Astronomski dokazi koji dolaze od dosadašnjih rezultata posmatranja najsavremenijim teleskopima sugerišu da je deo univerzuma koji možemo da vidimo (takozvani vidljivi univerzum) homogen i izotropan.
Dr Darko Donevski
Pažnja astronomske javnosti širom sveta usmerena je na lansiranje jednog od najvažnijih naučnih instrumenata napravljenih do sada u 21. veku – u pitanju je teleskop Euclid. Cilj ove velike međunarodne misije je razrešenje nekih od najvećih pitanja o obliku svemira i raspodeli materije u njemu. Jedna od važnih poruka moderne astronomske nauke je da se kompleksnost svemira ne može objasniti ljudskom intuicijom i logikom. Kao posledica toga postoji duga lista elemenata kosmosa koji se ne mogu usaglasiti sa vrlo ograničenom ljudskom percepcijom.
Od svih, geometrija samog univerzuma, kao i raspored i evolucija materije i energije spadaju u red najkomplikovanijih i najčešće diskutovanih. Verujem da su mnogi od vas, zagledani u noćno nebo razmišljali kako se svemir neograničeno proteže u svim pravcima. Večno protezanje svemira nameće se kao očigledno i logično. Ipak, zaključak je više rezultat naše mentalne slike kosmosa nego detaljne analize naučnih podataka. S obzirom na to da naš intuitivni model ne mora da bude nužno tačan (a najčešće i jeste netačan), neophodno je razmisliti kako da ga ispravimo. Mnogi modeli prirode koje je čovek karakterisao kao neminovno očigledne i jasne, doživeli su svoje drastične razvoja moderne nauke. Astronomija je neretko odlazila i korak dalje, te je jedna od nauka koja je najčešće opovrgavala veliki broj netačnih ili nepreciznih modela. Na kraju krajeva, ne tako davno, smatralo se da je naša planeta ravna, jer je zakrivljenost Zemlje delovala previše suptilna da bi se o njenom merenju razmišljalo u naučnim krugovima.
Od Galilejovih posmatranja prošla su četiri veka, a danas znamo ne samo o obliku naše, već i hiljada drugih planeta. Takođe znamo da naša galaksija, Mlečni put, nije centar svemira, kako se smatralo početkom 20. veka, već je samo jedna od milijardi drugih galaksija. Elegantan i efikasan način da sebe uvek podsećamo da antropocentrizam ne ide u korak sa zakonima kosmosa. Ipak, tokove razmišljanja o obliku i gustini svemira nije lako ispratiti. Baš kao što je model sfere razrešio zablude o ravnoj planeti, drugi trodimenzionalni geometrijski oblici nude moguće alternative za našu percepciju beskonačnog svemira.
Ravna ili nije?
Da bismo krenuli sa ispitivanjem ovog problema, hajde da prvo postavimo neka važna i otvorena naučna pitanja. Jedno bi moglo da glasi: kakva je geometrija svemira? Pri tome, pod geometrijom svemira mislimo na njegove lokalne i globalne karakteristike. Lokalna geometrija svemira sastoji se u merenju uglova i površina lokalnih struktura (da, i mi astronomi imamo svoje kosmičke lenjire). Drugo pitanje se odnosi na globalnu geometriju: kakva je topologija svemira kao celine, odnosno kako su njegovi sastavni delovi međusobno povezani?
S obzirom na to da se danas zna da strukture u svemiru formiraju mrežu nalik paukovoj, ovo pitanje je neodvojivo od razumevanja načina na koji se spajaju te male (lokalne) svemirske skale, i velike (kosmološke) skale. Drugim rečima, pitanje o topologiji svemira moglo bi da bude preformulisano i u: kako su strukture u lokalnom svemirskom okruženju (npr. galaksije i grupe galaksija), povezane sa strukturama na velikoj skali, poput kosmičkih filamenata kroz koje se sliva vodonični gas kojim galaksije pune svoje gasne rezervoare. Ukoliko već uviđate da ceo koncept oblika svemira odstupa od većine naših intuitivnih očekivanja, dodajte na ovo i podatak da se u svemiru najkraći put između dve tačke opisuje zakrivljenom linijom.
