Lovci na kosmičko semenje

Prošle nedelje u Stokholmu je dodeljena ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku dvojici američkih astrofizičara, Džonu Materu i Džordžu Smutu. Mater i Smut su nagradu dobili „za otkriće spektra crnog tela i anizotropija mikrotalasnog pozadinskog zračenja“. To zaista lepo zvuči, ali iskreno govoreći vrlo malo ljudi će na prvi pogled razumeti značenje ovog obrazloženja. Upućeniji će iz toga shvatiti da su Mater i Smut dobili Nobelovu nagradu jer su nešto petljali oko kosmičkog zračenja, baveći se tom prilikom i Velikim praskom. Zapravo, radeći na jednom velikom projektu u NASA, ova dva američka astrofizičara su početkom devedesetih godina ispitivali najranije detinjstvo Univerzuma i svojim merenjima uspeli da neprikosnoveno potvrde teoriju Velikog praska.

VELIKI PRASAK: Među svim mogućim opštim temama, od Velikog praska verovatno nema opštije, što je valjda i logično zbog predmeta kojim se bavi. No, ove jeseni kosmologija je čak i u Srbiji prilično popularizovana, upravo Nobelovim priznanjem, ali i neočekivanom pojavom dve odlične knjige iz popularne nauke, koje se na neki način bave nastankom kosmosa – jedna je Poslednjih 14 milijardi godina Milana M. Ćirkovića, Aleksandra Zorkića i Slobodana Sprema, a druga Pre Velikog praska braće Bogdanov.

Vratimo se na početak. Prema standardnom kosmološkom modelu, Univerzum je star oko 13,7 milijardi godina. Pre toliko vremena započeo je svoje globalno širenje, a u međuvremenu se svašta izdešavalo. Na početku, neposredno posle Velikog praska, Univerzum je bio u stanju velike homogenosti i gustine. Kad je napunio 380.000 godina, nastala je prva svetlost, iz takozvane primordijalne kaše izdvojili su se fotoni i počeli da se kreću. Ideja Velikog praska i potonjeg širenja svemira potekla je od dva naučnika iz dvadesetih godina XX veka, Žorža Lemetra i Aleksandra Fridmana, a njihova teorija je potvrđena mnogobrojnim eksperimentima i osmatranjima kosmosa. ću unio 380 hiljada godina, iz takozvane primordijalne kaše su se izdvojili fotoni te iz – anizotropija osobin

Ali, šta su uopšte te ružnoimene „anizotropije mikrotalasnog pozadinskog zračenja“? Kad se malo razjasni, videće se da stvari ipak nisu tako komplikovane, bar ne onoliko koliko značaj Materovog i Smutovog doprinosa kosmologiji. A ni ideja tih anizotropija uopšte nije nova.

ANIZOTROPIJE: Tako je pre 2500 godina grčki filozof i prijatelj atinskog državnika Perikla, Anaksagora iz Klazomene (500–428), u svojoj kosmologiji tvrdio da su u prastanju svemira „sve stvari bile zajedno“, smatrajući da su se u „prvobitnoj mešavini svega sa svačim“ nalazila i sva „semena“. Za modernu kosmologiju anizotropije su upravo „semena“ primordijalne kaše iz kojih su se kasnije razvile sve poznate strukture. Gadno zvuči, ali bi se u nategnutoj analogiji Univerzum na početku širenja mogao zamisliti kao puding u kome su se pri hlađenju pojavile grudvice. Kojih stotinak miliona godina kasnije, grudvice su se razvile u zvezde i galaksije.

Anizotropija je neravnomernost, a inače, u fizici predstavlja svojstvo materijala da pokazuje različite karakteristike duž različitih osa. Anizotropni kristal neće imati isti indeks prelamanja svetlosti duž različitih pravaca. Suprotno od anizotropnih, sredine koje se nazivaju izotropne imaju iste osobine po svim pravcima. Takva izotropna sredina bio je i Univerzum na samom početku svog širenja. „Rani svemir je bio lišen ikakve strukture, bila je to samo usijana i uniformna masa koja se širila i hladila“, rekao je za „Vreme“ astrofizičar Milan M. Ćirković iz Atronomske opservatorije u Beogradu, jedan od autora knjige Poslednjih 14 milijardi godina. „Pravo pitanje je, dakle, otkuda u svetu oko nas struktura? Danas znamo odgovor na to pitanje. Ako kuće rastu iz temelja, tada sve što vidimo u kosmosu raste iz – anizotropija mikrotalasne pozadine“, objašnjava Ćirković.

