3He izotp 4He-be. A ltium 7-es tmegszm izotpja kt mechanizmussal jhet ltre. A kzvetlen triton+4He fzis reakcibl ltrejv ltiumot a protonokkal val tkzs sztveri, ezrt h nvekedsvel a ltium kozmikus elterjedtsge cskken. Azonban h-t tovbb nvelve, a 7Be izotp termelsi rtja indul nvekedsnek, amely ksbb elektronbefogssal ltiumm alakul. A rviden vzolt tendencik jelennek meg az 1. brn, amelyen a kzel prhuzamos vonalak alkotta svok a becsls elmleti bizonytalansgnak mrtkt jellemzik.
A nehezebb elemek magjai csak csillagok belsejben, illetve nagyon nagy energij csillagrobbansokban (szupernvk, hipernvk) keletkezhettek. A knny elemek sznkpnek azonostsa s a vonalak intenzitsnak mrse lehetv teszi elterjedtsgk becslst. Annl alkalmasabb valamely mrs az s-szintzisbl szrmaz elterjedtsg mrsre, minl kisebb a megfigyels irnyban a nehezebb magok elfordulsi gyakorisga. Az eredmnyeket e magok zrus gyakorisghoz extrapolljk, s az gy add rtkeket hasznljk a knny elemek elterjedtsgt meghatroz kozmolgiai paramterek rgztsre. Ezt az eljrst a 4He esetre a 2. bra illusztrlja. A tbbi atommagra a hibk jval nagyobbak, a klnbz csoportok mrseinek ellentmondsmentessge sem nyilvnval.

2.bra
A deuteronnak a hidrogn elterjedtsghez viszonytott rtkre yD=105[D/H] = 2,6+/-0,4 addik a mrsek tlagaknt. Az 1. brval sszevetve, ebbl az rtkbl a barion/foton arnyra h=(6,1+/-0,6)x10-10 rtket kapunk. Ezt tfordthatjuk a barionsrsgnek az n. kritikus srsghez viszonytott rtkre (lsd a kozmikus mikrohullm sugrzsrl szl, kvetkez fejezetet), ami 0,05-nl kisebb. A 3He gyakorisgt jellemz, a deuteronhoz hasonlan definilt mennyisgre vonatkozan az yHe3=1,1+/-0,1 becslsre jutunk a szmtsbl, ami szintn jl egyezik a megfigyelt rtkkel. A 4He rszesedsre a bariontmegbl a fenti barionsrsg alapjn 0,248+/-0,001 kaphat, amely 4 %-os eltrst mutat az eddigi mrsekbl becslt 0,238+/-0,005 rtkhez kpest. Br egyesek az eltrs mgtt eddig ismeretlen, j fizikai klcsnhatsokat keresnek (pldul a trid ngy dimenzin tli extra kiterjedst), a sietsg helyett clszer megvrni a nukleris reakcik rtinak vagy a hlium koncentrcijban a csillagfejlds sorn elszenvedett vltozsoknak pontosabb ismerett. Hasonl mrtk a relatv eltrs a ltium jsolt s mrt elterjedtsgi rtkei kztt is. sszefoglalan: a 11 nagysgrendet tfog elmleti jslat s az szlelsek kztti sszhang mai szintjt is mr a kozmolgia kiemelked teljestmnyeknt rtkelhetjk.
A barionikus anyagnak az Univerzum teljes energiasrsgben kpviselt slytl rzkenyen fggnek a kozmikus mikrohullm httrsugrzs egyes sajtossgai is. Mi tbb, a kozmolgiai mrsek mai technikai szintjn a barionikus anyagsrsgre a legpontosabb becslst immr a KMH adja. Az ebbl add rtket (lsd albb) hasznlhatjuk az sszes knny elem elfordulsi gyakorisgnak szmtsra. A jelenlegi helyzet az, hogy az elz brn nem tudnnk egyetlen kzs barion/foton hnyadossal reproduklni a mrt elterjedtsgi rtkeket. Azonban az eltrs mrtke mg nem kveteli az s-szintzis jelenlegi elmletnek korrekcijt.
"...ksz az id egsze..."
