Listopad 2006

Genetický kód vesmíru

Martin Uhlíř

Nobelova cena za důkaz velkého třesku. Co mají společného holubí trus, havárie raketoplánu Challenger a nenápadný muž na pódiu pražského Kongresového centra? Odpověď je jednoduchá: souvisejí s Nobelovou cenou za fyziku, kterou minulý týden udělila Královská švédská akademie věd dvěma Američanům, Johnu Matherovi a Georgeovi Smootovi.

Belgický kněz a matematik Georges Lemaître před více než sedmdesáti lety napsal: „Evoluci vesmíru můžeme přirovnat k obrazu právě skončeného ohňostroje – tu a tam pár jiskřiček, popel a kouř. Stojíme na zcela vychladlém oharku, jsme svědky pohasínání sluncí a toužíme si vybavit bývalou nádheru počátku světů.“ Lemaître jako první na světě tvrdil, že se vesmír zrodil ve žhavém, zhuštěném stavu. Položil tím základy teorie velkého třesku. Zpočátku mu ovšem věřil jen málokdo. Ještě hluboko ve druhé polovině 20. století měl velký třesk vážného soupeře – takzvanou teorii stacionárního stavu, kterou zastával například britský astronom Fred Hoyle. Hoyle samozřejmě věděl, že se vesmír rozpíná, nemohl se však smířit s tím, že by existoval nějaký okamžik zrození kosmu, v němž rozpínání začalo. Přestavoval si, že ve vesmíru neustále vznikají nové částice, které vyplňují prázdnotu mezi navzájem se vzdalujícími galaxiemi. Pak by vesmír mohl existovat věčně, žádný počátek by existovat nemusel.

Kosmologie byla ještě počátkem 60. let značně spekulativní vědou; podobně jako za dob starých Řeků představovala souhrn představ, jež lze jen stěží ověřit. To se začalo měnit od roku 1964, kdy dva američtí radioastronomové objevili neobvyklý šum, který rušil jejich měření. Nejprve se domnívali, že za něj může holubí trus na jejich anténě, pak ale zjistili, že přichází z vesmíru. V tom okamžiku ještě nevěděli, že americký fyzik ruského původu George Gamow existenci takového šumu předpověděl už o dvacet let dříve.

Gamow přišel s tvrzením, že by tento šum měl prostupovat vesmír jako „dozvuk“ počáteční exploze, velkého třesku. Měl by přicházet ze všech směrů v podobě mikrovlnného záření o velmi nízké teplotě. A přesně takové záření zmínění radioastronomové v roce 1964 zachytili. Vlastně se s ním setkal každý, zčásti totiž způsobuje zrnění televizních obrazovek v okamžiku, kdy není naladěn žádný signál.

Objevem tohoto zbytkového, reliktního záření utrpěla teorie stacionárního stavu vážný úder, určitá nejistota nicméně přetrvávala. Kdyby bylo mikrovlnné záření skutečně ozvěnou velkého třesku, mělo by mít, řečeno slovy fyziků, „charakter absolutně černého tělesa“. Termín je poněkud zavádějící, protože záření požadovaných vlastností vydává například nitro hvězdy, vnitřek vysoké pece či právě žhavý zárodek vesmíru. Jak ale zjistit, zda zachycený šum skutečně „černému tělesu“ odpovídá? Problém byl v tom, že vlastnosti mikrovlnného záření nelze na zemském povrchu přesně změřit.

Ač to bylo na samé hranici tehdejších možností techniky, souhlasila NASA v roce 1974 s tím, že se pokusí o měření v kosmu. A právě tady vstupuje do hry dlouholetý zaměstnanec této organizace a jeden z letošních nobelistů, astrofyzik John Mather. Zapojil se do projektu od samého počátku a postupně stanul v čele týmu, který začal připravovat start družice COBE. Časem se tým rozrostl na více než 1000 lidí.

Devět minut pravdy

Koncem letošního srpna přijel John Mather do Prahy přednášet na zasedání Mezinárodní astronomické unie. Tehdy pochopitelně nikdo nevěděl, že šedovlasý muž v brýlích dostane brzy Nobelovu cenu, americký fyzik se proto žádné zvláštní pozornosti netěšil. Média se mu věnovala mnohem méně než únavným diskusím o vyloučení Pluta z rodiny planet.

Mather hovořil na pódiu pražského Kongresového centra právě o družici COBE. Mimo jiné líčil těžkosti, které vypuštění satelitu provázely. NASA schválila start v roce 1982 s tím, že mamutí satelit o hmotnosti téměř šesti tun do vesmíru zamíří na palubě raketoplánu. Než se ale podařilo sondu dokončit, vybuchl při startu raketoplán Challenger. Krátce poté dala americká armáda od raketoplánů ruce pryč a NASA rozhodla, že už nebudou startovat z Kalifornie, ale pouze z Floridy. Pro sondu COBE to znamenalo prakticky rozsudek smrti, potřebovala totiž kroužit kolem Země po dráze, na kterou by se z kosmodromu na Floridě nedostala.

