Једна од важних порука модерне астрономске науке је да се комплексност свемира не може објаснити људском интуицијом и логиком. Као последица тога постоји дуга листа елемената космоса који се не могу усагласити са врло ограниченом људском перцепцијом. Од свих њих, геометрија самог универзума, као и распоред и еволуција материје и енергије у њем спадају у ред најкомпликованијих и најчешће дискутованих. Верујем да су многи од вас, загледани у ноћно небо размишљали како се свемир неограничено протеже у свим правцима. Вечно протезање свемира намеће се као „очигледно“ и „логичко“. Ипак, закључак је више резултат наше менталне слике космоса него детаљне анализе научних података. С обзиром на то да наш интуитивни „модел“ не мора да буде нужно тачан (а најчешће и јесте нетачан), неопходно је размислити како да га исправимо. Многи модели природе које је човек карактерисао као неминовно очигледне и јасне, доживели су своје драстичне развоја модерне науке. Астрономија је неретко одлазила и корак даље, те је једна од наука која је најчешће оповргавaла велики број нетачних или непрецизних модела. На крају крајева, не тако давно, сматрало се да је наша планета равна, јер је закривљеност Земље деловала превише суптилна да би се о њеном мерењу размишљало у научним круговима. Од Галилејових посматрања прошла су четири века, а данас знамо не само о облику наше, већ и хиљада других планета. Такође знамо да наша галаксија, Млечни пут, није центар свемира, како се сматрало почетком 20. века, већ је само једна од милијарди других галаксија. Елегантан и ефикасан начин да себе увек подсећамо да антропоцентризам не иде у корак са законима космоса. Ипак, токове размишљања о облику и густини свемира није лако испратити. Баш као што је модел сфере разрешио заблуде о „равној планети“, други тродимензионални геометријски облици нуде могуће алтернативе за нашу перцепцију „бесконачног свемира“.
ДА ЛИ ЈЕ ГЕОМЕТРИЈА СВЕМИРА РАВНА?
Да бисмо кренули са испитивањем овог проблема, хајде да прво поставимо нека важна и отворена научна питања. Једно би могло да гласи: каква је геометрија свемира? При томе, под геометријом свемира мислимо на његове локалне и глобалне карактеристике. Локална геометрија свемира састоји се у мерењу углова и површина локалних структура (да, и ми астрономи имамо своје „космичке“ лењире). Друго питање се односи на глобалну геометрију: каква је топологија свемира као целине, односно како су његови саставни делови међусобно повезани? С обзиром на то да се данас зна да структуре у свемиру формирају мрежу налик пауковој, ово питање је неодвојиво од разумевања начина на који се спајају те мале („локалне“) свемирске скале, и велике („космолошке“) скале. Другим речима, питање о топологији свемира могло би да буде преформулисано и у: како су структуре у локалном свемирском окружењу (нпр. галаксије и групе галаксија), повезане са структурама на великој скали, попут космичких филамената кроз које се слива водонични гас којим галаксије пуне своје „гасне резервоаре“. Уколико већ увиђате да цео концепт облика свемира одступа од већине наших интуитивних очекивања, додајте на ово и податак да се у свемиру најкраћи пут између две тачке описује закривљеном линијом. Закривљење је важно предвиђање Ајнштајнове опште теорије релативности, познато и као општа теорија гравитације. Могли бисмо да причамо данима о математичким решењима Ајнштајнове теорије. За почетак, поменимо само да је најпопуларније тумачење теорије дао научник Александар Фридман, који је дефинисао параметар који повезује густину свемира и његов облик. Фридманово решење предвиђа да, у зависности од густине материје и енергије, свемир може имати један од свега три могућа облика: (1) може бити привидно раван попут листа папира; (2) затворен, попут сфере; (3) отворен, попут седла за јахање. Визуелизација ових геометријских облика много је комплекснија него што их ми можемо представити и објаснити у овом тексту. На пример, израз „раван свемир“ не односи се на дводимензионални