TEMA BROJA

Miloslav Rajković

Duboki svemir / Kako smo došli do najdublje vasione?

Pogled ka iskonu sveta

Dosad najdublji prodor u svemir ostvaren je 2016, otkrićem galaksije čija je svetlost do nas putovala 13, 4 milijarde godina, a to znači da je nastala samo 400 miliona godina posle Velikog praska. Naučnici širom sveta veruju da će teleskop “Džejms Veb”, lansiran dok je ovaj broj Planete bio u pripremi, najmoćnija svemirska opseravtorija koju je čovekov tehnološki i inženjerski um dosad napravio, srušiti ovaj rekord u kosmičkoj udaljenosti. Detekcija svetlosti koja potiče sa najudaljenijih zvezda i galaksija i podataka o nastanku života  jeste primarni cilj Vebove desetogodišnje misije, za koju je već utrošeno deset milijardi dolara. 

Neko kome Kantovo zvezdano nebo nad nama još ispunjava dušu divljenjem i kome je u ovom kutku svemirskog šara sasvim toplo i udobno može se, ipak, upitati: čemu još jedna naučna pustolovina u nebesa nad nebesima (Ps. 148, 5), da upotrebimo izraz starozavetnog pesnika koji je sasvim prikladna metafora za, pogled sa Zemlje, nevidljivi beskraj univerzuma? 
Jedna zavetna ispovest Vere Rubin, ikone američke astrofizike druge polovine XX veka, sadrži možda i najtačniji odgovor na ovakvo pitanje: “Zavirili smo u novi svet i videli smo da je misteriozniji i kompleksniji nego što smo zamišljali. Još mnogo misterija u svemiru ostaje skriveno. Njihovo otkriće čeka pustolovne istraživače u budućnosti.” 
Astronom Luka Popović, naučni savetnik Astronomske opservatorije i profesor Katedre za astronomiju i astrofiziku Matematičkog fakulteta Univerziteta u Beogradu i Prirodnomatematičkog fakulteta Univerziteta u Banjaluci, u razgovoru za naš magazin, kaže:
-To su večna pitanja: jesmo li sami u svemiru, od čega potičemo, šta radimo ovde, smisao našeg postojanja? Da bismo odgovorili na ta pitanja, mora da znamo šta je duboka vasiona a, po sebi, što gledamo dublje u vasionu mi zapravo gledamo dublje u prošlost. Zašto smo nastojali da otkrijemo gravitacione talase? Zato što bi gravitacionim talasima trebalo da vidimo dublje nego elektromagnetnim. Duboka vasiona, koliko god bila duboka, kazuje nam da mi nismo nešto posebno, da imamo nepregledno mnoštvo objekata izvan naše galaksije. 

