Mapiranje otiska “božijeg prsta”

Teleskop “Euklid” uspešno je lansiran 1. jula sa kosmodroma u Kejp Kanaveralu, pomoću raketnog nosača “Falkon 9” kompanije “Space X”. Reč je o misiji iza koje stoji Evropska svemirska agencija (ESA). Ona će rezultate istraživanja podeliti sa svojim međunarodnim partnerima kroz nedavno osnovani naučni konzorcijum sa više od 1.200 naučnika iz 18 zemalja.

Teleskop se trenutno nalazi u orbiti oko Zemlje, gde će postepeno rasklopiti svoje solarne panele i rashladiti instrumente do radne temperature. Ako sve prođe kako treba, teleskop će se krajem jula zaputiti ka Lagranžovoj tački L2, milion i po kilometara daleko iza Zemljine orbite, gde će, nakon kalibracije i dodatnih ispitivanja, započeti sa naučnim osmatranjima, tri meseca posle lansiranja. U istoj tački (zapravo, u njenoj neposrednoj okolini), već se nalazi još jedan čuveni kosmički teleskop, “Džejms Veb”. U toj tački gravitaciona dejstva Zemlje i Sunca tako su izbalansirana da letelica može da ostane u fiksnom relativnom položaju u odnosu na Sunce i Zemlju uz minimalan utrošak goriva (Sunce, Zemlja i letelica nalaze se sve vreme praktično na istoj liniji). Time je omogućeno nesmetano kontinuirano posmatranje najvećeg dela neba bez potrebe da opservatorija neprekidno menja svoju orijentaciju u prostoru.

Zašto je “Euklid” tako bitan? Zato što pomoću ovog letećeg teleskopa naučnici pokušavaju da odgovore na nekoliko fundamentalnih pitanja. Od čega je kosmos načinjen? Zašto izgleda ovako kao što izgleda? Koje pokretačke sile upravljaju evolucijom kosmosa? Kakva je njegova budućnost? I koliko će ta budućnost trajati? Ni na jedno od ovih pitanja nemamo ni izbliza celovit i konačan odgovor.

Ako sve treba da uprostimo i sumiramo u jednu rečenicu, recimo da “Euklid” treba da generiše detaljnu, trodimenzionalnu mapu velikog dela kosmosa. Ta slika treba da nam pomogne da objasnimo kakvu ulogu u kosmičkom poretku imaju tamna materija i tamna energija, dominantne komponente kosmosa koje za nas i dalje predstavljaju potpunu misteriju. Situacija je, štaviše, paradoksalna: iako naše znanje o svetu koji nas okružuje raste ogromnom brzinom, ono što ne znamo izgleda da raste još brže.

kosmos kao fina paučina napravljena od nevidljivih niti tamne materije (kompjuterska simulacija)

TAMNA MATERIJA

Osvrnimo se, za trenutak, na činjenice. Do pre 30-40 godina verovalo se da smo u potpunosti pronikli u tajne materije. Mislili smo da je čitav svet oko nas sazdan od čestica kao što su protoni, neutroni, elektroni, fotoni… Ono što smo učili u školi, znate već. Ispostavilo se da je taj model beznadežno nekompletan. Nasledio ga je tzv. LCDM model, prema kome vidljiva materija čini svega četiri odsto kosmičke građe (brojka neznatno varira, zavisno od izvora). Ostatak otpada na tamnu materiju (20 odsto) i tamnu energiju (76 odsto). Celokupno naše dosadašnje znanje ograničeno je na prva četiri procenta, dok ostatak (96 odsto) tek počinjemo da otkrivamo.