опис са којим се често сусрећемо у свакодневном животу, већ тродимензионално „поравнање“. Ево и једне аналогије да овај појам и разлике боље разумемо. Замислите да стојимо у једном углу просторије квадратног облика. Корачајмо неколико стопа дуж зида до првог ћошка, а затим се окренимо за 90 степени, отходајмо до следећег ћошка и тако још двапут. Резултат: наћи ћемо се тамо где смо започели свој пут, тј. описали смо цео квадрат. Ово је стандардна еуклидска геометрија коју смучили у школи. Додајмо јој још једну димензију и добићемо управо раван универзум. Међутим, уколико бисмо хтели да спроведемо идентичан експеримент на позитивно закривљеном простору који представља затворени универзум, добили бисмо другачији исход. Скакањем са Земљиног екватора ка Северном полу, а затим заокретом за 90 степени и хитрим скоком назад у правцу екватора, био би нам потребан још само један окрет да се вратимо на своју почетну тачку. Приметимо да су нам у примеру равног универзума била потребна четири окрета да се вратимо тамо одакле смо кренули, док нам је у примеру закривљеног, затвореног свемира, требало само три. Претпостављам да се сада многи од вас питају како астрономи могу да помогну при одгонетању облика свемира.
Многи модели природе које је човек карактерисао као неминовно очигледне и јасне, доживели су своје драстичне развоја модерне науке. Астрономија је неретко одлазила и корак даље, те је једна од наука која је најчешће оповргавaла велики број нетачних или непрецизних модела. На крају крајева, не тако давно, сматрало се да је наша планета равна, јер је закривљеност Земље деловала превише суптилна да би се о њеном мерењу размишљало у научним круговима.
Један (условно речено, лакши) начин је коришћење космичке микроталасне позадине о којој смо писали у једном од ранијих Орбитирања. Ова позадина потиче од реликтног зрачења Великог праска, и садржи мале просторне варијације у температури ове слабашне светлости. Почетне флуктуације потекле од ширења свемира производе таласе који се крећу кроз рани универзум. Стварна вредност ових области различите температуре може се прецизно израчунати и затим упоредити са очекиваном. Уколико живимо у закривљеном свемирпривидна величина хладних и врућих тачака ће бити већа него у случају равног свемира. Ово је као да вршимогромно тригонометријско мерење целог космоса и исцртавамо геометрију простора. Неколико великих научних тимова је „премеравало“ геометрију космоса управо на овај начин. Тренутни закључак? Геометрија свемира је равна, сходно закључку славног математичара Еуклида из Александрије, од пре 2000 година – збир углова у троуглу једнак је 180 степени! Међутим, неколико недавних студија налаже опрез при истицању коначног закључка, пре свега због посматрачких ефеката који често нису урачунати на правилан начин. Други метод мерења густине материје и енергије у свемиру је много директнији, али и тежи – он се своди на системско премеравање масе видљиве и невидљиве материје. Како је могуће урадити тако нешто? Најпренеопходно је изградити телескопе са довољно моћном оптиком за снимањогромног дела небеске сфере, самим тим и статистички значајног броја космичких структура (попут галаксија). Након што се иницијални део посла обави, астрономи и астрофизичари приступају анализи података и рачунању колика је густина галаксија у одређеној запремини простора у свемиру. За област у оквиру које се запремина рачуна, често се узима цилиндар пречника неколико мегапарсека, што је вредност 100 пута већа него што је пречник нашег Млечног пута. Овако велика пространства свемира упоредива су са великим космолошким скалама, поменутим у ранијем делу овог текста. Последњи корак је израчунавање колико у свакој од тих галаксија има видљиве материје (што је еквивалентно збиру масе свих звезда, гаса и прашине), као и прављење модела расподеле материје између њих. Звучи као сизифовски посао, али резултат овог труда био би и дефинитивни одговор на питање о облику свемира. Једноставно, зар не?