Matherova vůle a jeho diplomatické schopnosti pomohly tehdy kosmickou výpravu zachránit. Sonda prošla odtučňovací kůrou, její hmotnost se snížila o víc než polovinu. Koncem roku 1989 ji pak do kosmu vynesla raketa Delta. „Pozorovat za rozbřesku její start bylo úžasné a zároveň děsivé,“ řekl Mather během pražské přednášky. Kdyby mise selhala, patnáctileté úsilí stovek lidí by přišlo vniveč.

Start se však zdařil a už prvních devět minut sběru dat prokázalo, že zbytkové záření dokonale odpovídá záření absolutně černého tělesa. Za přístroj, který měření provedl, odpovídal právě John Mather. Když o pár týdnů později promítl výsledný graf na jisté astrofyzikální konferenci, publikum povstalo a začalo tleskat. Teorie stacionárního stavu se v tu chvíli definitivně odplížila do zapomnění. Křivka svědčila o tom, že všechno bylo kdysi stlačeným plynem žhavějším než jádro Slunce.

Snímek kosmického embrya

Na palubě sondy studovaly zbytkové záření i jiné přístroje než ten Matherův. Jeden z nich vyvinul tým vedený druhým z letošních nobelistů, astrofyzikem Georgem Smootem z Kalifornské univerzity. Z údajů, které přístroj získal, se podařilo sestavit portrét kosmického embrya – vesmíru, když mu bylo pouhých 389 tisíc let (dnes je vesmír starý zhruba 14 miliard roků). Převedeno do měřítek lidského života, je to, jako kdyby osmdesátiletý stařec namířil fotoaparát do minulosti a vyfotografoval sám sebe coby čerstvé novorozeně.

Světlo či jiné elektromagnetické záření, které k nám letí ze vzdálených oblastí vesmíru, se vydalo na cestu velmi dávno, a nabízí tedy svědectví o procesech, jež probíhaly třeba i dlouho před vznikem Slunce. Existuje ale nějaká časová mez, za kterou už „dohlédnout“ nelze? Je to právě doba, kdy byl vesmír starý přibližně 389 tisíc let. Právě tehdy vychladl natolik, že se elektrony a protony spojily do prvních stabilních atomů a vesmír se stal průhledným pro záření (protony a elektrony jsou částice elektricky nabité, a dokud existovaly samostatně, záření rozptylovaly; naopak neutrální atomy mu dovolily projít). Mlha se zvedla, vesmír ukázal svou tvář.

Záření pocházející z této doby nabízí tedy obraz „konečného neprůhledného povrchu“, nejranější snímek žhavé koule velkého třesku. Není to ale „koule“ jednolitá; vidíme na ní skvrny, otisk hustších oblastí, jimiž se tehdy musely fotony prodírat. Je to památka na zárodky galaxií.

Postupně záření pocházející z této doby vychladlo, jeho vlnová délka se zvětšila. Stalo se mikrovlnným „šumem pozadí“, otisk kosmického embrya se stíny hustších oblastí v něm ale zůstal dodnes. Smootův tým byl první, kdo jej odhalil.

V roce 1992 slavný fyzik Stephen Hawking o sondě COBE řekl: „(přinesla) největší objev století a možná všech dob.“ Minulý týden jej doplnil americký kosmolog Max Tegmark, když přirovnal Smootův výzkum k objevu genetického kódu. „Je to naše kosmická DNA, plán kódující, jak se kosmické dítě bude vyvíjet,“ charakterizoval pro list New York Times drobné odchylky v teplotě mikrovlnného záření přicházejícího z různých částí oblohy, které Smoot se svým týmem změřil a podle nichž sestavil obrázek zárodků prvních galaxií.

Tím se alespoň stručně dostáváme k dalším dvěma letošním Nobelovým cenám uděleným v přírodovědných disciplínách. Vládl jim totiž jediný obor – genetika. Oceněné objevy souvisejí s mechanismy, pomocí nichž buňka pracuje s informacemi uloženými v genetickém kódu.

To už je samozřejmě jiná historie, které se budeme věnovat zase někdy příště. Pozoruhodná je ale jedna věc: Nobelovy ceny často míří k autorům objevů, jejichž význam není jednoduché vysvětlit. Udály se totiž už před mnoha desetiletími a změnily relativně malou část příslušného vědního oboru. Letošní rok byl trochu jiný. Ceny za medicínu a fyziologii, za fyziku a za chemii připadly lidem, jejichž práce výrazně změnila pohled na ta nejhlubší tajemství vesmíru a živých organismů.

A ještě jedna věc stojí za pozornost. Všechny „přírodovědné“ ceny letos získali Američané. Leccos to vypovídá o síle americké vědy.

(Respekt, www.respekt.cz)