Koliko danas znamo o tamnoj materiji? Od vremena otkrića (vidi okvir “Prvi tragovi”) nismo mnogo napredovali. Znamo da je u pitanju materija koja se ne sastoji od dosad poznatih čestica. Znamo da tamna materija na “običnu” materiju deluje isključivo gravitacionom silom i da se to dejstvo može detektovati samo na velikim kosmičkim rastojanjima jer je tamna materija, iako sveprisutna i sveprožimajuća, veoma retka. Znamo da tamna materija niti apsorbuje niti emituje svetlost: ne možemo da je vidimo niti da je dodirnemo. Ne znamo od kojih se čestica sastoji, imamo neke teorije o tome, možemo otprilike da pretpostavimo koja je njihova masa, ali su nam sva ostala svojstva nepoznata. I dalje nemamo čak ni nacrt eksperimenta koji bi nam omogućio direktnu detekciju tamne materije. Nije zato čudo što se problem identiteta tamne materije nalazi na samom vrhu liste najznačajnijih nerešenih problema u fizici.

Misija “Euklida” treba da traje najmanje šest godina. Prvi zadatak opservatorije je da napravi detaljnu mapu distribucije tamne materije u kosmosu. Umesto direktnog opažanja koje nije moguće, “Euklid” će posmatrati uticaj tamne materije na prostiranje svetlosti sa udaljenih galaksija. Oblaci tamne materije formiraju tzv. gravitaciono sočivo koje krivi zrake svetlosti svojim gravitacionim dejstvom, dovodeći do toga da neke od udaljenih galaksija izgledaju deformisano, uveličano ili multiplicirano. “Euklid” je specijalizovan upravo za merenje malih deformacija u izgledu galaksija. Na osnovu ovih merenja, moguće je izračunati koja količna tamne materije je potrebna za to i kako je ona raspoređena. Ideja nije sasvim nova: teleskop “Habl” već se bavio ovakvim merenjima, ali je pokrio samo mali deo neba (dva kvadratna stepena). “Euklid” je, u tom pogledu, mnogo ambiciozniji: detaljna mapa distribucije tamne materije po dubini kosmosa treba da obuhvati čitavih 15.000 kvadratnih stepeni, što predstavlja jednu trećinu čitavog neba.

TAMNA ENERGIJA

A šta je sa tamnom energijom? O njoj znamo još manje nego o tamnoj materiji. Ne, nije reč o misterioznoj “sili” iz serijala Ratovi zvezda, niti je reč o nečemu što je po prirodi mračno i negativno. Kako stvari stoje, tamna energija je esencijalni sastojak praznog prostora, nešto što tera prostor da se konstantno širi. Širenjem prostora, sam prostor raste pa se time i tamna energija uvećava. Ako je sve tako kao što pretpostavljamo, da li to znači da se širenje prostora ubrzava? Ma kako ovo fantastično zvučalo, sve govori da je ova pretpostavka tačna. Merenjem eksplozija udaljenih supernova, grupa naučnika je 1998. godine nedvosmisleno zaključila da je kosmos, neposredno nakon “Velikog praska”, ušao u fazu usporenog širenja da bi u poslednjih pet milijardi godina iz nepoznatih razloga, ušao u “Epohu tamne energije” i počeo da se širi sve brže i brže (za ovo otkriće dodeljena je Nobelova nagradu za fiziku 2011. godine). Ako se ništa spektakularno ne desi, kosmosu je, izgleda, suđeno da nestane u “velikom cepanju”. Proces širenja kosmosa nastaviće se sve bržim tempom, sve dok se rastojanja u njemu ne povećaju do te mere da će se raspasti bukvalno sve: od galaksija, preko zvezda, Sunčevog sistema, planeta i ljudi, do molekula, atoma, atomskih jezgara…

European Space Telescope

Iako se “tamna energija” može lepo uklopiti u Ajnštajnovu opštu teoriju relativiteta (nije nam potrebna neka nova teorija), mi još uvek nemamo šta da uklopimo. Ne znamo da li je tamna energija samo nepoznati broj u Ajnštajnovim jednačinama ili polje, nalik na gravitaciono, koje evoluira sa razvojem kosmosa. Ne znamo ni da li je ekspanzija kosmosa ravnomerna ili ima lokalne oscilacije, ali znamo da je ona ostavila iza sebe “otisak” u vidu karakterističnog rasporeda galaksija. Taj otisak “božijeg prsta” treba da mapira “Euklid”: na njegovoj karti trebalo bi da se nađe nekoliko milijardi galaksija, sve do daljine od oko 10 milijardi svetlosnih godina. Generisana slika trebalo bi da nam da odgovor na neka ključna pitanja: kako se brzina ekspanzije kosmosa menjala tokom istorije i kakva ga budućnost očekuje.