Za priču o bilo kakvom kosmološkom istraživanju važno je podsetiti se da se svetlost kreće konačnom brzinom (299.972 km/s). Za zemaljske razmere to je ogromna brzina, ali u kosmičkim prostranstvima svetlost gotovo da jedva mili. Na Zemlji vidimo razne događaje u dubini Svemira, koji su se na ogromnoj udaljenosti desili još pre više miliona i milijardi godina, zato što je svetlosti trebalo toliko vremena da doputuje do Zemlje. Gledanjem u nebo, astronomi mogu da vide prošlost. Jedna zvezda je eksplodirala pre deset miliona godina, druga, mnogo dalja, pre 150 miliona, a slika oba ta događaja tek sada stiže do Zemlje. Postavlja se pitanje: od kog najstarijeg događaja svetlost stiže na Zemlju?

Pošto nema prostornih ograničenja, zapravo, najstarija svetlost koja do nas stiže je ona koja je prva emitovana još pre 13 milijardi i kusur godina. Kao što je već pomenuto, prva emisija se uslovno desila 380.000 godina od nultog trenutka, kad su fotoni prvi put napustili primordijalnu kašu. Zračenje koje je tad emitovano zaista i danas stiže do Zemlje – upravo to je „mikrotalasna pozadina“ koja se pominje u obrazloženju Nobelovog komiteta. Ovo zračenje je u mikrotalasnom delu spektra i zato se naziva mikrotalasno pozadinsko zračenje (Cosmic Microwave Background, CMB). Ovo kosmičko zračenje su 1965. godine gotovo slučajno otkrili Arno Penzijas i Robert Vilson, za šta su 1978. dobili Nobelovu nagradu.

SATELIT: Mnogo astrofizičara se bavilo ispitivanjem CMB-a. Problem u proučavanju ovog zračenja je što u atmosferi Zemlje dolazi do apsorpcije visokofrekventnog dela spektra CMB-a. Zato je NASA krajem osamdesetih odlučila da lansira jedan satelit koji bi iz svemira u potpunosti snimio mikrotalasnu pozadinu. U velikom projektu koji su predvodili ovogodišnji laureati Džon Mater i Džordž Smut, zajedno sa svojim preminulim kolegom Dejvidom Vilkinsonom, 18. novembra 1989. godine lansiran je satelit COBE (COsmic Background Explorer).

Satelit je po lansiranju uspešno snimio najstariju svetlost u vasioni, a Mater i Smut su obradili dobijene rezultate merenja. Pokazalo se da primljeno mikrotalasno zračenje prati temperaturnu raspodelu koju je predviđao standarni kosmološki model. Ta potvrda je danas jedan od ključnih dokaza za ispravnost ovog modela. Za dobijenu raspodelu se kaže da je raspodela zračenja crnog tela, a Mater i Smut su zajedno sa saradnicima kao rezultat dobili da je temperatura pozadinskog zračenja 2,7 stepeni Kelvina.

Jedno od najvažnijih saznanja koje je pružio COBE jesu temperaturne neravnomernosti u pozadinskom zračenju, koje odgovaraju pomenutim anizotropijama u ranom stanju Univerzuma. Ovim eksperimentom je uočeno da te varijacije temperature postoje i time se pokazalo odakle potiču današnje strukture u Kosmosu. „Standardni kosmološki model predstavlja bez ikakve sumnje jedan od najvećih trijumfa ljudske misli“, rekao je Ćirković, objašnjavajući da je otkriće Matera i Smuta obezbedilo veoma važne dokaze „ne samo da je svemir nastao u Velikom prasku, već i da su u njemu nastali zameci strukture čijom je docnijom evolucijom nastalo sve što nas okružuje“.

Inače, i Džon Mater i Džordž Smut su rođeni 1945. godine, Mater je doktorirao fiziku na Kalifornijskom univerzitetu u Berkliju, a Smut je doktorirao na MIT-u, da bi potom obojica radili u svemirskim centrima NASA. Kao ovogodišnji laureati Nobelove nagrade dobili su medalju i diplomu i podelili sumu od 1,4 miliona dolara. Obojica su i dalje vrlo aktivni istraživači i planiraju lansiranje novih satelita koji će još preciznije snimati najstariju prošlost Univerzuma.