7b. Kaj je razlog, da v vesolju sploh kaj je?

Pogovor: prof. dr. Uroš Seljak

Članek, objavljen v reviji Nature, je nastal v sodelovanju med Urošem Seljakom in Jamesom Gunnom, profesorjem fizike na Princetonu in očetom projekta Sloan Digital Sky Survey (SDSS), pomagali pa so še Seljakovi študentje; pod njegovim mentorstvom je doslej doktoriralo pol ducata študentov, med katerimi so nekateri zdaj vodilni znanstveniki in profesorji na univerzah Caltech, Harvard, Princeton in Yale.

Analiza več kot 70.000 galaksij, oddaljenih 3,5 milijarde svetlobnih let, je za običajnega človeka nepredstavljiva. Lahko v bistvenih črtah opišete ta podvig?

Podatke smo dobili od projekta SDSS, ki traja že desetletje. To je velika kolaboracija, ki ima med drugim tudi lastni teleskop. Ta projekt ima dve sestavini: prva so bili posnetki neba v petih različnih filtrih, barvah: od ultravijolične, preko modre in rdeče do infrardeče. Iz teh posnetkov smo naredili katalog galaksij, približno 100 milijonov galaksij, porazdeljenih prek četrtine celotnega neba. Večina teh galaksij je zelo bledih, svetloba je približno milijonkrat šibkejša od najslabotnejših zvezd, ki jih lahko opazimo s prostim očesom. Na tej podlagi smo izmerili eliptičnost galaksij, ali so okrogle ali razpotegnjene. Že Einstein je namreč napovedal, da se svetloba, ki potuje po vesolju, uklanja ob prisotnosti snovi. Ker se lahko na eni strani galaksije ukloni bolj kot na drugi, lahko to tako imenovano gravitacijsko lečenje povzroči, da se slika galaksije razpotegne, tudi če je bila na začetku okrogla. Galaksije lahko torej delujejo kot gravitacijske leče, naša skupina pa je ugotavljala, koliko temne snovi je okrog galaksij. Merili smo, koliko temne snovi je bilo potrebne, da je bil dosežen ta učinek. Tovrstno delo je precej zamudno, saj pridemo do povprečja s proučevanjem in izračunavanjem velikega števila parov galaksij.

Druga komponenta SDSS je spektroskopija. Če se izmeri spekter galaksije, lahko z emisijskimi črtami v spektru določimo njen rdeči premik, kar je dober približek za oddaljenost te galaksije. Na ta način dobimo veliko informacij o poziciji galaksije v vesolju. Za meritev spektra potrebujemo več svetlobe in SDSS je to izmeril za milijon galaksij. Posebna skupina teh galaksij se imenuje svetle rdeče galaksije, ki jih SDSS vidi na večji oddaljenosti kot navadne galaksije. Te smo tudi uporabili pri naši analizi. S prostorsko pozicijo nam je uspelo izmeriti tako njihove hitrosti kot tudi korelacije med galaksijami. Verjetnost, da sta dve galaksiji blizu druga drugi, je po naših izračunih večja, kot če bi bile popolnoma naključno porazdeljene. Kombinacija vseh treh meritev (lečenja, korelacij med galaksijami in njihovih hitrosti) nam omogoča neposredno preizkušanje splošne teorije relativnosti na kozmoloških skalah.

Einsteinova splošna teorija relativnosti je doslej že večkrat prestala preizkušnje sodobne astrofizike. Zakaj je preskušanje te teorije, ki ni združljiva s kvantno fiziko, danes še smiselno?

Jaz bi to malo drugače zastavil. Verjamemo, da splošna teorija relativnosti velja na svojem področju, kjer zadošča za napovedi. Več od nje tudi ne pričakujemo. Na Zemlji, na primer, te teorije ne potrebujemo, saj nam Newtonova teorija gravitacije povsem zadošča. V področje veljavnosti te Einsteinove teorije štejejo tudi njene napovedi na velikih, kozmoloških razdaljah. Kvantni učinki tam nimajo nobene vloge. Splošna teorija relativnosti je bila doslej preizkušena predvsem na manjših razdaljah, recimo v našem sončnem sistemu, medtem ko na kozmoloških razdaljah še ni bila. Možnost za presenečenje je torej bila. Če bi meritve pokazale, da ta teorija ne deluje na kozmoloških razdaljah, bi bilo to prvovrstno presenečenje, ki bi vsekakor povzročilo revolucijo v našem razumevanju fizikalnih zakonov.