Durbin koji je sve promenio

Kako smo došli do najdublje vasione? Odgovor se krije u istoriji astronomije kao nauke, velikim prekretnicama u njenom razvoju, otkrićima koja su pomerala horizont posmatranja sve dalje i dublje, dok nije postao “širok koliko i sam svemir” (M. Donahju).  
-Ljudi stare Grčke i srednjeg veka znali su za Sunce i Mesec, pet planeta koje se kreću, zvezde koje stoje -  stajačice, pojava komete je ponekad privlačila njihovu pažnju. Ta predstava nebeskog svoda je potrajala dok nismo zavirili dublje u kosmos. A zavirili smo dublje 1609. godine, kade je Galileo Galilej durbin, izum Holanđana pre svega za vojne potrebe, usmerio ka nebu i krenuo u njegove dubine.  Ali ne toliko duboko - primećuje naš sagovornik. - Uspeo je da vidi Mesečevu površinu, satelite oko Jupitera, što je doprinelo promeni mišljenja ka heliocentričnom sistemu. Galilej je razdvojio Mlečni put na zvezde i prvi put je u nauci postalo jasno da se Mlečni put sastoji od zvezda. Prvi je posmatrao pege na Suncu. Svojim posmatranjima i otkrićima napravio je takav prodor u vasionu, da je taj prodor promenio ne samo astronomiju i čitavu nauku nego je uticao i na razvoj ljudske misli.
U drugoj polovini narednog veka, Vilijam Heršel (W. Herschel), engleski astronom rođen u Hamburgu, po obrazovanju muzičar, konstruiše veće teleskope, stotine teleskopa, a sa najvećim od njih (objektiva 1.25 m) otkriva planetu Uran, 1781. Heršel je prvi pravio preglede neba i otkrio Sunčevo infracrveno zračenje. Ovo otkriće je proširilo opseg talasnih dužina u kojima možemo izučavati osobine nebeskih tela. Pa ipak, sve do dvadesetih godina prošlog veka - naglašava Popović - astronomi nisu znali da to što posmatraju pripada nekoj oblasti koja je daleko iza našeg Mlečnog puta; da se naša galaksija sastoji od milijarde zvezda. Ljudi su u njoj videli magličaste objekte, nazvane magline, a jedna od tih maglina M31 je nama najbliža velika spiralna galaksija. Astronomi su docnije otkrili i Мagelanove oblake, i patuljaste galaksije koje su bliže našem Mlečnom putu. Prve godine posle Velikog rata obeležila je tzv. Velika debata: njeni protagonisti, Harlou Šepli (Harlow Shapley) i Heber Kartis (Heber Curtis) raspravljali su o tome da li su spiralne magline objekti koji se nalaze u našem Mlečnom putu ili su van njegovih granica. Šepli je smatrao da je naša galaksija sav naš univerzum, dok je Kartis tvrdio da su spiralne magline objekti koji pripadaju drugoj galaksiji, izvan Mlečnog puta. Debata je publikovana tačno pre sto godina podvojivši tada astronome na dva tabora.
Ona najdublja аstronomija, dublja od Heršelovog “dubokog neba”, počinje tek nakon te diskusije, kada Habl (Edwin Hubble), koristeći veći “Huker” teleskop uspeva da prepozna da se spiralna galaksija ili spiralna maglina M31 (nama najbliža galaksija Andromeda), kao i M33, sastoji od zvezda koje može da posmatra, da ih razdvoji, da u njima vidi Cefeide, periodične zvezde, na osnovu čijih perioda se može odrediti njihov apsolutni sjaj, a na osnovu apsolutnog sjaja njihova udaljenost.
Habl je prvi izneo teoriju o širenju svemira i pokazao da to širenje dovodi do toga da se brzina galaksija srazmerno povećeva što su one udaljenije od Zemlje. 
-Edvin Habl je taj koji je, posle Galileja, napravio drugi korak ka dubokoj vasioni (Hablova konstanta, Hablov zakon, teleskop Habl). I drugi su gledali duboko, ali Habl je prvi bio svestan da posmatra objekte koji su izvan našeg Mlečnog puta. Tako je nastala posthablovska, vangalaktička astronomija koja se uglavnom bavi strukturom galaksija. Habl je prvi napravio morfološku klasifikaciju galaksija podelivši ih na: spiralne, nepravilne, sočivaste i eliptične. 
Američki fizičar i radio-inženjer Karl Janski (Karl Jansky) i Fric Cviki (Fritz Zwicky), nemačko-švajcarski astronom koji je radio u Americi, obeležili su važnim otkrićima drugu međuratnu deceniju. Janski je 1931. prvi prepoznao radio-signal koji dolazi od Sunca. Bio je to važan trenutak za astronome, početak osmatranja u radio domenu i razvoja radio astronomije. Janski je njen začetnik. Radio astronomi su snimili vrlo jake radio izvore, kako u našoj galaksiji (kao što su pulsari, kvazari), tako i van Mlečnog puta. Interesantno je to da su ti astrofizički objekti u to vreme mogli da se uoče u radio-domenu, a kod manjeg broja i u optičkom.
Fric Cviki, astronom koga vredi pominjati, još 1933. godine prvi otkriva nepravilnu rotaciju galaksija oko centra, čime vangalaktička astronomija pravi još jedan prodor u svemir. Cviki je uočio da postoji razlika između svetlosti koju on vidi i mase koja je potrebna da bi galaksija rotirala. Predložio je postojanje nečega što je uticalo na kretanje galaksija (prva teorijska pretpostavka o tamnoj materiji). Ovo otkriće je dovelo do pitanja kakva je materija u vasioni. Sa astronomom Badeom predvideo je i postojanje pulsara, rotirajućih neutronskih zvezda, 1934 (prvi pulsar je registrovan tek 1967).