glavno ogledalo euklida 2

Za ovaj poduhvat “Euklid” je opremljen kamerom rezolucije 600 megapiksela, koja snima u vidljivom delu spektra. Ogledalo koje prikuplja svetlost za ovu kameru ima prečnik od 1, 2 metra. Da biste jednu sliku sa “Euklida” videli u celini, sa svim finim detaljima, bilo bi potrebno da nekako objedinite 300 monitora visoke rezolucije. Preciznost kamere oko 50 puta je veća u odnosu na slične uređaje instalirane na zemlji. Tokom misije, teleskop će generisati fantastičnih 170 petabajta podataka, ogromno naučno blago koje će se obrađivati godinama, ako ne i decenijama. Uz kameru, tu je još jedan instrument – spektrometar sa fotometrom. Zadatak ovog instrumenta je da analizira galaktički svetlosni spektar i utvrdi tzv. “crveni pomak” posmatranog objekta. Na bazi crvenog pomaka moguće je utvrditi i udaljenost posmatrane galaksije od nas (vidi okvir “Crveni pomak”). Čitava letelica teška je oko dve tone, dugačka 4, 5 i široka tri metra. Budžet za razvoj teleskopa iznosio je oko 500 miliona dolara, ali će konačni iznos, zajedno sa troškovima eksploatacije, verovatno biti dvostruko veći. Ilustracije radi, teleskop “Džejms Veb” velik je kao tenisko igralište, ima ogledalo prečnika šest metara, a ukupni troškovi konstrukcije bili su veći od 10 milijardi dolara.

EUKLIDOVI ELEMENTI

Sonda je dobila ime po Euklidu, jednom od najvećih matematičara iz antičkog vremena, koji je u svom čuvenom delu Elementi postavio temelj geometrije kao matematičke discipline sistemski izgrađene na malom skupu aksioma. To delo odoleva zubu vremena već više od dve hiljade godina. Ime za sondu nije izabrano slučajno: tamna materija i tamna energija utiču na geometriju kosmosa do te mere da neki od Euklidovih postulata koje danas uzimamo zdravo za gotovo možda i ne važe. Još jedno nerešeno pitanje kojim će se “Euklid” indirektno baviti.

Ako tehnika bude odradila svoje, to neće staviti tačku na naše istraživanje tamne materije i tamne energije. Teško je verovati da će dve najveće enigme čovečanstva biti rešene u kratkom roku. Ali, nova saznanja koja očekujemo svakako će pokazati u kom pravcu dalja istraživanja treba da idu. Možda “Euklid” ponovo oživi i neke alternativne teorije, poput one o postojanju pete sile u prirodi koja se manifestuje isključivo u kosmičkim razmerama. Ima i onih, doduše malobrojnih, koji smatraju da treba menjati i Njutnov zakon gravitacije, naročito kada je u pitanju njeno delovanje na ogromnim rastojanjima: takva jedna promena mogla bi potpuno da eliminiše potrebu za postojanjem tamne materije. Kako god da bude, put do konačnog odgovora na najfundamentalnija pitanja kosmosa biće znatno skraćen.

Crveni pomak

EKSPANZIJA KOJA SE UBRZAVA: Umetnička vizija kosmosa od “Velikog praska” do danas

“Euklid” je, u svojoj suštini, mašina za vrlo precizno merenje “crvenog pomaka”. Kako ovaj pomak nastaje, šta iz njega zaključujemo i čemu on služi?