ЕУКЛИД: СКЕНИРАЊЕ ВЕЛИКИХ КОСМОЛОШКИХ СКАЛА
Астрономски докази који долазе од досадашњих резултата посматрања најсавременијим телескопима сугеришу да је део универзума који можемо да видимо (такозвани „видљиви универзум“) хомоген и изотропан. Хомогеност свемира имплицира да је густина космоса приближно иста, док изотропност наглашава да просторни део свемира изгледа исто у свакој тачки и у сваком правцу. Да би омогућили одговор на ова кључна космолошка питања, Европска свемирска агенција је пре 15 година започела конструисање телескопа чије име савршено осликава његову намену – у питању је „Еуклид“. Назив мисије заслужено одаје важну почаст славном старогрчком математичару који се сматра „оцем геометрије“, писцу капиталног дела Елементи, и првом који је увео систем научних доказа у математичке дискусије. Иако о Еуклиду из Александрије постоји мало писаних доказа, чак толико мало да су многи историчари науке сумњали да се заиста ради о историјској личности, телескоп „Еуклид“ ће бити дијаметрална супротност. Велика количина података, смештена на сервере националних института у Италији и Француској, омогућиће стотинама научних тимова лак увид у све резултате мисије. Након вишегодишњих корекција у његовим технолошким детаљима и оптици, приближио се тренутак када ће Еуклид бити лансиран. У свемир ће га понети ракета „Фалкон 9“ приватне компаније SpaceX. Крајем јула 2023, космодром у Француској Гвајани биће „ужарена“ локација још једне акције која ће на тренутак зауставити дах астрономске и научне светске заједнице. Док читате овај текст, непроцењиви пртљаг у који је запакован телескоп „Еуклид“ успешно допловљава у гвајанску луку, одакле ће бити одвезен до своје лансирне станице. Телескоп „Еуклид“, као и све око припреме и реализације његовог концепта, лансирања и мисије, део је истоимене колаборације. Овај међународни конзорцијум јединствен је због свог обима и шареноликог спектра тимова који га чине. Конзорцијум је сачињен од 1500 научника и инжењера, чланова преко 100 институција из 20 различитих држава чланица ЕСА, укључујући и једну неевропску земљу – Канаду. Кључни део конзорцијума је научни панел, у којем се пажљиво припремају најважнија научна питања која ће бити научни приоритети мисије. Током година, панел се састајао више од стотину пута, уз исто толико активних дискусија. Често се дешавало да се научници нису слагали једни са другима око хронологије истраживања и њених метода. На крају, као и увек у гломазним и хетерогеним међународним колаборацијама, конвергирало се ка циљевима мисије од општег интереса за целу научну јавност. Ипак, није све било идеално у почетку. Финансирање астрономских мега пројеката је изазовно и неизвесно, а телескоп „Еуклид“ је срећно настао на „пепелу“ Две оригинално предложене научне мисије које никад нису добиле финансијска средства за своју реализацију. Може се рећи да је Европа у последњем тренутку направила компромис и пронашла начин да подржи овај велики научни пројекат. Шта можемо рећи о техничким карактеристикама свемирског телескопа „Еуклид“? Дугачак је 4,5 метара и опремљен је главним огледалом пречника 3,1 метар. Посматрања ће се вршити у два дела електромагнетног спектра, видљивом и блиском инфрацрвеном подручју. Језиком таласних дужина, то нам говори да ће Еуклид успешно снимати космичке таласе који су дугачки између 500 и 2000 нанометара, што је сличан опсег оном који користи телескоп „Хабл“.
Телескоп „Еуклид“, као и све око припреме и реализације његовог концепта, лансирања и мисије, део је истоимене колаборације. Овај међународни конзорцијум јединствен је због свог обима и шареноликог спектра тимова који га чине. Конзорцијум је сачињен од 1500 научника и инжењера, чланова преко 100 институција из 20 различитих држава чланица ЕСА, укључујући и једну неевропску земљу – Канаду.