Arno Penzias s Robert Wilson mr 1978-ban Nobel-djat kaptak a Ralph Alpher s Robert Hermann ltal 1950-ben megjsolt kozmikus mikrohullm httrsugrzs (KMH) ltezsnek 1965-s felfedezsrt. Ez a jelensg George Gamow srobbansi elmletnek egyenes kvetkezmnye, a KMH mgis csak az 1990-es vekben foglalta el helyt az "ltalnosan ktelez" termszettudomnyos ismeretek kztt mint a kozmolgia legfontosabb informciforrsa. Ugyanis az tlagos intenzitst jellemz (fentebb kzlt) hmrsklet krli ingadozs mrtke egy rsz a szzezerhez, ezrt vtizedes tervez s elmleti fejleszt munkra volt szksg, amg az ingadozsok kimrsre alkalmas Cosmic Background Explorer (COBE) mestersges holdat a NASA 1989-ben plyra llthatta. A httrsugrzs intenzitsban az egymssal 7 fokos szget bezr irnyok kztti klnbsg megmrsre alkalmas mszeregyttest, tbb amerikai egyetem sszefogsval, George Smoot irnytsval alkottk meg. Megfigyelseikkel elsknt sikerlt kimutatniuk, hogy a KMH intenzitsa fgg a megfigyelsi irnytl. A mhold mrsei alapjn hsz fggetlen irnykarakterisztikj multiplus-antenna sugrzsi kpbl lltottk ssze az tlagos sugrzstl val eltrs els gbolttrkpt, s kimutattk az ingadozsok kztti koherens kapcsolat ltt mg 60 fokot meghalad szgtvolsgra is [3]. A COBE ltal ksztett mikrohullm gbolttrkpet mutatja a 3. bra.

3-4.bra
Ez a nagyszg korrelci immr ksrletileg is szembestette a kutatkat a KMH egy rejtlyes tulajdonsgval, amit 1981-ben Alan Guth hangslyozott elsknt [4], rmutatva az akkor mg mrsi hatr alatti ingadozsok hinynak hihetetlen termszetellenessgre. Olyan tvoli szgtartomnyok kztt mrhet ki koherencia, amelyek nem llhattak egymssal kauzlis kapcsolatban az srobbans s a KMH kibocstsa kztt eltelt, nem tbb, mint 400 ezer vben. A Guth ltal javasolt inflcis mechanizmus mig az egyetlen, elmletileg ellentmondsmentes, az szlelsekkel sszeigazthat koncepci. Az inflci az srobbanst kzvetlenl kvet, elkpzelhetetlenl rvid fejldsi szakaszban kialakthatta az energiasrsg azon trbeli ingadozsait, amelyek ksbb, a kzvetlen kauzlis kapcsolatban nem ll tartomnyokat is tfogva, koherensen vezrelhettk a rekombinci korszakban emittlt fny intenzitsnak ingadozsait. Az elmlt hsz vben matematikailag igen rszletesen s sok, egyarnt mkdkpes vltozatban kidolgozott elkpzelsben egy, a kozmikus lthatrunkat sok nagysgrenddel meghalad kiterjeds Univerzum szerepel, amelynek mrete az srobbanst kvet exponencilis felfvdsban alakult volna ki, mikzben a horizont lland maradt. A felfvds sorn a kiindulsi tartomnybeli anyag srsgnek kvantumingadozsai az ltalnos relativitselmlet trvnyeit kvetve makroszkopikuss nvekedhettek, s kiterjedtek a felfvdott vilgegyetem egszre. A kozmikus lthatr (a horizont) ezt kveten mr a forr Univerzum tgulsi temt kvetve, lassan "beletgulhatott" a Vilgegyetem risira felfvdott trsgeibe, s a horizonton belli anyag rzkelhette az inflcis korszakban "elksztett" srsgingadozsokat.