Sigurno vam se više puta desilo da pored vas protutnji vozilo hitne pomoći ili policije sa uključenom sirenom. I sigurno ste primetili da se zvuk sirene prilično menja kada vozilo koje vam se približava prođe pored vas i počne da se udaljava. Stvar je u tome što zvuk koji emituje vozilo u pokretu menja frekvenciju: ona je veća kada vam se izvor zvuka približava, a manja kada se izvor udaljava. Ovo se odražava na vašu subjektivnu percepciju: zvuk automobila koji vam se primiče uvek je viši u odnosu na zvuk istog automobila koji odmiče.

Ova pojava, poznata kao “Doplerov efekat”, odnosi se na zvuk ali i na svetlosne, elektro-magnetne talase. Kada vam se izvor svetlosti približava, frekvencija svetlosti i energija rastu, boja svetla pomera se ka plavom delu spektra (plavi pomak). Kada se izvor svetlosti udaljava, frekvencija svetlosti i energija opadaju, a boja svetla postaje crvenija (crveni pomak).

Kada su astronomi tokom dvadesetih godina prošlog veka uperili svoje teleskope u nebo, sa iznenađenjem su zaključili da je svetlost praktično svih galaksija pomerena ka crvenom delu spektra. Bio je to dokaz da se sve galaksije međusobno udaljavaju. Ako se trenutno udaljavaju, nekad su morale biti bliže. Vratite se dovoljno u prošlost i stići ćete na sam početak, kada su sve galaksije bile na jednom mestu. Ako su sve već bile na jednom mestu, znači li to da je kosmos započeo svoju evoluciju iz jedne tačke? Tako je iz crvenog pomaka nastala ideja o “Velikom prasku” koja je, s vremenom, potopila sve alternativne teorije.

Danas znamo da se sve galaksije međusobno udaljavaju, i ne samo to: merenjem crvenog pomaka ustanovili smo da je brzina udaljavanja svake galaksije proporcionalna njenom rastojanju od nas. Što je veće rastojanje, veća je i brzina udaljavanja. Ovaj (Hablov) zakon omogućava nam da na osnovu izmerenog crvenog pomaka sa priličnom sigurnošću odredimo i rastojanje, čak i kad je ono ekstremno veliko. Što je to rastojanje veće, svetlost galaksija je sve crvenija, toliko “crvena” da se može posmatrati samo teleskopima koji vide crveni i infracrveni deo spektra, kao što su “Džejms Veb” ili “Euklid”.

Naudaljenije galaksije su, istovremeno, i najstariji objekti u kosmosu koje možemo da posmatramo. Kosmički teleskop je, zapravo, jedino sredstvo pomoću kojeg možemo da iz ovog kutka kosmosa dobacimo do kraja prostora i početka vremena.

Fric Cviki

foto: caltech.edu

Prvi tragovi

Vera Rubin

foto: wikipedia.org

Na tragove postojanja tamne materije prvi je naišao švajcarski astronom Fric Cviki (na slici iznad) 1933. godine posmatrajući galaktički klaster Koma sa više od hiljadu identifikovanih galaksija. Cviki je pokušao da ustanovi vezu između brzine rotacije čitavog klastera i gravitacione sile koju generiše njegova vidljiva materija. Vrlo brzo je shvatio da se brojke ne uklapaju: izračunata gravitaciona sila bila je suviše mala da na okupu drži galaksije u klasteru koje su se, jednostavno, kretale prebrzo. Takav klaster odavno bi se raspao na sastavne galaksije i nestao u kosmičkoj tami. Posmatranja, međutim, govore da je čitava konstelacija stabilna i da u sličnoj formi egzistira već milijardama godina. Postoji nešto, verovao je Cviki, nešto što mi ne vidimo, što je nekoliko puta masivnije od čitavog klastera, neka “dunkl” materija koja svojom dodatnom gravitacijom održava integritet klastera. Nažalost, Cviki nije uspeo da za svoju tezu pronađe još neki dokaz, a kao osobenjak, nije bio ni naročito omiljen u naučnoj zajednici, tako da je njegov rezultat brzo pao u zaborav.