Potvrda Velikog praska

Registrovani izvori radio-zračenja su pomno beleženi od 1960, o čemu svedoči Third Cambridge Catalogue (Treći Kembridžov katalog). Označavani su brojem 3 i latničnim slovom C, prema početnom slovu univerziteta Cambridge. Prvi kvazari su otkriveni 1960-ih. Termin kvazar je skovao američki astrofizičar Hong-Ji Čiu (Hong-Yee Chiu) od engleskog quasi-stellar 1964. godine da bi opisao ove zagonetne svemirske objekte. U upotrebi je i skraćenica QSO (quasi-stellar-object). Kao posebno zanimljive, profesor Popović izdvaja kvazare sa ozanakama 3C 273 (sa najvećim sjajem) i 3C 48. 
-Početkom šezdesetih godina, holandsko-američki astronom Martin Šmit (Maarten Schmidt) je uspeo da ultraluminozni kvazar 3C 273 identifikuje korišćenjem Haleovog teleskopa na Maunt Palomaru (SAD), primetivši u njegovom spektru neobične emisione linije koje nisu karakteristične za zvezde. Na mestu u spektru ovog objekta gde su linije bile detektovane ne može se u prirodi naći element  kome bi one pripadale. Šmit je brzo shvatio da su to spektralne linije vodonika, koje su samo pomerene ka crvenom delu spektra, sa pomakom većim za 15,8 procenata od njihovih talasnih dužina kada je objekat u stanju mirovanja. Uz pomoć Hablove konstante utvrdio je da je kvazar 3C 273  veoma daleko od našeg Mlečnog puta, toliko daleko da je to tada bio najdalji posmatrani objekat. I tada se otišlo značajno dublje u vasionu.
Proučavanje kvazara je dovelo do otkrića supermasivnih crnih rupa i novog prodora u dubine univerzuma. Naime, pošto je ustanovljeno da vidljive emisione linije nisu od zvezda već da nastaju zračenjem vodonika, za koji se pretpostavlja da ga najviše ima u vasioni, tragajući za izvorom koji zrači te linije, astronomi su otkrili emisione objekte ogromne energije, koji nisu rasprostranjeni već tačkasti, mali i kompaktni, a izračena energija iz njihovog središta reda veličine jedne cele galaksije. 
-Zaključak je bio da takva količina energije ne može da nastane u termonuklearnim reakcijama, jer u njima ne postoje zvezdane emisije, već je u pitanju druga, autohtona emisija koja nastaje u akreciji i jedino se može objasniti Ajnštajnovom formulom E = mc2, da masa koja pada u crnu rupu i vrši akreciju, stvara energiju. Astronomi su se našli pred problemom crne rupe na kosmološkim skalama, odnosno supermasivnih crnih rupa. Posmatranja emisionog gasa i njegovog kretanja u blizini supermasivnih crnih rupa su pokazala da njihove mase iznose nekoliko miliona pa i milijardi Sunčevih masa.
Profesor L. Popović apostrofira ovo otkriće jer je ono ubrzalo razvoj vangalaktičke astronomije u nekoliko pravaca. Bitan pravac predstavljaju istraživanja aktivnih galaktičkih jezgara koja u pazadini imaju crnu rupu, vrše akreciju i emituju ogromnu energiju. Evolucija galaksije je takođe važno polje istraživanja, ona mnogo zavisi od toga šta je u galaktičkom jezgru. 
