Istraživači su nedavno objavili detekciju signala najstarijih zvezda u univerzumu. Zašto je potvrda ovog otkrića važna i šta to znači za naše razumevanje svemira i budućnost nauke?
Tekst: Darko Donevski
Međunarodni tim istraživača, koji predvodi Džud Bouman sa Državnog univerziteta Arizone, objavio je rad o detekciji signala poteklog od najstarijih zvezda u univerzumu. Ukoliko se u blikskoj budućnosti ovaj signal potvrdi i nekim drugim nezavisnim eksperimentom, biće to prvi put da je čovečanstvo zavirilo u istoriju epohe u kojoj su prve zvezde počele da nastaju. Takođe, ovo otkriće ima još jedan važan aspekt – njegovo prvo tumačenje sugeriše da su čestice tamne materije mnogo lakše nego što su teoretičari mislili.
Gde se kriju velika pitanja?
Kako bi opisali globalne karakteristike univerzuma, astronomi su tokom poslednjih decenija koristili najveće svetske teleskope i pažljivo prikupljali podatke da što bolje testiraju trenutno važeću teoriju nastanka i razvoja svemira – teoriju Velikog praska. Ova teorija, između ostalog, objašnjava kako je univerzum počeo da se širi iz početnog stanja visoke gustine i temperature, dok u isto vreme predviđa i niz fizičkih fenomena poput kosmičkog pozadinskog zračenja, stvaranja prvih lakih hemijskih elemenata, stvaranja struktura galaktičkih jata i superjata.
Detaljnim merenjima širenja svemira izračunato je da je on započeo svoju istoriju u singularnosti poznatoj pod imenom Veliki prasak pre 13,78 milijardi godina. Nekoliko otkrića potvrdilo je scenario Velikog praska, a za njih su dodeljene Nobelove nagrade. Tako je prošle godine Nobelova nagrada dodeljena za otkriće gravitacionih talasa.
Razvoj svemira od njegovog nastanka do danas protiče kroz različite evolutivne faze koje su predviđene upravo standardnim kosmološkim modelom oličenim u imenu teorije Velikog praska. Neke od njenih najvažnijih pretpostavki su i eksperimentalno potvrđene. Na primer, prvi atomi vodonika i helijuma formirani su kada su ekstremne temperature i gustine počele da opadaju oko 380.000 godina nakon Velikog praska.
Proces formiranja atoma uslovio je emitovanje zračenja poznatog pod imenom kosmička mikrotalasna pozadina (kosmička jer je njen uzrok sam svemir, mikrotalasna zbog oblasti elektromagnetnog spektra u kom je snimljena i pozadina jer dolazi iz svih pravaca, a ne samo iz jednog dominantnog izvora). Kosmička mikrotalasna pozadina je jedan od najznačajnijih elemenata svemira koji naučnicima omogućava uvid u sićušne fluktuacije gustine koje su se desile u najdaljoj prošlosti.
Ovo zračenje je teleskopima sa Zemlje snimljeno 1964. godine, a naučnicima koji su ga prvi registrovali donelo je Nobelovu nagradu za fiziku 1978. godine. Kasnije su u svemir sa Zemlje lansirani savremeni teleskopi WMAP i Planck, koji su mapu pozadinskog mikrotalasnog zračenja snimili detaljno. Detaljne mape su neophodne kako bi se zaključilo da univerzum nije idealno izotropan, već na malim skalama odstupa od „idealnog“. Zbog svega navedenog danas možemo da damo opšti odgovor na pitanje šta je iniciralo stvaranje struktura poput galaksija ili galaktičkih jata.
Značaj epohe rejonizacije
Nakon vremena prvog kosmičkog zračenja, nastupio je period koji se među astronomima pomalo šaljivo naziva „Mračno doba“. Temperatura kosmičkog mikrotalasnog zračenja naglo je opala sa 40.000 na svega 59 Kelvina, univerzum je postao neutralan, a intenzitet bilo kog jačeg zračenja apsorbovao je okolni atomski gas. Kada se Mračno doba delimično završilo, univerzum je bio star oko 150 miliona godina. Nakon toga je usledila epoha rejonizacije, koju mnogi naučnici nazivaju poetskim terminom „kosmičko praskozorje“.