Zakrivljenje je važno predviđanje Ajnštajnove opšte teorije relativnosti, poznato i kao opšta teorija gravitacije. Mogli bismo da pričamo danima o matematičkim rešenjima Ajnštajnove teorije. Za početak, pomenimo samo da je najpopularnije tumačenje teorije dao naučnik Aleksandar Fridman, koji je definisao parametar koji povezuje gustinu svemira i njegov oblik. Fridmanovo rešenje predviđa da, u zavisnosti od gustine materije i energije, svemir može imati jedan od svega tri moguća oblika: (1) može biti prividno ravan poput lista papira; (2) zatvoren, poput sfere; (3) otvoren, poput sedla za jahanje. Vizuelizacija ovih geometrijskih oblika mnogo je kompleksnija nego što ih mi možemo predstaviti i objasniti u ovom tekstu. Na primer, izraz ravan svemir ne odnosi se na dvodimenzionalni opis sa kojim se često susrećemo u svakodnevnom životu, već trodimenzionalno poravnanje.
Evo i jedne analogije da ovaj pojam i razlike bolje razumemo. Zamislite da stojimo u jednom uglu prostorije kvadratnog oblika. Koračajmo nekoliko stopa duž zida do prvog ćoška, a zatim se okrenimo za 90 stepeni, othodajmo do sledećeg ćoška i tako još dvaput. Rezultat: naći ćemo se tamo gde smo započeli svoj put, tj. opisali smo ceo kvadrat. Ovo je standardna euklidska geometrija koju smučili u školi. Dodajmo joj još jednu dimenziju i dobićemo upravo ravan univerzum. Međutim, ukoliko bismo hteli da sprovedemo identičan eksperiment na pozitivno zakrivljenom prostoru koji predstavlja zatvoreni univerzum, dobili bismo drugačiji ishod. Skakanjem sa Zemljinog ekvatora ka Severnom polu, a zatim zaokretom za 90 stepeni i hitrim skokom nazad u pravcu ekvatora, bio bi nam potreban još samo jedan okret da se vratimo na svoju početnu tačku. Primetimo da su nam u primeru ravnog univerzuma bila potrebna četiri okreta da se vratimo tamo odakle smo krenuli, dok nam je u primeru zakrivljenog, zatvorenog svemira, trebalo samo tri. Pretpostavljam da se sada mnogi od vas pitaju kako astronomi mogu da pomognu pri odgonetanju oblika svemira.
Jedan (uslovno rečeno, lakši) način je korišćenje kosmičke mikrotalasne pozadine o kojoj smo pisali. Ova pozadina potiče od reliktnog zračenja Velikog praska, i sadrži male prostorne varijacije u temperaturi ove slabašne svetlosti. Početne fluktuacije potekle od širenja svemira proizvode talase koji se kreću kroz rani univerzum. Stvarna vrednost ovih oblasti različite temperature može se precizno izračunati i zatim uporediti sa očekivanom. Ukoliko živimo u zakrivljenom svemirprividna veličina hladnih i vrućih tačaka će biti veća nego u slučaju ravnog svemira. Ovo je kao da vršimogromno trigonometrijsko merenje celog kosmosa i iscrtavamo geometriju prostora. Nekoliko velikih naučnih timova je premeravalo geometriju kosmosa upravo na ovaj način. Trenutni zaključak? Geometrija svemira je ravna, shodno zaključku slavnog matematičara Euklida iz Aleksandrije, od pre 2000 godina – zbir uglova u trouglu jednak je 180 stepeni!
Međutim, nekoliko nedavnih studija nalaže oprez pri isticanju konačnog zaključka, pre svega zbog posmatračkih efekata koji često nisu uračunati na pravilan način. Drugi metod merenja gustine materije i energije u svemiru je mnogo direktniji, ali i teži – on se svodi na sistemsko premeravanje mase vidljive i nevidljive materije. Kako je moguće uraditi tako nešto? Najpreneophodno je izgraditi teleskope sa dovoljno moćnom optikom za snimanjogromnog dela nebeske sfere, samim tim i statistički značajnog broja kosmičkih struktura (poput galaksija). Nakon što se inicijalni deo posla obavi, astronomi i astrofizičari pristupaju analizi podataka i računanju kolika je gustina galaksija u određenoj zapremini prostora u svemiru. Za oblast u okviru koje se zapremina računa, često se uzima cilindar prečnika nekoliko megaparseka, što je vrednost 100 puta veća nego što je prečnik našeg Mlečnog puta. Ovako velika prostranstva svemira uporediva su sa velikim kosmološkim skalama, pomenutim u ranijem delu ovog teksta. Poslednji korak je izračunavanje koliko u svakoj od tih galaksija ima vidljive materije (što je ekvivalentno zbiru mase svih zvezda, gasa i prašine), kao i pravljenje modela raspodele materije između njih. Zvuči kao sizifovski posao, ali rezultat ovog truda bio bi i definitivni odgovor na pitanje o obliku svemira. Jednostavno, zar ne?
