Rastumačivši tačan hemijski recept zapisan u prvih pet minuta vremena – pomoću svetlosti koja je putovala skoro 13,8 milijardi godina kroz drevne kosmičke vremenske kapsule – naučnici su otvorili do sada najjasniji prozor u same početke univerzuma i zakone koji njime vladaju.
Međunarodni tim astronoma ostvario je izuzetan naučni podvig u izučavanju same zore vremena, izmerivši količinu helijuma nastalu u prvih pet minuta posle Velikog praska s dosad neviđenom preciznošću. Koristeći jedan od najmoćnijih optičkih instrumenata na Zemlji, smanjili su mernu nepouzdanost ovog fundamentalnog pokazatelja na svega 0,5% – što je čak tri puta preciznije od svih dosadašnjih procena. Spuštanje merne greške ispod 1% predstavlja pravu retkost u posmatračkoj astronomiji i pomera granice astrofizike u oblast precizne laboratorijske fizike. Razlog zašto upravo prvih pet minuta imaju presudnu ulogu leži u samoj prirodi primordijalne nukleosinteze. Kako se mladi kosmos u svojim prvim trenucima silovito širio i hladio, uslovi neophodni za fuziju lakih elemenata trajali su kratko – nakon otprilike pet minuta reakcije su prestale, a hemijski sastav primordijalne materije ostao je zamrznut u vremenu.
Da bi odgonrtnuli ovaj pardavni zapis, astronomi su usmerili pažnju na 15 malih, udaljenih i izuzetno netaknutih (pristine) galaksija koje služe kao prave kosmičke vremenske kapsule, čuvajući neizmenjene hemijske tragove stare gotovo 13,8 milijardi godina. Ovo sveobuhvatno istraživanje pod okriljem naučnog poduhvata The LBT Yp Project, predstavljeno je u pet naučnih radova objavljenih u prestižnom časopisu The Astrophyisical Journal.
Zašto je helijum ključ za razumevanje Velikog praska? Poreklom iz izuzetno vrućeg i gustog stanja pre približno 13,8 milijardi godina, univerzum je započeo širenje koje traje i danas. Modernu teoriju Velikog praska tradicionalno nose tri glavna stuba dokaza:
- Kontinuirano širenje univerzuma (koje uočavamo posmatranjem udaljenih galaksija),
- Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje (ostatak toplotnog zračenja iz rane epohe),
- Zastupljenost lakih elemenata (prvenstveno helijuma i deuterijuma) stvorenih u prvim minutima kosmičke istorije.
Iako su širenje i mikrotalasno pozadinsko zračenje decenijama detaljno mapirani i analizirani, merenje tačne količine primordijalnog helijuma dobijalo je manje pažnje zbog izuzetnih tehničkih izazova. Međutim, precizno određivanje izvorne rasprostranjenosti pruža naučnicima neprocenjiv uvid u fizičke uslove, gustinu i brzinu širenja koji su vladali u kosmosu starom svega nekoliko minuta. Da bi dostigli viši nivo preciznosti i eliminisali nagomilane greške ranijih merenja, istraživači su napravili odvažan metodološki zaokret i napustili konvencionalni pristup procene helijuma.
Podvig zahtevao je čak 130 sati posmatračkog vremena na Velikom binokularnom teleskopu (Large Binocular Telescope/LBT). Ključ uspeha leži u korišćenju izuzetno naprednih MODS spektrografa, osmišljenih na Državnom univerzitetu Ohajo, čiji je razvoj potrajao čak 12 godina. Metodološki proboj ostvaren je istovremenom analizom više od 10 spektralnih linija helijuma i 15 spektralnih linija vodonika. Proučavajući te signale paralelno, istraživači su identifikovali i korigovali suptilne izvore mernih grešaka, poput atmosferskih fluktuacija i kalibracionih odstupanja instrumenata. Ranije studije su navedene sitne učinke mogle uglavnom da zanemare, jer su njihove merne nesigurnosti i nivo šuma bili znatno veći. Međutim, kada se naučni cilj postavi ispod 1%, uračunavanje ovih tananih pojedinosti postaje presudno.
„Za izradu MODS spektrografa bilo je potrebno 12 godina od ideje do prvih posmatranja”, istakao je profesor Ričard Pogi sa Državnog univerziteta Ohajo. „To je upravo vrsta projekta za koji smo ih osmislili i izuzetno je zadovoljstvo videti kako omogućuju ovakve rezultate. Ne dešava se svaki dan da možete pomoći u izgradnji instrumenata koji mere nešto fundamentalno o univerzumu.” Osim što je sa vrhunskom tačnošću odredilo rani hemijski sastav kosmosa, ovo merenje pruža i rigorozan test za Standardni model fizike čestica. Količina helijuma sintetisana neposredno posle Velikog praska direktno je zavisila od fizičkih uslova u tom trenutku – pre svega od brzine širenja i ukupne gustine energije ranog svemira.
Glavni nosioci te energije u prvim minutima bile su lakoradijacione čestice, među kojima ključnu ulogu igraju neutrini. Brzina širenja kosmosa, koju su diktirale upravo porodice neutrina, odredila je odnos između protona i neutrona u trenutku kada je nukleosinteza započela. Na osnovu novog, izuzetno preciznog merenja helijuma, istraživači su izračunali tačan broj porodica neutrina u ranom kosmosu. Dobijeni rezultati stoga ne samo da dodatno učvršćuju teoriju Velikog praska, već nude jedan od najpouzdanijih načina da se proveri da li postojeći zakoni fizike tačno opisuju kosmos u najranijim trenucima.
Značaj i razmere opisanog uspeha sažeo je profesor Evan Skilman sa Univerziteta u Minesoti: „To je fizički eksperiment na grandioznom nivou i jedno od najvećih otkrića u mojoj četrdesetogodišnjoj karijeri. Ovaj fundamentalan broj govori konkretno o uslovima u univerzumu u prvih pet minuta. On ima dijagnostičku moć koja direktno govori o Standardnom modelu fizike. U predlogu projekta obećali smo nesigurnost od pola procenta i uspeli smo da je dostignemo – što se u nepredvidljivom svetu nauke ne dešava često”.
Rečeno istorijsko otkriće plod je opsežne međunarodne saradnje naučnika deset vodećih istraživačkih institucija: Univerzitety u Minesoti, Državnog univerziteta Ohajo, Univerziteta Gonzaga, Severnozapadnog univerzitet<, Univerziteta Teksas u Ostinu, Univerziteta u Indijani, Univerziteta Kalifornija u Santa Kruzu, Univerziteta u Ilinoisu i Nacionalnog autonomnog univerziteta u Meksiku. Dostignuća savremene precizne kosmologije iznova dokazuju da posmatračka astrofizika može postati vrhunska fundamentalna fizika. Rastumačivši tačan hemijski recept zapisan u prvih pet minuta vremena – pomoću svetlosti koja je putovala skoro 13,8 milijardi godina kroz drevne kosmičke vremenske kapsule – naučnici su otvorili do sada najjasniji prozor u same početke i zakone koji njime vladaju.
(Astronomski magazin)
