Mysleli si, že je to holubí trus. Před 60 lety dva Američané náhodou objevili důkaz Velkého třesku

Někdy jsou ty nejúžasnější vědecké objevy spojené spíše s náhodou než s promyšleným výzkumem. A přesně to je příklad dvojice fyziků z Bellových laboratoří Arna Penziase a Roberta Wilsona, kteří chtěli zmapovat rádiové signály z Mléčné dráhy a nakonec jako první změřili záření kosmického pozadí.

Jejich významný objev, který se odehrál před šedesáti roky, pomohl lidstvu získat informace o tom, co se odehrálo na samém počátku vesmíru. A současně změnil kosmologii, vědu o začátku kosmu, na respektovaný fyzikální obor.

V 50. letech 20. století existovaly dvě základní vědecké představy o tom, jak mohl vesmír vzniknout. Ta první tvrdila, že vesmír je všude stejný, byl takový vždy a navždy takový i zůstane. Ta druhá, kontroverznější teorie se snažila nějak zpracovat tehdy nedávný objev Edwina Hubbla z roku 1929, že se galaxie od sebe vzdalují, a to pozoruhodně velkou rychlostí.

Hrstka fyziků v čele s Georgem Gamowem pak upozorňovala, že vzdálenost mezi galaxiemi musela být v minulosti menší, což znamenalo, že v jednom okamžiku na samém počátku byl vesmír nekonečně hustý. Což naznačovalo, že úplně všechno v kosmu vzniklo z tohoto neuvěřitelně hustého a horkého stavu při kataklyzmatické explozi pojmenované Velký třesk. Teorie to byla zajímavá, ale vědcům chyběl jediný způsob, jak ji jakýmkoliv způsobem ověřit nebo podepřít důkazy.

Zastaralá anténa na stopě objevu

Bellovy laboratoře postavily v roce 1960 v Holmdelu ve státě New Jersey obří anténu ve tvaru rohu, která byla součástí velmi raného satelitního přenosového systému nazvaného Echo. Nicméně po vypuštění družice Teslar o několik let později se systém Echo stal pro původně plánované komerční využití zastaralým.

Penzias a Wilson se chopili příležitosti využít anténu jako radioteleskop k zesílení a měření rádiových signálů z prostoru mezi galaxiemi. Aby toho dosáhli, museli ze svého přijímače odstranit veškeré rozpoznatelné rušení, odstranit účinky radaru a rozhlasového vysílání a potlačit také rušení ze samotného srdce přijímače jeho chlazením kapalným heliem.

Když tohle všechno Penzias a Wilson udělali, výsledek se jim pořád nelíbil. Na pozadí totiž slyšeli divný a pro ně nepříjemný šum. Byl dost podobný statickému šumu v rádiu, který rušil jejich pozorování předtím. A fyzici si nedokázali vysvětlit, co jim kazí práci.

Šum byl rovnoměrným signálem v mikrovlnném pásmu (o vlnové délce 7,35 centimetru) a zdálo se, že přichází ze všech směrů. Penzias a Wilson prověřili všechno, co je napadlo, aby vyloučili případný zdroj nadměrného záření, který by je mohl rušit. Eliminovali tak vliv měst, jakýkoliv jiný zdroj v okolí i ve vesmíru. Záhada rostla a oba vědci začínali být zoufalí. Nakonec jim zbylo jediné vysvětlení. Trus.

Předpokládali, že za šum mohou holubi, kteří se usadili na anténě. Signál měl podle jejich úvahy rušit jejich trus usazující se na ní. A tak místo zkoumání galaxií trávili oba muži dlouhé hodiny čištěním ptačích exkrementů a vymýšlením kvalitnějších pastí na opeřené narušitele.

Ivan Kaminow, Penziasův kolega z dob jeho začátků v Bellových laboratořích, jednou zažertoval, že Penzias a Wilson „hledali trus, ale našli zlato, což je pravý opak zkušeností většiny z nás.“ Ale i když se anténa blýskala jako zrcadlo a v okolí nepoletoval jediný holub, šumění neustávalo.

Když se to nedalo svést na holuby a vysvětlení nepocházelo ze známých vlastností vesmíru, začali Penzias a Wilson hledat teoretická vysvětlení a také pomoc u jiných vědců. Přibližně ve stejné době fyzik z Princetonské univerzity Robert Dicke přišel s teorií, že pokud by vesmír vznikl podle teorie Velkého třesku, existovalo by v celém vesmíru záření o teplotě kolem tří stupňů Kelvina.

Když se Penzias a Wilson spojili s jeho laboratoří, tak už Dicke zkoušel hledat důkaz. Zatím ale marně. Když navštívil Bellovy laboratoře, najednou do sebe všechno zapadlo. Záhadný rádiový signál měl všechny jím předpovězené vlastnosti, a musel tedy být skutečně zářením kosmického pozadí. A tedy i důkazem Velkého třesku. 

Obě skupiny publikovaly své výsledky současně v časopise Astrophysical Journal Letters. Oceněna ale byla jen jedna: Penzias a Wilson dostali roku 1978 za svůj objev Nobelovu cenu za fyziku. O více než tři desetiletí později vyslala NASA na oběžnou dráhu družici COBE (Cosmic Microwave Background Explorer), která toto záření podrobně zkoumala a vytvořila první podrobnou mapu analyzující malé nepravidelnosti v mikrovlnném pozadí. I za to byla odměnou další Nobelova cena.

V 21. století toto poznání ještě vylepšila mise WMAP, která ukázala rozložení tohoto záření v pozoruhodném detailu, a nakonec i experiment PLANCK. 

Pomníky reálné i symbolické

Obří rádiová anténa v Holmdelu byla v roce 1990 prohlášena za národní historickou památku. A dokonce i jedna z pastí na holuby si našla cestu do historie –⁠ je dodnes jedním z klíčových artefaktů, které jsou trvale vystaveny ve Washingtonu, D.C. jako součást výstavy v Národním muzeu letectví a kosmonautiky Smithsonova institutu.

Objev zcela změnil astrofyziku i možnosti vědy přemýšlet o tom, jak vznikl vesmír. Dříve byly tyto úvahy spíše tématem pro filosofy a teology, ale od té doby se stále intenzivněji řeší v kosmologii. Reliktní záření je hlavním zdrojem informací o tomto období krátce po vzniku kosmu, proto je dnes jedním z nejvíce zkoumaných fenoménů.

Pro fyziky představuje obdobu toho, co znamenají zkameněliny pro paleontology. Podobně jako v nich jsou otištěné stopy dinosaurů, v tomto záření jsou uložené informace o počátku našeho vesmíru. Díky analýzám reliktního záření dnes věda zná velmi přesně stáří kosmu, jeho zakřivení a také ví, jak vypadaly první struktury, jež v něm vznikaly. Z jeho měření se zase povedla odvodit spousta informací o prvních hvězdách a na základě jeho rozložení se v současné době odhaduje další vývoj vesmíru.