Na velikim skalama
Astronomski dokazi koji dolaze od dosadašnjih rezultata posmatranja najsavremenijim teleskopima sugerišu da je deo univerzuma koji možemo da vidimo (takozvani vidljivi univerzum) homogen i izotropan. Homogenost svemira implicira da je gustina kosmosa približno ista, dok izotropnost naglašava da prostorni deo svemira izgleda isto u svakoj tački i u svakom pravcu. Da bi omogućili odgovor na ova ključna kosmološka pitanja, Evropska svemirska agencija je pre 15 godina započela konstruisanje teleskopa čije ime savršeno oslikava njegovu namenu – u pitanju je Euclid. Naziv misije zasluženo odaje važnu počast slavnom starogrčkom matematičaru koji se smatra ocem geometrije, piscu kapitalnog dela Elementi, i prvom koji je uveo sistem naučnih dokaza u matematičke diskusije.
Iako o Euklidu iz Aleksandrije postoji malo pisanih dokaza, čak toliko malo da su mnogi istoričari nauke sumnjali da se zaista radi o istorijskoj ličnosti, teleskop će biti dijametralna suprotnost. Velika količina podataka, smeštena na servere nacionalnih instituta u Italiji i Francuskoj, omogućiće stotinama naučnih timova lak uvid u sve rezultate misije. Nakon višegodišnjih korekcija u njegovim tehnološkim detaljima i optici, Euclid je julu lansiran raketom Falcon 9 privatne kompanije SpaceX sa kosmodroma u Francuskoj Gvajani. Šta možemo reći o tehničkim karakteristikama svemirskog teleskopa?Dugačak je 4,5 metra i opremljen je glavnim ogledalom prečnika 3,1 metra. Posmatranja će vršiti u dva dela elektromagnetnog spektra, vidljivom i bliskom infracrvenom području. Jezikom talasnih dužina, to nam govori da će uspešno snimati kosmičke talase koji su dugački između 500 i 2.000 nanometara, što je slično opseguHubble-a.
Konstrukcija primarnog ogledala obavljena je u laboratoriji za astrofiziku u Marselju, a trajala je poslednjih sedam godina. S obzirom na to da sam u tu proveo važan deo svog istraživačkog rada, često sam imao priliku da kroz specijalan prozor na balkonu posmatram radove u inženjerskoj sobi (tzv. čista soba), u kojoj je tim tehničara u belim skafanderima svakodnevno pažljivo testirao i dorađivao svaki delić ogledala. Jedan od najzabavnijih bio je test treskanja, koji je za cilj imao da ispita izdržljivost optike na snažne perturbacije kakve se mogu očekivati tokom svemirske plovidbe. Ogledalo je s velike trambuline bacano uvis nekoliko puta sve dok se iz rezultujućih signala nije otklonila i najmanja mogućnost defekta.
Nakon mesec dana kretanja po takozvanoj Lisažuovoj putanji do tačke L2, koja je udaljena više od milion kilometara od Zemlje. U istoj tački je lociran i najveći teleskop dosad poslat s naše planete, James Webb, pa možemo uslovno reći da će Euclid i Webb biti kosmičke komšije. Mapiraće veliki deo parčeta svemira, čak 15.000 lučnih stepeni, što je ekvivalentno trećini celokupne nebeske sfere! Primera radi, teleskop Webb, iako najprecizniji i najsenzitivniji instrument ikada, nema toliku moć širokopojasnog posmatranja neba, te će njegovi katalozi podataka obuhvatiti 100 puta manju površinu.