V čem vaša raziskava ovrže teorijo TeVeS in druge sorodne teorije gravitacije?

Teorijo TeVeS so postavili z namenom, da bi ovrgli obstoj temne snovi. Njena predhodnica je bila teorija MOND, vendar ni bila kompletna. Preden sprejmemo koncept temne snovi, je treba z eksperimenti ovreči vse možne alternative. Ena od napovedi teorije TeVeS je, da se strukture v vesolju zelo hitro razvijajo, hitreje kot v splošni teoriji relativnosti s temno snovjo. Mi smo prav to neposredno izmerili, rezultat pa ni kompatibilen s teorijo TeVeS, medtem ko je kompatibilen s temno snovjo in Einsteinovo splošno teorijo relativnosti.

V čem se rezultati te študije bistveno razlikujejo od lani objavljene ugotovitve, da se zgodnje vesolje razlikuje od opisa gravitacije po splošni teoriji relativnosti?

Tista študija je bila kasneje ovržena, naša analiza pa je bila delno motivirana ravno s takšnimi trditvami. Vprašanje, ki smo si ga zastavili, je bilo: ali lahko na kakšen drug, še nepreizkušen način preverimo te trditve. Danes je slika jasnejša, saj ni nobene meritve, ki bi kazala na odstopanja od splošne teorije relativnosti. Mislim, da ni veliko strokovnjakov, ki bi se s to izjavo ne strinjali.

Lahko rečemo, da je STR z vpeljavo temne snovi in temne energije trenutno najboljši odgovor za razumevanje današnjega vesolja?

Vsekakor. Šel bi še malenkost dlje: trenutno kaže, da je tako imenovana temna energija po vsej verjetnosti kozmološka konstanta, ki jo je že Einstein vpeljal v svoje enačbe, ko je razvijal splošno teorijo relativnosti. Drugo ime za kozmološko konstanto je vakuumska energija. To seveda ne pomeni, da moramo nehati z meritvami, ki bi potrdile ali ovrgle to trditev z večjo natančnostjo. V preteklosti je bilo veliko teorij, o katerih nihče ni dvomil, dokler jih niso ovrgli z eksperimenti. Pred desetimi leti tako nihče ni verjel v temno energijo, danes pa je splošno sprejeta. V tem desetletju lahko pričakujemo pomembne ugotovitve v zvezi z vprašanjem, kaj je temna snov. Obstajajo neposredni eksperimenti: tisti, ki iščejo temno snov na poti skozi galaksijo mimo Zemlje, pa tisti, ki poskušajo temno snov ustvariti v laboratoriju, recimo veliki hadronski trkalnik v Cernu. Potem so tu še indirektni eksperimenti, ki iščejo posredne signale temne snovi v naši galaksiji ali dlje v vesolju.

Pričakujete odkritje gravitacijskih valov, ki jih napoveduje Einsteinova teorija, pa jih sodobnim napravam še ni uspelo zaznati?

Nedvomno. Neposredno odkritje je mogoče pričakovati že v tem desetletju. Eksperiment LIGO, ki poteka v ZDA, ima precej možnosti za uspeh. Vesoljski eksperiment LISA, ki se pripravlja, bi moral imeti še več možnosti. Meni je najbolj pri srcu drugačna metoda, ki meri polarizacijo svetlobe kozmičnega prasevanja. Leta 1997 sem napovedal, da obstaja poseben tip polarizirane svetlobe, tako imenovani B tip polarizacije, ki ga lahko povzročijo samo gravitacijski valovi. Tako meritev B polarizacije pomeni zaznanje gravitacijskih valov. Ampak napovedan signal je zelo šibak: takrat si nisem mislil, da bo danes vsaj pet eksperimentov po svetu poskusilo izmeriti ravno ta signal. Razvila se je prava bitka, kdo bo prvi izmeril ta signal. Nasa načrtuje poseben satelit prav za ta namen. Meni je to izvrsten poduk, da človek nikoli ne sme biti preskromen v pričakovanjih. Ne smemo pozabiti, da so bili gravitacijski valovi na posreden način že odkriti leta 1974 s pomočjo pulzarjev, za kar sta Russell Hulse in Joseph Taylor 1993 dobila Nobelovo nagrado za fiziko.