Odlučujući napredak učinjen je tek tokom šezdesetih i sedamdesetih godina prošlog veka kada je Vera Rubin sa opservatorije Kit Pik u Arizoni počela da proučava brzine kretanja zvezda u Andromedi, nama najbližoj galaksiji. Sve galaksije rotiraju oko svog centra, a zakon gravitacije nalaže da se zvezde bliže centru kreću mnogo brže od onih na periferiji. Slično ponašanje jasno je uočljivo na mnogo manjoj razmeri, kada posmatrate planete Sunčevog sistema. Tako se, na primer, Zemlja kreće oko Sunca brzinom od oko 30 kilometara u sekundi. Jupiter je pet puta udaljeniji, ali se zato kreće i mnogo sporije: jedva 13 km/s. Vera Rubin je očekivala da slična zakonitost važi i u galaktičkim razmerama, ali su je rezultati merenja demantovali: brzine zvezda bile su takoreći konstantne, zvezde na periferiji galaksije kretale su se praktično identičnom brzinom kao i one neuporedivo bliže centru. Štaviše, periferne zvezde kretale su se tako brzo da bi napustile galaksiju ukoliko ih neka dodatna, nevidljiva masa svojom gravitacijom ne bi držala na okupu. Tamna materija se na velika vrata ponovo vratila u nauku.

Tokom narednih godina, Vera Rubin i drugi astronomi pronašli su obilje dokaza da je svet oko nas prepun tamne materije i da galaksije predstavljaju tek vidljiva ostrva u neuporedivo većim oblacima tamne mase koja ih okružuje. Štaviše, pokazalo se da je količina “standardne” materije (materije koju vidimo golim okom, sa kojom smo svakodnevno u kontaktu), bar pet puta manja od količine tamne materije koja kao fina paučina, negde gušća, negde ređa, prožima čitav kosmos. Duž niti te paučine raspoređene su sve galaksije, galaktički klasteri i super-klasteri. Čestice tamne materije (koje tek treba da identifikujemo) neprekidno se kreću utičući na kretanje zvezda, formiranje galaksija i drugih kosmičkih megastruktura. Tamna materija je za kosmos ono što je vazduh za čoveka: nešto nevidljivo, ali sveprisutno i esencijalno važno.

Vera Rubin (na slici) je za svoje otkriće dobila mnoge prestižne američke nagrade, ali nikad nije dobila Nobelovu nagradu iako je izgledalo da je to samo pitanje vremena. Nastavila je da se bavi naukom ali je, kako su godine odmicale, sve više bila okrenuta svojoj velikoj porodici. Rodila je četovoro dece, obdarila ih je pronicljivim, istraživačkim duhom i izvela na put koji je i sama prošla. Danas su sva njena deca ugledni doktori nauka, uspešni u svojim profesijama. Sve dok je imala snage, borila se za emancipaciju žena, mnogo njih nikad ne bi počelo da se bavi naukom da nije bilo nepokolebljive Vere Rubin. Na početku karijere jedva je pronašla fakultet koji je hteo da školuje ženu-astronoma. Ipak, afirmisala se u profesiji gde je, kao žena, bila veoma usamljena. Možda je zbog toga često odbijala da govori na naučnim skupovima gde su svi govornici bili muškarci. Bila je i jedna od prvih žena koja se “usudila” da potraži radno mesto u prestižnoj opservatoriji Palomar u San Dijegu. Ulazak u tu pravu “mušku jazbinu” nije bio nimalo lak: rekli su joj da opservatorija nije dobro mesto za žene jer, eto, ne postoji čak ni ženski toalet. Vera je isekla žensku siluetu od papira, zalepila je na vrata muškog WC-a i rekla: “Sad postoji”. Poslednje godine života provela je boreći se sa demencijom, daleko od očiju javnosti. Umrla je 2016. godine.