Конструкција примарног огледала развијена је у лабораторији за астрофизику у Марсељу, а трајала је последњих седам година. С обзиром на то да сам у тој лабораторији провео важан део свог истраживачког рада, често сам имао прилику да кроз специјалан прозор на балкону Института посматрам радове у инжењерској соби (тзв. чиста соба), у којој је тим техничара у белим скафандерима свакодневно пажљиво тестирао и дорађивао сваки делић „Еуклидовог“ огледала. Један од најзабавнијих тестова био је „тест трескања“, који је за циљ имао да испита издржљивост оптике на снажне пертурбације какве се могу очекивати током „Еуклидове“ свемирске „пловидбе“. Огледало је са велике трамбулине бацано увис неколико пута, све док се из резултујућих сигнала није отклонила и најмања могућност дефекта. Хајде сада заједно да видимо како ће тећи живот „Еуклида“ од тренутка његовог слања у космос. Након што буде лансиран, телескоп ће се кретати око месец дана по такозваној Лисажуовој путањи до тачке L2, Која је удаљена више од милион километара од Земље. У истој тачки је лоциран и највећи телескоп досад послат са наше планете, „Џејмс Веб“, па можемо условно рећи да ће „Еуклид“ и „Веб“ би ти космичке комшије. Трајање мисије на, током којих ће се мапирати велики део парчета свемира, чак 15.000 лучних степени, што је еквивалентно трећини целокупне небеске сфере! Примера ради, телескоп „Веб“, иако најпрецизнији и најсензитивнији инструмент икада, нема толику моћ широкопојасног посматрања неба, те ће његови каталози података обухватити 100 пута мању површину. Ово је уједно и одговор на питање зашто чак и импресивне опсерваторије, попут „Веб“ или „Хабл“ телескопа, нису довољне да нам саме разреше све мистерије универзума. Након што обави први део мисије синхроног посматрања неба, „Еуклид“ ће накнадно бити усмерен на некa од најпознатијих вангалактичких поља, опсежно истражених малих делова неба у којима су астрономи до сад идентификовали комплексни диверзитет галаксија изузетне удаљености и карактеристика. Најпознатије од тих поља је Хаблово ултрадубоко поље. Циљ поновног, продуженог снимања тих мајушних, али дубоких поља, јесте идентификација најудаљенијих објеката, као и оних са најслабијом сјајношћу, попут далеких, планетарних система и малих галаксија (100-1000 пута мањих од Млечног пута). Све ово за циљ има да се астрономима и астрофизичарима обезбеде вредни каталози са око десет милијарди космичких објеката, пре свега галаксија. Тако велика статистика омогућиће да одговоримо на нека од најважнијих отворених питања модерне науке, пре свега на она о облику и густини свемира која смо поменули у првом делу текста.
ВЕЛИКА НАУЧНА ПИТАЊА МИСИЈЕ „ЕУКЛИД“ КОСМОС У ПАУКОВОЈ МРЕЖИ, ИЛИ: КАКО СЕ ПОВЕЗУЈУ ФИЛАМЕНТИ У СВЕМИРУ?
