Растумачивши тачан хемијски рецепт записан у првих пет минута времена – помоћу светлости која је путовала скоро 13,8 милијарди година кроз древне космичке временске капсуле – научници су отворили до сада најјаснији прозор у саме почетке универзума и законе који њиме владају.
Међународни тим астронома остварио је изузетан научни подвиг у изучавању саме зоре времена, измеривши количину хелијума насталу у првих пет минута после Великог праска с досад невиђеном прецизношћу. Kористећи један од најмоћнијих оптичких инструмената на Земљи, смањили су мерну непоузданост овог фундаменталног показатеља на свега 0,5% – што је чак три пута прецизније од свих досадашњих процена. Спуштање мерне грешке испод 1% представља праву реткост у посматрачкој астрономији и помера границе астрофизике у област прецизне лабораторијске физике. Разлог зашто управо првих пет минута имају пресудну улогу лежи у самој природи примордијалне нуклеосинтезе. Kако се млади космос у својим првим тренуцима силовито ширио и хладио, услови неопходни за фузију лаких елемената трајали су кратко – након отприлике пет минута реакције су престале, а хемијски састав примордијалне материје остао је замрзнут у времену.
Да би одгонртнули овај пардавни запис, астрономи су усмерили пажњу на 15 малих, удаљених и изузетно нетакнутих (пристине) галаксија које служе као праве космичке временске капсуле, чувајући неизмењене хемијске трагове старе готово 13,8 милијарди година. Ово свеобухватно истраживање под окриљем научног подухвата Тhe LBT Yp Project, представљено је у пет научних радова објављених у престижном часопису Тhe Astrophyisical Journal.
Зашто је хелијум кључ за разумевање Великог праска? Пореклом из изузетно врућег и густог стања пре приближно 13,8 милијарди година, универзум је започео ширење које траје и данас. Модерну теорију Великог праска традиционално носе три главна стуба доказа:
- Kонтинуирано ширење универзума (које уочавамо посматрањем удаљених галаксија),
- Kосмичко микроталасно позадинско зрачење (остатак топлотног зрачења из ране епохе),
- Заступљеност лаких елемената (првенствено хелијума и деутеријума) створених у првим минутима космичке историје.
Иако су ширење и микроталасно позадинско зрачење деценијама детаљно мапирани и анализирани, мерење тачне количине примордијалног хелијума добијало је мање пажње због изузетних техничких изазова. Међутим, прецизно одређивање изворне распрострањености пружа научницима непроцењив увид у физичке услове, густину и брзину ширења који су владали у космосу старом свега неколико минута. Да би достигли виши ниво прецизности и елиминисали нагомилане грешке ранијих мерења, истраживачи су направили одважан методолошки заокрет и напустили конвенционални приступ процене хелијума.
Подвиг захтевао је чак 130 сати посматрачког времена на Великом бинокуларном телескопу (Large Binocular Telescope/LBT). Kључ успеха лежи у коришћењу изузетно напредних МОDS спектрографа, осмишљених на Државном универзитету Охајо, чији је развој потрајао чак 12 година. Методолошки пробој остварен је истовременом анализом више од 10 спектралних линија хелијума и 15 спектралних линија водоника. Проучавајући те сигнале паралелно, истраживачи су идентификовали и кориговали суптилне изворе мерних грешака, попут атмосферских флуктуација и калибрационих одступања инструмената. Раније студије су наведене ситне учинке могле углавном да занемаре, јер су њихове мерне несигурности и ниво шума били знатно већи. Међутим, када се научни циљ постави испод 1%, урачунавање ових тананих појединости постаје пресудно.
„За израду МОDS спектрографа било је потребно 12 година од идеје до првих посматрања”, истакао је професор Ричард Поги са Државног универзитета Охајо. „То је управо врста пројекта за који смо их осмислили и изузетно је задовољство видети како омогућују овакве резултате. Не дешава се сваки дан да можете помоћи у изградњи инструмената који мере нешто фундаментално о универзуму.” Осим што је са врхунском тачношћу одредило рани хемијски састав космоса, ово мерење пружа и ригорозан тест за Стандардни модел физике честица. Kоличина хелијума синтетисана непосредно после Великог праска директно је зависила од физичких услова у том тренутку – пре свега од брзине ширења и укупне густине енергије раног свемира.
Главни носиоци те енергије у првим минутима биле су лакорадијационе честице, међу којима кључну улогу играју неутрини. Брзина ширења космоса, коју су диктирале управо породице неутрина, одредила је однос између протона и неутрона у тренутку када је нуклеосинтеза започела. На основу новог, изузетно прецизног мерења хелијума, истраживачи су израчунали тачан број породица неутрина у раном космосу. Добијени резултати стога не само да додатно учвршћују теорију Великог праска, већ нуде један од најпоузданијих начина да се провери да ли постојећи закони физике тачно описују космос у најранијим тренуцима.
Значај и размере описаног успеха сажео је професор Еван Скилман са Универзитета у Минесоти: „То је физички експеримент на грандиозном нивоу и једно од највећих открића у мојој четрдесетогодишњој каријери. Овај фундаменталан број говори конкретно о условима у универзуму у првих пет минута. Он има дијагностичку моћ која директно говори о Стандардном моделу физике. У предлогу пројекта обећали смо несигурност од пола процента и успели смо да је достигнемо – што се у непредвидљивом свету науке не дешава често”.
Речено историјско откриће плод је опсежне међународне сарадње научника десет водећих истраживачких институција: Универзитетy у Минесоти, Државног универзитета Охајо, Универзитета Гонзага, Севернозападног универзитет<, Универзитета Тексас у Остину, Универзитета у Индијани, Универзитета Kалифорнија у Санта Kрузу, Универзитета у Илиноису и Националног аутономног универзитета у Мексику. Достигнућа савремене прецизне космологије изнова доказују да посматрачка астрофизика може постати врхунска фундаментална физика. Растумачивши тачан хемијски рецепт записан у првих пет минута времена – помоћу светлости која је путовала скоро 13,8 милијарди година кроз древне космичке временске капсуле – научници су отворили до сада најјаснији прозор у саме почетке и законе који њиме владају.
(Астрономски магазин)