-Naravno, tu se otvara pitanje rasta ovih galaktičkih crnih rupa i njihova ko-evolucija sa zvezdanim okruženjem. Rast crnih rupa može da se dešava u procesu akrecije, ali je efikasnije ako dolazi do sudara, gde u samom procesu od dve manje crne rupe dolazi do formiranja veće. Takve procese vidimo u vasioni, gde možemo videti interakcije galaksija ili sudare galaksija (često ih zovemo “merdžeri” što potiče od engleskog galaxy mergers ili merging galaxies). Ovo ukazuje da sudari galaksija imaju značajnu ulogu u evoluciji galaksija, gde pri njihovom sudaru dolazi do formiranja masivnije crne rupe, ali i masivnijeg zvezdanog halo oko ove crne rupe. To je potvrđeno, jer je otkriveno da masivnije crne rupe imaju oko sebe masivniju zvezdanu strukturu.
Drugim rečima, ovo otkriće je otvorilo pitanje: da li je u galaksijama prvo formirana zvezdana struktura pa onda centralna crna rupa, ili je to obrnuto, da je prvo formirana crna rupa koja okuplja gas iz kojeg potom nastaju zvezde?
Šezdesete godine su baš obilovale važnim otkrićima. Tako su američki astrofizičari Arno Penzias i Robert Vilson slučajno otkrili mikrotalasno pozadinsko zračenje (koje je Džorž Gamov predvideo 1948) koje nisu znali da objasne a koje direktno potvrđuje teoriju Velikog praska, i za to 1978. godine dobili Nobelovu nagradu. Ovo otkriće spada u primere serendipnih naučnih otkrića, koja nisu “rezultat prethodnog plana” ili zadatog cilja, otuda “slučajno”, “plod slučajnosti” ili plod “srećnih okolnosti”, od engl. reči serendipity = slučajnost, ali slučajnost u nauci, koja je predmet interesovanja istorije i sociologije nauke. 
Efekat prirodnog gravitacionog sočiva, predviđen Ajnštajnovom Opštom teorijom relativnosti, potvrđen je astronomskim osmatranjem, na osnovu prvi put načinjenog snimka dvostrukog kvazara, krajem sedamdestih. Ovaj efekat, skretanje svetlosti prilikom prolaska pored masivnih objekata, omogućuje astronomima da detaljno izučavaju raspodelu mase u svemiru. U istoj deceniji otkriveni su, opet “sasvim slučajno”, satelitima vojne namene i gama bljeskovi koji predstavljaju do sada najmoćnije eksplozije i najsjajnije objekte u univerzumu. 
Tih godina je Vera Rubin eksperimentalnim merenjima kretanja (spiralnih) galaksija potvrdila ranije Cvikijevo zapažanje i njegov koncept postojanja tamne materije (rezultati objavljeni 1980). Ubrzano širenje svemira takođe pripada ovom redu posmatračkih otkrića za koje su trojica naučnika: Saul Perlmuter (Perlmutter), Brajan Šmit (Brian Schmidt) i Adam Ris (Riess) dobili Nobelovu nagradu 2011. Oni su dugogodišnjim posmatranjem supernove tip I utvrdili da se svemir ubrzano širi. Da bi tu pojavu objasnili, kosmolozi su uveli koncept tamne energije.
Ni tamna materija ni tamna energija još nisu rasvetljene, a čine 95 odsto mase univerzuma. Dok su eksperimenti potvrdili da tamna materija postoji, njen sastav je i dalje nepoznanica. “Ovi termini za tamnu materiju i energiju nisu sasvim adekvatni, tamna energija ustvari predstavlja onu energiju koja ubrzano širi vasionu i možda je prikladnije da nosi naziv antigravitacija”, kaže prof. Luka Popović, “više su pravljeni u skladu sa trenutnim potrebama, ali astronomi su ih skovali i oni su opšteprihvaćeni. Termin dark energy (tamna energija) je nastao u vreme kada je bilo aktuelno (kao i sada) predlagati projekte koji se bave energijom i da bi došli do sredstava naučnicima je bilo najlakše da posegnu za nazivom tamna energija, budući da je energija uvek neophodna za razvoj države i društva.” 