Drži trditev, da bolj ko se približujemo velikemu poku, bolj se lahko zanašamo na spoznanja kvantne mehanike in manj na splošno teorijo relativnosti?

Vesolje se je začelo z velikim pokom: s tem mislimo, da je bilo na začetku vesolje zelo gosto, tipične energije osnovnih delcev pa izjemno visoke. Bolj ko skušamo razumeti razmere v vesolju v času okoli velikega poka, bolj potrebujemo za opis fizikalne zakone, ki združujejo kvantno mehaniko in splošno teorijo relativnosti. Tega opisa danes še nimamo, obstajajo pa kandidati za to, v prvi vrsti teorija strun. Upam, da bo mogoče to ali kakšno drugo teorijo preizkusiti tudi s kozmološkimi meritvami. Samo z eksperimenti lahko teorije potrdimo ali ovržemo. Kozmologija ni nič drugačna od drugih empiričnih znanosti, le načini meritev so drugačni.

S katerim projektom se trenutno ukvarjate?

Trenutno me najbolj zanima vprašanje, kaj je pravzaprav povzročilo, da imamo začetne strukture v vesolju, iz katerih so se kasneje pod vplivom gravitacijske sile razvile galaksije, zvezde in nenazadnje tudi vse na Zemlji. Kaj je torej razlog, da v vesolju sploh kaj je. Vodilna teorija na tem področju je inflacijska teorija, ki pravi, da se je vesolje kmalu po velikem poku začelo eksponentno hitro širiti in na ta način so se kvantne fluktuacije, kakršne napoveduje kvantna teorija, preoblikovale v fluktuacije na vesoljskih razdaljah. Ampak inflacija ni čisto izdelana teorija: obstaja veliko različnih inflacijskih modelov in vsak ima malo drugačne napovedi, ki se jih lahko primerja z meritvami. Poleg tega obstaja tudi alternativna teorija, ki se imenuje ciklični model vesolja. Ta pravi, da gre vesolje skozi obdobja širjenja in krčenja. Tudi ta ima nekaj napovedi, ki se močno razlikujejo od inflacijske teorije. Moj interes je predvsem v tem, kako te teorije primerjati z eksperimenti in ugotoviti, katera velja. Pri tem uporabljamo kombinacijo analitičnih metod, numeričnih simulacij in seveda obstoječe podatke. Ko bodo na voljo novi podatki, bomo lahko pri tem tudi uspešnejši. Kozmologija je v tem trenutku v razcvetu in obstaja vrsta novih eksperimentov, ki nam bodo pomagali do veliko bolj natančnih odgovorov na ta vprašanja. Pri nekaterih raziskavah je moj sodelavec tudi dr. Anže Slosar z ljubljanske fakultete za fiziko, ki je trenutno v Brookhaven National Laboratory.

Bi se bili kljub bleščeči znanstveni karieri v tujini pripravljeni vrnili v Slovenijo in tu nadaljevati delo?

Z družino se večkrat pogovarjamo o tem, saj se vsi zelo radi vračamo v Slovenijo, kjer v povprečju preživimo približno dva meseca na leto. Tako jaz kot moja žena (Petra Munih je tudi doktorirala v ZDA in je zdaj predavateljica na Univerzi v Zürichu) in otroka (desetletna Nika in štiriletni Sebastian) smo zelo navezani na družino, prijatelje in naravne lepote v Sloveniji. Zato kdaj v prihodnosti ne bi izključil kakšne oblike profesionalne navezave s Slovenijo. M. R.