A fenti mechanizmusnak, azon tl, hogy megoldja a ltszlagos akauzalits paradoxont, van nhny, a sokfle megvalsts rszleteitl fggetlen jslata. Ez nagy szerencse, mert az inflciban rszt vev sanyag (amit inflatonnak kereszteltek) valdi termszetrl mindmig nincs semmifle informcink. Az inflci legkzismertebb kvetkezmnye az, hogy az exponencilis felfvds sorn a tr geometrijnak minden korbbi grblete nagy pontossggal kisimul. A trnek mai llapotban teht nagyon lapos, kzel euklidszi a geometrija (nem tvesztend ssze a trid geometrijval!). A geometria az ltalnos relativitselmlet szerint meghatrozza a vilgegyetem anyagnak tlagos energiasrsgt, ami lapos vilgegyetemre az n. kritikus srsg. A Hubble-lland legutbb meghatrozott rtknek felhasznlsval ez 9,2110-303. Ennek az rtknek mintegy 5 %-a a nukleris s-szintzisben meghatrozott tlagos barionikus srsg. Az inflci elmlete teht megkveteli a (nem-barionikus) stt anyag ltezst, amely nem vesz rszt elektromgneses klcsnhatsban. g/cm
Az inflcihoz szorosan kapcsold msik jslat a srsgingadozsok erssgnek hullmhosszfgg vltozsra vonatkozik. A makroszkopikuss nvekedett kvantumos eredet fluktucik azt jsoljk, hogy az erssgeloszls sklainvarins. Zenei hasonlattal, a hullmhossz minden oktvjra ugyanakkora ingadozsi fnyerssg esik. A fenti tulajdonsg ingadozsokra mint az sanyag llhullmaira gondolhatunk, amelyek horizontunk tgulsval folyamatosan fejtik ki hatsukat az azon bell elhelyezked anyagra. Minl nagyobb hullmhosszon tudunk megfigyelseket vgezni, az azokat befolysol singadozsok annl ksbb lptek be a horizont al, teht annl kevsb torzul el az eredeti ingadozsok jellege a kauzlis klcsnhatsok kvetkeztben, hatsuk rtelmezsre annl jobb a gravitcis elmlet lineris kzeltse.
Az inflaton-sanyagtl a stt anyag megrklte az ingadozsokat (errl egy dinamikai eredet megmaradsi ttel "gondoskodik"). A struktrk kialakulsnak kezdetrl az a jelenlegi kpnk, hogy a kisebbsgi barionikus anyag belehullik a mr csomsodni kezd stt anyag potencilgdreibe (a nagyobb srsg helyekre). Miutn a forr, gyorsul barionikus anyag fnyt sugroz s nyel el, ezrt a protonok, atommagok s az ket elektromosan semlegest elektronok kztt llandsultan fotonok gza van jelen. Ez a szoros csatols plazma lland rezgsben van, amelynek rezgsi modulcii tkrzik a a stt anyag srsgingadozsai ltal alaktott gravitcis httr ingadozsait.
A foton-anyag klcsnhats rtjnak lemaradsa a tguls teme mgtt lezrja a plazmakorszakot, stabilizldnak az atomok. A stabilizci pillanatban ltez fotongz, amelynek intenzitsbeli ingadozsai tkrzik a gravitcis tr ingadozsait, alkotja a KMH-t. A legnagyobb hullmhosszakon a horizont al ppen visszalp energiasrsgbeli ingadozsok szablyozzk a KMH ingadozsait a fent lert ttteleken keresztl. gy a KMH az inflcis sanyag srsgfluktuciirl ad hrt!
Ennek az ingadozsi kpnek a rszletes kimrsre az 1990-es vtizedben legalbb tucatnyi fldi s magaslgkri mrst vgeztek el, amelyek az gboltnak csak egy kis tartomnyt trkpeztk fel, m a COBE teljestmnyt messze meghalad felbontsi rzkenysggel. Ezek a mrsek mr jeleztk, hogy a kis szgklnbsg tartomnyban fellpnek a koherens plazmarezgsek interferencijbl vrt effektusok. Az interferencia-mintzat szmszeren igen rzkeny a teljes anyagsrsgre s a barionikus rsz nagysgra is. A legrszletesebben a 2001-ben felbocstott Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) mestersges hold [5] mrte ki a kozmikus httrsugrzs ingadozsainak gtrkpt, amelyet a 4. brn mutatunk be. Az ingadozsi szerkezet finom rszeleteibl olyan pontosan hatroztk meg a barionikus anyagsrsget, amely meghaladja a nukleris s-szintzisbl kapott pontossgot: eta=(6,14+/-0,25)x10-10. Ez nagyon jl egyezik a deuteron megfigyelt elterjedtsgbl szrmaz, fentebb kzlt becslssel, amely egyezs az eddigi legersebb rv a kozmolgiai elmlet tudomnyos jellege mellett.