Habl je video najdalje

U svim pobrojanim otkrićima, a pobrojana su ona koja su značila dublji prodor u razumevanju svemira, kao i mnogim drugim, teleskopi su imali bescenu ulogu. Naročito se to može reći za moderne satelitske, radio ili gravitacione opservatorije sa izvanrednim tehničkim performansama i vrlo osetljivim uređajima. Satelitski teleskop Habl je postao čuven, čak “legendaran”, jer je video dalje nego ijedan teleskop ranije: pružio je dokaz za postojanje crnih rupa, uvid u neviđene detalje Sunčevog sistema i procese unutar drugih planetarnih sistema, potvrdio je postojanje tamne materije i omogućio merenje širenja univerzuma i tamne energije. Hablovi rezultati vodili su konstrukciji moćnijeg teleskopa.
Čini se sve izvesnijim trenutak kada će neko tehnološko čudo od svemirskog teleskopa, neki čudesni dizajner orbitalnih osmatračnica okončati vek astronomije kakvu poznajemo (ili takvoj bojazni nema mesta) i pogled na nebo kakav su imale generacije astronoma od Galileja do naših dana.
-Tehnologija je toliko uznapredovala da teleskopi kao što je Event Horizon Telescop (EHT) ili radio-teleskopi raspoređeni po čitavoj zemaljskoj kugli mogu da vide prostranstva sasvim blizu crne rupe. Pre četiri (2017) godine su posmatrali galaksiju Messier 87 (M87), koja pokazuje snažno izbacivanje materije koje se vidi kao radio-mlaz (džet). EHT je uspeo da razluči senku crne rupe, što predstavlja prvo direktno posmatranje supermasivne crne rupe koja se nalazi u drugoj galaksiji. Ovo ilustruje snažan prodor posmatračke astronomije. Pomenimo i jedan drugi teleskop koji je takođe na bazi interferometrije ali u optičkom delu spektra i nalazi sena Južnoevropskoj opservatoriji, u Čileu.Reč je o tri teleskopa po 8m koji su bazični za interferometriju, koji su uspeli da posmatraju kretanje gasa u okolini supremasivnih crnih rupa kod nekoliko aktivnih galaksija. 
Nasuprot činjenici da sadašnji teleskopi mogu da prodru dublje u vasionu, kaže dr Popović, stoji nezamenjivo dugoročno posmatranje nekog objekta, na koje nas upućuje varijabilnost svakog od njih koja je, u zavisnosti od prirode objekta, od objekta do objekta drugačija. Proučavajući varijabilnost objekata, možemo da dobijemo određena saznanja o njihovoj prirodi. Intrigantno je pitanje da li u centrima takvih aktivnih objekata postoje dvojne supermasivne crne rupe, koje bi u budućnosti bile izvor gravitacionih talasa.
I sam istraživač aktivnih galaktičkih jezgara i gama bleskova, Luka Popović sa dozom žaljenja konstatuje da najbitnija istraživanja, teorijska, sada prelaze malo u ono što se naziva industrija u astronomiji. Nije romantično, ali je realnost, veli. Šta to znači? “Posmatranjem dobijamo ogromnu količinu podataka koje moramo da analiziramo, ali to više ne može da se radi ručno, s papirom i olovkom, već astronomi moraju da imaju moćne računarske mašine, koje će taj zamašan posao obaviti brže i tačnije. U istraživanja je, s druge strane, ušlo mašinsko učenje. Ako za noć posmatram hiljadu objekata, ne mogu svaki objekat da pogledam, niti je moguće angažovati tako veliki broj ljudi. Mašina uči da u tom mnoštvu objekata prepozna najinteresantnije i da ih izdvoji. Ovaj pravac se razvija sa teleskopima sledeće generacije pretraživača neba, kao što su 10-to godišnji projekat Vera Rubin observatorije nazvan LSST (Legacy Survey of Space and Time) koji ima u osnovi specifičan 8-mo metarski teleskop a počeće sa radom za godinu-dve i/ili MaunaKea spektroskopski pretraživač (MaunaKea spectroscopic explorer-MSE) sa teleskopom od 11m koji će biti pušten u rad 2027-29. godine. To će doneti drugi pristup istraživanjima u astronomiji, čemu treba dodati i velike satelitske i radio teleskope.”
U astronomiji, astrofizici i kosmologiji mnogo je otvorenih pitanja (tamna materija, tamna energija), naslućivanja, alternativnih pristupa, problema s tumačenjima pojedinih teorija (npr., kvantne teorije gravitacije). Ajnšatajnova Opšta teorija relativnosti je još uvek jedina konzistentna teorija, koja objašnjava ne samo pojedinačne efekte, već daje i kompletnu sliku, smatra Popović. 
Tokom prošle godine je međunarodni tim naučnika, na osnovu snimaka sto miliona galaksija jednim teleskopom u Čileu, izradio dosad najdetaljniju mapu raspodele tamne materije u svemiru. Rezultati pokazuju da je tamna materija više “glatka” i “raširena”, što je u neskladu sa Ajnštajnovom teorijom. Ako bi se ta nepodudarnost pokazala tačnom, bio bi to “pravi problem” za fizičare - morali bi da priznaju da je Ajnštajn “možda pogrešio”. Luka Popović zaključuje: “Astronomi se nadaju će pitanja koja ih sada muče rešiti narednih deset, dvadeset ili trideset godina. Međutim, istorija nauke nam pokazuje da rešenje nekog otvorenog pitanja po pravilu otvora nova koja zahtevaju novi pristup i tehnologije.”

.

Miloslav Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"