Материја у свемиру је аранжирана налик чворовима и нитима паукове мреже. Чворови чине места где се међусобно пресецају филаменти, својеврсни канали преноса материјала којим се галаксије хране током свог живота. Космички филаменти су џиновске структуре, највеће у целом космосу. Колико су велике, можете визуeлизовати тако што ћете замислити цео простор око ње испуњен још стотинама других галаксија. Млечни пут је заиста део једног таквог система, који се назива Ланиакеа суперјато галаксија. Ипак, чак и ово суперјато и даље није довољно велико да се „такмичи“ са величином космичких филамената који се протежу између „зидова“ сваког од поменутих суперјата. Дужина космичких филамената може да буде већа од 80 мегапарсека, што је једнако дужини од око сто милиона светлосних година! Филаменти у космосу су круцијални за тестирање космолошког модела Великог праска, јер је предвиђено да они директно прате не само расподелу најгушћих делова видљиве материје (звезда и гаса у јатима галаксија), већ индиректно трасирају пут којим се протеже невидљива тамна материја. Другим речима, уколико је космолошки модел Великог праска тачан и комплетан, највећа маса тамне материје требало би да буде на местима најгушћих и „најзапетљанијих“ филамената. У тим петљама је гравитациона спрега између великих галаксија најјача, а Ова илустрација нам помаже да лакше разумемо јединственост телескопа „Еуклид“: то је његова могућност да мапира протезање и размену материје на великим удаљеностима, омогућавајући нам директан увид у то како космички филаменти изгледају у различитим епохама космоса.
КАКО ЕВОЛУИРАЈУ ГАЛАКСИЈЕ?
Када говоримо о „различитим епохама космоса“, онда говоримо о томе колика је удаљеност небеских тела која смо уочили телескопима. Црвени помак је стандардни параметар који астрономи употребљавају да би исказали колико је нека звезда или галаксија далеко од места посматрања. „Еуклид“ ће снимати како објекте у локалном свемиру (црвеним помацима блиским нули) тако и оне објекте удаљене и до десет милијарди светлосних година од нас, на црвеним помацима већим од три. Тачно израчунавање удаљености галаксије није тривијалан посао. Астрономи oвa мерења често карактеристика слика у различитим филтерима), а кад год је могу ће, прибегавамо много прецизнијим, спектро скопским методама. Управо ће спектроскопска метода бити важан део мисије „Еуклид“, с обзиром на то да је опсерваторија опремљена спектралним уређајем средње резолуције. Ако вам све ово зазвучи компликовано, немојте се уплашити. Циљ спектралних мерења је својеврсни мониторинг појављивања линија познатих хемијских елемената (на пример, водоника) у космосу, те њихово упоређивање са стандардним лабораторијским вредностима. Што је већа разлика између посматраних и лабораторијских фреквенција, то је већа удаљеност објекта. Метода омогућава прецизно мерење удаљености милиона галаксија које ће бити снимљене, омогућавајући нам статистичко праћење њихове еволуције.
ДА ЛИ ЈЕ ВЕЋИ ДЕО СВЕМИРА ПРАЗАН?
Сматра се да паукова мрежа свемира није једнако „насељена“ галаксијама у различитим раздобљима живота свемира. У младом, раном космосу, који обухвата историју од неколико стотина милиона година након Великог праска, не очекујемо превелики број згуснутих јата и протојата галаксија. Разлог за то је време (од око милијарду година) потребно да се галаксије гравитационо привуку и „закључају“ у један систем. Са друге стране, сматрамо да је највећи део универзума релативно празан, те да није испуњен галаксијама велике масе. Наизглед празне области свемира називамо „космичке празнине“ (cosmic voids). Мапирање расподеле космичких празнина захтева једнак напор као и мапирање густих филамената. Неопходно је направити тродимензионални снимак значајног дела небеске сфере и затим пажљиво израчунати колика је густина гаса, звезда и прашине у различитим делићима те запремине. Уколико би се испоставило да космос као целина има занемарљиву густину материје, то би потврдило теоријске претпоставке да њим доминирају „празнине“.
Тачно израчунавање удаљености галаксије није тривијалан посао. Астрономи oвa мерења често карактеристика слика у различитим филтерима), а кад год је могу ће, прибегавамо много прецизнијим, спектро скопским методама. Управо ће спектроскопска метода бити важан део мисије „Еуклид“, с обзиром на то да је опсерваторија опремљена спектралним уређајем средње резолуције.