Vajon az anyagsrsg hinyz rsze mind nem-relativisztikus stt anyag? Ha felttelezzk, hogy a stt s a vilgt anyag sszege (indexe: m) mellett van egy nem csomsod anyagfajtt (pldul kozmolgiai llandt) reprezentl jrulk is (indexe: Lambda), akkor a KMH mrt tulajdonsgaira a rho_m+r0_Lambda=rho_kritikus egyenletet jl kielgt sszettel univerzummodellek mindegyike elg j lerst ad. Az 5. brn a felttelezett kt komponensnek a kritikus srsghez viszonytott energiasrsgt Omega-val jellve, a klnfle srsgkombincik esetn megvalsul globlis mozgsokhoz az m-L sk klnbz tartomnyait rendeljk hozz. A "KMH" jelzs csva stttel sznezett tartomnya felel meg ezen a skon a KMH legjobb lerst ad lehetsges sszetteleknek. rdekes, hogy a jelenlegi adatok egszen kis mrtkben nem a teljesen lapos, hanem az igen enyhn gmbi zrtsg grblettel jellemezhet univerzumot preferljk.
A lersnak a klnbz energiahordoz komponensek sszettelre mutatott lineris elfajultsgt csak a KMH-tl klnbz kozmolgiai jelensgek megfigyelsvel lehet feloldani. Erre az egyik rdekes javaslat a galaxisok lehetsges legnagyobb sklkon mrt eloszlsnak sszevetse a stt anyag eloszlsnak inflcis ingadozsaival. Br a galaxisok kialakulsa ersen nem-lineris folyamat, az a remny, hogy a legnagyobb sklkon, ahol az singadozsok horizont al lpse a legksbb kvetkezett be, mg nem llt elg id rendelkezsre az si ingadozsi spektrum eltorzulsra. 2003-ban kt nagy galaxistrkpez projekt, a 2dFGRS [6] s az SDSS5 [7] kollaborci is elvgezte ezt az elemzst. Az 5. bra "halmazok" jelzs csvja mutatja a ktfle energiahordoznak a galaxisok eloszlst legjobban reprodukl megoszlst, amely szintn nagyjbl lineris elfajulst mutat. Elg termszetes, hogy ennek az elemzsnek a nem csomsod anyagra val rzkenyge kicsi, viszont igen hatrozottan megjelli a rho_m=(0,2-0,4)rho kritikus tartomnyt a newtoni gravitciban rszt vev anyagfajta legjobb egyezst ad srsgre. A kt csva metszse a mindkt jelensget lerni kpes anyagi sszettel szk tartomnyt jelli ki, amelynek ltezse nem nyilvnval. Mg kevsb biztos, hogy ugyanezt a tartomnyt jelli-e ki valamely jabb fggetlen jelensg lersa is, amely szintn rzkeny a gravitl s nem csomsod anyag arnyra.
1998-ban tettk kzz a Hubble-diagram kiegsztst a szupernvk egy osztlynak, az Ia tpusaknak negyvenkt nagy vrseltolds tagjval. Ezt 2003 nyarn a Supernova Cosmology Project tovbbi tizenegy, a CfA Deep Survey pedig huszonhrom, ugyanebbe az osztlyba tartoz, mg nagyobb vrseltolds szupernva megfigyelsvel egsztette ki [8]. Ezek a robbansok azonos mechanizmusuk ltal azonos abszolt fnyessgeknek tekinthetk, ezrt alkalmasak a standard kozmikus fnyforrs szerepre. Az 5. bra "szupernovk" jelzs csvja azt a tartomnyt jelzi a kt energiahordoz komponens energiasrsgeire, amely adatok az ltalnos relativits egyenleteibe helyettestve jl rjk le a szupernvk ltszlagos fnyessgnek s a vrseltoldsuknak egyttes vltozst. rmmel ltjuk, hogy ltezik a hrom fggetlen, klnbz fizikai elvek ltal rtelmezhet jelensget egyidejleg reproduklni kpes kzs metszet, amely szerint a mi Univerzumunkat 30-35 %-ban alkotja gravitl anyagsrsg s 65-70 %-ban nem gravitl, nem csomsod anyagfajta. Ez utbbit, ha energiasrsge nem szigoran fggetlen a tgulstl, kvintesszencinak szoks nevezni.
Miutn a jvben a gravitl anyag srsgnek tovbbi hgulsval a nem csomsod rsz slya egyre n, a jelzett tartomnyban elhelyezked paramterekkel jellemezhet Univerzum mindrkre folytatni ltszik tgul mozgst.

5.bra
Megoldottuk-e a kozmolgit?
