Истраживачи су недавно објавили детекцију сигнала најстаријих звезда у универзуму. Зашто је потврда овог открића важна и шта то значи за наше разумевање свемира и будућност науке?
Текст: Дарко Доневски
Међународни тим истраживача, који предводи Џуд Боуман са Државног универзитета Аризоне, објавио је рад о детекцији сигнала потеклог од најстаријих звезда у универзуму. Уколико се у бликској будућности овај сигнал потврди и неким другим независним експериментом, биће то први пут да је човечанство завирило у историју епохе у којој су прве звезде почеле да настају. Такође, ово откриће има још један важан аспект – његово прво тумачење сугерише да су честице тамне материје много лакше него што су теоретичари мислили.
Где се крију велика питања?
Како би описали глобалне карактеристике универзума, астрономи су током последњих деценија користили највеће светске телескопе и пажљиво прикупљали податке да што боље тестирају тренутно важећу теорију настанка и развоја свемира – теорију Великог праска. Ова теорија, између осталог, објашњава како је универзум почео да се шири из почетног стања високе густине и температуре, док у исто време предвиђа и низ физичких феномена попут космичког позадинског зрачења, стварања првих лаких хемијских елемената, стварања структура галактичких јата и суперјата.
Детаљним мерењима ширења свемира израчунато је да је он започео своју историју у сингуларности познатој под именом Велики прасак пре 13,78 милијарди година. Неколико открића потврдило је сценарио Великог праска, а за њих су додељене Нобелове награде. Тако је прошле године Нобелова награда додељена за откриће гравитационих таласа.
Развој свемира од његовог настанка до данас протиче кроз различите еволутивне фазе које су предвиђене управо стандардним космолошким моделом оличеним у имену теорије Великог праска. Неке од њених најважнијих претпоставки су и експериментално потврђене. На пример, први атоми водоника и хелијума формирани су када су екстремне температуре и густине почеле да опадају око 380.000 година након Великог праска.
Процес формирања атома условио је емитовање зрачења познатог под именом космичка микроталасна позадина (космичка јер је њен узрок сам свемир, микроталасна због области електромагнетног спектра у ком је снимљена и позадина јер долази из свих праваца, а не само из једног доминантног извора). Космичка микроталасна позадина је један од најзначајнијих елемената свемира који научницима омогућава увид у сићушне флуктуације густине које су се десиле у најдаљој прошлости.
Ово зрачење је телескопима са Земље снимљено 1964. године, а научницима који су га први регистровали донело је Нобелову награду за физику 1978. године. Касније су у свемир са Земље лансирани савремени телескопи WMAP и Planck, који су мапу позадинског микроталасног зрачења снимили детаљно. Детаљне мапе су неопходне како би се закључило да универзум није идеално изотропан, већ на малим скалама одступа од „идеалног“. Због свега наведеног данас можемо да дамо општи одговор на питање шта је иницирало стварање структура попут галаксија или галактичких јата.
Значај епохе рејонизације
Након времена првог космичког зрачења, наступио је период који се међу астрономима помало шаљиво назива „Мрачно доба“. Температура космичког микроталасног зрачења нагло је опала са 40.000 на свега 59 Келвина, универзум је постао неутралан, а интензитет било ког јачег зрачења апсорбовао је околни атомски гас. Када се Мрачно доба делимично завршило, универзум је био стар око 150 милиона година. Након тога је уследила епоха рејонизације, коју многи научници називају поетским термином „космичко праскозорје“.
У овом периоду је материја полако почела да се сажима услед гравитације стварајући прве звезде, галаксије и квазаре. Епоха рејонизације тако је названа јер је зрачење које је проистекло из тих првих струкутра, на пример звезда, јонизовало неутрални водоник. Тачан механизам настанка и природа епохе рејонизације нису детаљније истражени, пре свега зато што се слабашно зрачење из тог доба не може једноставно детектовати ни највећим телескопима.
С обзиром на то да је космос постао транспарентан, светлост удаљених обејката астрономи данас могу да детектују на различитим таласним дужинама, али пре свега у инфрацрвеном и радио делу спектра. Многи радио-инструменти направљени су претходних година у сврху откривања ове етапе развоја свемира. Радио-телескопи, попут Murchison у Аустралији или LOFAR у Европи, имају циљ да детектују апсорпциони сигнал таласне дужине 21 центиметар. Ова таласна дужина одговара такозваном хиперфином прелазу атомског водоника. Линија водоника на 21 центиметар не може настати ни од једног извора који постоји на Земљи, што повезује њено порекло искључиво са условима који владају у околном свемиру. Зато је мапирање водоника у доба рејонизације кључно за разумевање првих звезда и галаксија.
Пројекат EDGES
Фантастично откриће које помера границе разумевања раног свемира објављено је у часопису Nature. Астрономи који раде на пројекту EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature) тврде да су детектовали отисак микроталасног зрачења које је у епохи рејонизације апсорбовао водоник. Водоник је директни пратилац процеса формирања звезда па се због тога оправдано сматра да је наука први пут досегла светлост најстаријих звезда.
Пошто чак ни најмоћнији оптички телескопи још не могу директно да открију звезде из доба рејонизације, истраживачи су се у овом случају послужили другом техником – за детекцију су искористили мало познати систем три радио-антене у пустињском делу западне Аустралије. Сигнал је детектован на 79 мегахерца, што спада у веома ниске радио-фреквенције. Примера ради, најчешће коришћене радио-фреквенције за детекцију локалних галаксија су између 1 и 8 гигахерца.
Ово откриће донело је још једно изненађење. Јачина апсорпције је двапут већа од теоријски претпостављене вредности што указује да је водоник знанто хладнији него што модели предвиђају. Измерена температура космоса у том периоду је 3 Келвина (-270 степени Целзијуса) што указује на могућност да је гас изгубио своју топлоту размењујући је са околним, хладнијим медијумом. Једина ствар коју теорија Великог праска поред водоника предвиђа у том раздобљу јесте тамна материја. То практично значи да космологија базирана на детекцији атомског водоника у раном свемиру може послужити као проба стања тамне материје.
Шта даље?
Сваки резултат на овако високом нивоу треба бити схваћен као јака индикација, али никако као дефинитивна потврда. Да би се ово десило, неопходно је да се сигнал независно потврди још неким експериментом. Док се то не деси, многи експерти, попут Арона Парсона са Универзитета Беркли, пословично су скептични према резултатима које је тим из Аризоне објавио. Њихова бојазан у вези је са чињеницом да је тако слаб сигнал могао бити појачан и неким ефектом проистеклим из локалног свемирског окружења, а не нужно из епохе рејонизације.
У сваком случају, ово значајно откриће могло би да отвори нов прозор у разумевању физике најранијег свемира и да тестира многе теорије које се баве питањем шта је заправо тамна материја. Последњих година сведоци смо да се астрономија издваја као наука у којој је објављено неколико епохалних открића од гравитационих таласа, који су довели до рађања нове научне дисциплине – гравитационе астрономије, и најудаљенијих прашинастих галаксија, па све до детекције потенцијално хабитабилних планета и првог међузвезданог објекта који је „упловио“ у наш систем. Изгледа да се овој групи придружила и астрономија епохе рејонизације.