Ovo je ujedno i odgovor na pitanje zašto čak i impresivne opservatorije, poput Webb ili Hubble teleskopa, nisu dovoljne da nam same razreše sve misterije univerzuma. Nakon što obavi prvi deo misije sinhronog posmatranja neba, Euclid će naknadno biti usmeren na neka od najpoznatijih vangalaktičkih polja, opsežno istraženih malih delova neba u kojima su astronomi do sad identifikovali kompleksni diverzitet galaksija izuzetne udaljenosti i karakteristika. Najpoznatije od tih polja je Hablovo ultraduboko polje. Cilj ponovnog, produženog snimanja tih majušnih, ali dubokih polja, jeste identifikacija najudaljenijih objekata, kao i onih sa najslabijom sjajnošću, poput dalekih, planetarnih sistema i malih galaksija (100-1000 puta manjih od Mlečnog puta). Sve ovo za cilj ima da se astronomima i astrofizičarima obezbede vredni katalozi sa oko deset milijardi kosmičkih objekata, pre svega galaksija. Tako velika statistika omogućiće da odgovorimo na neka od najvažnijih otvorenih pitanja moderne nauke, pre svega na ona o obliku i gustini svemira.
Materija u svemiru je aranžirana nalik čvorovima i nitima paukove mreže. Čvorovi čine mesta gde se međusobno presecaju filamenti, svojevrsni kanali prenosa materijala kojim se galaksije hrane tokom svog života. Kosmički filamenti su džinovske strukture, najveće u celom kosmosu. Koliko su velike, možete vizuelizovati tako što ćete zamisliti ceo prostor oko nje ispunjen još stotinama drugih galaksija. Mlečni put je zaista deo jednog takvog sistema, koji se naziva Laniakea superjato galaksija. Ipak, čak i ovo superjato i dalje nije dovoljno veliko da se takmiči sa veličinom kosmičkih filamenata koji se protežu između krajeva svakog od pomenutih superjata. Dužina kosmičkih filamenata može da bude veća od 80 megaparseka, što je jednako dužini od oko sto miliona svetlosnih godina!
Filamenti u kosmosu su krucijalni za testiranje kosmološkog modela Velikog praska, jer je predviđeno da oni direktno prate ne samo raspodelu najgušćih delova vidljive materije (zvezda i gasa u jatima galaksija), već indirektno trasiraju put kojim se proteže nevidljiva tamna materija. Drugim rečima, ukoliko je kosmološki model Velikog praska tačan i kompletan, najveća masa tamne materije trebalo bi da bude na mestima najgušćih i najzapetljanijih filamenata. U tim petljama je gravitaciona sprega između velikih galaksija najjača, a ova ilustracija nam pomaže da lakše razumemo jedinstvenost teleskopa Euclid: to je njegova mogućnost da mapira protezanje i razmenu materije na velikim udaljenostima, omogućavajući nam direktan uvid u to kako kosmički filamenti izgledaju u različitim epohama kosmosa.
Evolucija galaksija
Kada govorimo o različitim epohama kosmosa, onda govorimo o tome kolika je udaljenost nebeskih tela koja smo uočili teleskopima. Crveni pomak je standardni parametar koji astronomi upotrebljavaju da bi iskazali koliko je neka zvezda ili galaksija daleko od mesta posmatranja. Euclid će snimati kako u lokalnom svemiru (crveni pomaci bliski nuli) tako i u prostranstvim udaljenim do deset milijardi svetlosnih godina od nas, na crvenim pomacima većim od tri.
Tačno izračunavanje udaljenosti galaksije nije trivijalan posao. Astronomi ova merenja često karakteristika slika u različitim filterima), a kad god je mogu će, pribegavamo mnogo preciznijim, spektro skopskim metodama. Upravo će spektroskopska metoda biti važan deo misije Euclid, s obzirom na to da je opservatorija opremljena spektralnim uređajem srednje rezolucije. Ako vam sve ovo zazvuči komplikovano, nemojte se uplašiti. Cilj spektralnih merenja je svojevrsni monitoring pojavljivanja linija poznatih hemijskih elemenata (na primer, vodonika) u kosmosu, te njihovo upoređivanje sa standardnim laboratorijskim vrednostima. Što je veća razlika između posmatranih i laboratorijskih frekvencija, to je veća udaljenost objekta. Metoda omogućava precizno merenje udaljenosti miliona galaksija koje će biti snimljene, omogućavajući nam statističko praćenje njihove evolucije.