A tapasztalati ismeretek elmlt msfl vtizedbeli gazdagodsa elssorban a KMH esetben vezetett az elmleti interpretci bels konzisztencijt is ellenrizni kpes rszletessgre. Jslatainak sszevetse a knny atommagok elterjedtsgre vonatkoz becslsekkel fontos motivci ez utbbiak szlelsi mdszereinek javtsra. A jelen vtizedben a KMH spektrumnak rszleteirl tovbb finomodik ismeretnk, s nagy jelentsge lesz a kozmikus tvolsgskla Ia tpus szupernvkkal trtn szisztematikus kiszlestsnek.
Ez az ismeretbvls lehetv teszi a srsgfluktucik inflcis eredetnek kritikus elemzst is. Mindazonltal elmleti erfesztsek vrhatk a gyorsulva tgul Univerzum kphez olyan alternatvk (pldul ciklikus idtrtnet Univerzum) kidolgozsra, amelyek versenyre kelhetnek a KMH s a galaxisstatisztikk lersban az inflcival.
A kozmikus variancia problmja nehezti annak eldntst, hogy vannak-e pldul a KMH analzisben szisztematikus hibk. Ilyen lehet pldul az a tny, hogy az eddigi mrsek szerint a nagy szgtvolsg tartomnyok kztti korrelci 5-10 %-kal alacsonyabb, mint a rszletes inflcis szmts azt jsolja. Egyes kutatk alternatv globlis mozgsi kpet javasolnak (pldul gmbi szimmetrij helyett ellipszoidlis szimmetrij tgulst), msok ezen effektusok statisztikai marginalizldst vrjk a mg finomabb felbonts mrsek eredmnyeit kveten.
A kozmolgia jelenlegi elmleti rendszere s minden elkpzelt alternatvja szmra vitlis fontossg, hogy a rszecskefizikusok mielbb kimutassk a stt anyag elemi rszecskinek gravitcis hatson tli klcsnhatsait, tovbb a jelenleginl sokkal pontosabban hatroljk krl az antigravitcis hats "stt energia" termszett.
Kulcsszavak: csillagszati tvolsgskla, Hubble-trvny, kozmolgiai elv, kozmikus inflci, kozmikus mikrohullm httrsugrzs, kritikus srsg, atommagok s-szintzise, kozmolgiai lland, stt anyag, stt energia
1 A modern asztrometria mestersges holdas szlelssel jelentsen kiterjesztette a trigonometriai parallaxis alkalmazhatsgi hatrait. Az 1989-tl 1993-ig adatokat gyjt Hipparcos szonda 1500 fnyvre nvelte az ezzel a mdszerrel trtn pontos tvolsgmrs lehetsgt, mintegy 120 ezer csillag tvolsgt hatrozva meg. Utdja a mrseit 2010-ben megkezd GAIA lesz, amellyel millirdnyi csillag parallaxist hatrozzk meg az eddigit tbb nagysgrenddel meghalad pontossggal
2 A pulzl vltozcsillagok instabilitsait egyre sikeresebben tanulmnyozzk a magneto-hidrodinamikai ramlsi egyenletek alkalmazsval. E vizsglatok egyik nemzetkzileg elismert kzpontja az MTA Csillagszati Kutatintzete.
3 2004 mrciusban tettk kzz a Hubble Ultra Deep Field felvtelt, amely mindmig a legmlyebbre hatol be az Univerzum mltjba. A galaxisok morfolgiai vizsglatnak eredmnyt az els rpillants is megellegezi: a legkorbbi galaxisok jval szablytalanabb alakak, mint azt a Hubble-mlyvizsglatok nhny ve kapott felvtelein tapasztaltk.
4 A relevns reakcik rtjnak meghatrozsa nehz ksrleti fizikai feladat, mivel rszben instabil radioaktv nyalbokkal kell tkzsi ksrleteket vgezni, msrszt a gyorsts tkzsi energikhoz kpest jval alacsonyabb energikon kell mrni. Az asztrofizikai fontossg nukleris reakcik ksrleti s elmleti vizsglatnak hazai kzpontjai az ATOMKI s az ELTE Atomfizikai Tanszke.
5 A Sloan Digital Sky Survey (SDSS) 13 amerikai s japn egyetem egyttmkdse. 117 "alkot" s 21 "kls" (ms intzmnyben dolgoz) munkatrsa kztt a kvetkez magyar fizikusok tallhatk: Csabai Istvn (ELTE), Kunszt Pter (CERN), Szalay Sndor (Johns Hopkins Univ.), Szapudi Istvn (Univ. of Hawaii) s Szokoly Gyula (Max Planck Inst., Garching). |