U ovom periodu je materija polako počela da se sažima usled gravitacije stvarajući prve zvezde, galaksije i kvazare. Epoha rejonizacije tako je nazvana jer je zračenje koje je proisteklo iz tih prvih strukutra, na primer zvezda, jonizovalo neutralni vodonik. Tačan mehanizam nastanka i priroda epohe rejonizacije nisu detaljnije istraženi, pre svega zato što se slabašno zračenje iz tog doba ne može jednostavno detektovati ni najvećim teleskopima.
S obzirom na to da je kosmos postao transparentan, svetlost udaljenih obejkata astronomi danas mogu da detektuju na različitim talasnim dužinama, ali pre svega u infracrvenom i radio delu spektra. Mnogi radio-instrumenti napravljeni su prethodnih godina u svrhu otkrivanja ove etape razvoja svemira. Radio-teleskopi, poput Murchison u Australiji ili LOFAR u Evropi, imaju cilj da detektuju apsorpcioni signal talasne dužine 21 centimetar. Ova talasna dužina odgovara takozvanom hiperfinom prelazu atomskog vodonika. Linija vodonika na 21 centimetar ne može nastati ni od jednog izvora koji postoji na Zemlji, što povezuje njeno poreklo isključivo sa uslovima koji vladaju u okolnom svemiru. Zato je mapiranje vodonika u doba rejonizacije ključno za razumevanje prvih zvezda i galaksija.
Projekat EDGES
Fantastično otkriće koje pomera granice razumevanja ranog svemira objavljeno je u časopisu Nature. Astronomi koji rade na projektu EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature) tvrde da su detektovali otisak mikrotalasnog zračenja koje je u epohi rejonizacije apsorbovao vodonik. Vodonik je direktni pratilac procesa formiranja zvezda pa se zbog toga opravdano smatra da je nauka prvi put dosegla svetlost najstarijih zvezda.
Pošto čak ni najmoćniji optički teleskopi još ne mogu direktno da otkriju zvezde iz doba rejonizacije, istraživači su se u ovom slučaju poslužili drugom tehnikom – za detekciju su iskoristili malo poznati sistem tri radio-antene u pustinjskom delu zapadne Australije. Signal je detektovan na 79 megaherca, što spada u veoma niske radio-frekvencije. Primera radi, najčešće korišćene radio-frekvencije za detekciju lokalnih galaksija su između 1 i 8 gigaherca.
Ovo otkriće donelo je još jedno iznenađenje. Jačina apsorpcije je dvaput veća od teorijski pretpostavljene vrednosti što ukazuje da je vodonik znanto hladniji nego što modeli predviđaju. Izmerena temperatura kosmosa u tom periodu je 3 Kelvina (-270 stepeni Celzijusa) što ukazuje na mogućnost da je gas izgubio svoju toplotu razmenjujući je sa okolnim, hladnijim medijumom. Jedina stvar koju teorija Velikog praska pored vodonika predviđa u tom razdoblju jeste tamna materija. To praktično znači da kosmologija bazirana na detekciji atomskog vodonika u ranom svemiru može poslužiti kao proba stanja tamne materije.
Šta dalje?
Svaki rezultat na ovako visokom nivou treba biti shvaćen kao jaka indikacija, ali nikako kao definitivna potvrda. Da bi se ovo desilo, neophodno je da se signal nezavisno potvrdi još nekim eksperimentom. Dok se to ne desi, mnogi eksperti, poput Arona Parsona sa Univerziteta Berkli, poslovično su skeptični prema rezultatima koje je tim iz Arizone objavio. Njihova bojazan u vezi je sa činjenicom da je tako slab signal mogao biti pojačan i nekim efektom proisteklim iz lokalnog svemirskog okruženja, a ne nužno iz epohe rejonizacije.
U svakom slučaju, ovo značajno otkriće moglo bi da otvori nov prozor u razumevanju fizike najranijeg svemira i da testira mnoge teorije koje se bave pitanjem šta je zapravo tamna materija. Poslednjih godina svedoci smo da se astronomija izdvaja kao nauka u kojoj je objavljeno nekoliko epohalnih otkrića od gravitacionih talasa, koji su doveli do rađanja nove naučne discipline – gravitacione astronomije, i najudaljenijih prašinastih galaksija, pa sve do detekcije potencijalno habitabilnih planeta i prvog međuzvezdanog objekta koji je „uplovio“ u naš sistem. Izgleda da se ovoj grupi pridružila i astronomija epohe rejonizacije.