Smatra se da paukova mreža svemira nije jednako naseljena galaksijama u različitim razdobljima života svemira. U mladom, ranom kosmosu, koji obuhvata istoriju od nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska, ne očekujemo preveliki broj zgusnutih jata i protojata galaksija. Razlog za to je vreme (od oko milijardu godina) potrebno da se galaksije gravitaciono privuku i zaključaju u jedan sistem. Sa druge strane, smatramo da je najveći deo univerzuma relativno prazan, te da nije ispunjen galaksijama velike mase. Naizgled prazne oblasti svemira nazivamo kosmičke praznine (cosmic voids). Mapiranje raspodele kosmičkih praznina zahteva jednak napor kao i mapiranje gustih filamenata. Neophodno je napraviti trodimenzionalni snimak značajnog dela nebeske sfere i zatim pažljivo izračunati kolika je gustina gasa, zvezda i prašine u različitim delićima te zapremine. Ukoliko bi se ispostavilo da kosmos kao celina ima zanemarljivu gustinu materije, to bi potvrdilo teorijske pretpostavke da njim dominiraju praznine.
Ono što je uzbudljivo u godinama koje slede, jeste shvatanje dinamičkih osobina tog razređenog prostora. Aktuelna nedoumica u vezi sa njim je da li se i u takrazređenom prostoru mogu formirati velike strukture, poput galaksija sličnih našoj? Poslednja istraživanja pokazuju da je ovaj scenario realan, što dodatno komplikuje interpretaciju ionako kompleksne slike evolucije kosmosa. Postojanje kompleksnih hemijskih jedinjenja, vodom bogatih vansolarnih planeta i čestica prašine koje su agensi organskog života, deluje kao sasvim razumno očekivanje i za one kutke svemira za koje smo ranije smatrali da su pusti i nezanimljivi.
Devedesetih godina prošlog veka kosmolozi su došli do iznenađujućeg otkrića da se univerzum danas širi brže nego u svojim ranijim dobima. Preciznije rečeno, kosmos se širio od svog rođenja u Velikom prasku, ali su naučnici pretpostavljali da će se brzina kojom se širi vremenom usporiti, usled gravitacija sveukupne materije koja bi se opirala širenju. Iako je za ovo otkriće dodeljena Nobelova nagrada, razumevanje razloga za ubrzano širenje svemira i dalje ostaje jedan od najvećih izazova kosmologije i fundamentalne fizike. Teleskopom koji je dovoljno osetljiv da vidi svetlost kojoj je trebalo deset milijardi godina da stigne do nas, Euclid će nam reći kako se brzina širenja kosmosa menjala tokom vremena. Svojim širokougaonim pogledom Euclidće, takođe, istražiti da li je ekspanzija ista u svim pravcima. Ako nije, ovo bi narušilo ono što je poznato kao kosmološki princip, koji pretpostavlja da na dovoljno velikoj skali univerzum izgleda isto u svim pravcima, i sa svake lokacije.
Na kraju, problem svih problema. Postojanje tamne materije i ubrzano širenje svemira: oba su u bliskoj vezi sa gravitacijom. Kao što smo pomenuli, Ajnštajnova teorija gravitacije opisuje je kao posledicu masivnih objekata koji savijaju prostor-vreme. Predmeti različite mase različito deformišu prostor-vreme, slično klikerima na tankom listu papira. Do sada opšta teorija relativnosti je uspešno prošla sve posmatračke testove, od postojanja crnih rupa do gravitacionih talasa.
Ipak, postoji jedna velika razlika između svih ranijih eksperimenata i onog koji će izvršiti teleskop Euclid – nijedan test teorije gravitacije nije napravljen na tako velikim udaljenostima i na tako raznovrsnim kosmičkim epohama kakve će Euclid moći da obuhvati. Na primer, merenja mase crnih rupa u galaksijama do sad su bila luksuz za samo nekoliko objekata u lokalnom svemiru, dok će Euclid pomoći da to postane rutinirana stvar i za veoma daleke galaksije analogne lokalnim džinovima M87 ili M31. Na ovaj način, Euclid će nam dati uvid u to da li se opšta relativnost narušava na velikosmološkim skalama.
(Ilustracije Sanja Crnjanski)
(Elementi)