Оно што је узбудљиво у годинама које следе, јесте схватање динамичких особина тог разређеног простора. Актуелна недоумица у вези са њим је да ли се и у такразређеном простору могу формирати велике структуре, попут галаксија сличних нашој? Последња истраживања показују да је овај сценарио реалан, што додатно компликује интерпретацију ионако комплексне слике еволуције космоса. Постојање комплексних хемијских једињења, водом богатих вансоларних планета и честица прашине које су агенси органског живота, делује као сасвим разумно очекивање и за оне кутке свемира за које смо раније сматрали да су пусти и незанимљиви.
ДА ЛИ СЕ ШИРЕЊЕ СВЕМИРА МЕЊА?
Деведесетих година прошлог века космолози су дошли до изненађујућег открића да се универзум данас шири брже него у својим ранијим добима. Прецизније речено, космос се ширио од свог рођења у Великом праску, али су научници претпостављали да ће се брзина којом се шири временом успорити, услед гравитација свеукупне материје која би се опирала ширењу. Иако је за ово откриће додељена Нобелова награда, разумевање разлога за убрзано ширење свемира и даље остаје један од највећих изазова космологије и фундаменталне физике. Телескопом који је довољно осетљив да види светлост којој је требало десет милијарди година да стигне до нас, „Еуклид“ ће нам рећи како се брзина ширења космоса мењала током времена. Својим широкоугаоним погледом, „Еуклид“ ће такође истражити да ли је експанзија иста у свим правцима. Акније, ово би нарушило оно што је познато као космолошки принцип, који претпоставља да на довољно великој скали универзум изгледа исто у свим правцима, и са сваке локације.
ГЕОМЕТРИЈА СВЕМИРА И РАЗУМЕВАЊЕ ГРАВИТАЦИЈЕ: ДА ЛИ НАМ НЕКИ ДЕЛИЋ СЛАГАЛИЦЕ НЕДОСТАЈЕ?
На крају, проблем свих проблема. Постојање тамне материје и убрзано ширење свемира сугеришу да нам галице у разумевању природе. Ова два изненађујућа открића деле једну заједничку основу: оба су у блиској вези са гравитацијом. Као што смо поменули на почетку текста, Ајнштајнова теорија гравитације описује је као последицу масивних објеката који савијају простор-време. Предмети различите масе различито деформишу простор-време, слично кликерима на танком листу папира. До сада, сва општа теорија релативности је успешно прошла све посматрачке тестове, од постојања црних рупа до гравитационих таласа. О многима од њих писали смо и у претходним Орбитирањима. Ипак, постоји једна велика разлика између свих ранијих експеримената и оног који ће извршити телескоп „Еуклид“ – ниједан тест теорије гравитације није направљен на тако великим удаљеностима и на тако разноврсним космичким епохама какве ће „Еуклид“ моћи да обухвати. На пример, мерења масе црних рупа у галаксијама до сад су била луксуз за само неколико објеката у локалном свемиру, док ће „Еуклид“ помоћи да то постане рутинирана ствар и за веома далеке галаналогне локалним џиновиМ87 или М31. На овај начин, „Еуклид ће нам дати увид у то да ли се општа релативност нарушава на векосмолошким скалама. Било одговор на ово питање потвродричан, чека нас веома уз период истраживања.
Текст је изворно објављен у склопу редовне рубрике Орбитирање, у 33. броју часописа Елементи.
Дарко Доневски је доктор наука у области космологије и астрофизике. Главна област истраживања му je еволуција галаксија у раном свемиру. Професионално је ангажован на институтима за астрофизику у Трсту и Варшави, на којима води међународни пројекат који се бави пореклом прашине у далеким галаксијама. Докторирао је на универзитету Екс-Марсеј у Француској, а као гостујући научник радио је на универзитетима у Торонту, Лајдену и Тулузу. Поред истраживачког рада, активно се бави научном едукацијом и комуникацијом. Стални је сарадник часописа Елементи.