ASTROFIZIKA
Pripremio: Mirko Jakovljević
NEVIDLJIVA RUKA UNIVERZUMA
 Naučnici su na početku dugog procesa razumevanja tamne materije. Jedan od prvih zaključaka je da, iako neprimećena donedavno, tamna materija ima uticaj na evoluciju zvezda i galaksija. Astronomi su možda decenijama posmatrali tamnu energiju na delu a da to nisu ni znali. Ironija je da je upravo njena rasprostranjenost učinila tamnu energiju tako teškom za prepoznavanje. Tamna energija se, za razliku od materije, ne grupiše gušće na određenim mestima već je svuda ravnomerno raspoređena. Gde god da se nalazi, ima istu gustinu, oko 10-26 kg po metru kubnom, što je jednako šačici atoma vodonika. Sva ta energija u našem univerzumu ima masu malog asteroida, što je čini potpuno nevažnim igračem u plesu planeta. Njeni efekti se ističu samo kada se posmatraju na ogromnim razdaljinama i velikim vremenskim rasponima.
Još od američkog astronoma Edvina Habla, naučnici znaju da se sve galaksije, osim onih nama najbližih, udaljavaju od nas velikom brzinom. Ova brzina zavisi od razdaljine - što je neka galaksija udaljenija, to je njeno udaljavanje brže. Takav šablon je pokazao da se galaksije ne kreću kroz svemir u klasičnom smislu reči, već bivaju nošene dok se širi samo tkanje svemira. Decenijama se astronomi bore da odgovore na pitanje: kako se stopa širenja menja vremenom? I zaključili da bi ona trebalo da usporava, jer bi unutrašnje gravitaciono privlačenje trebalo da kontrira širenju.
Prvi jasni dokazi o promenama u stopi širenja uključivali su udaljene supernove, ogromne eksplodirajuće zvezde koje se mogu koristiti kao markeri kosmičkog širenja. Ova zapažanja su pojasnila da je širenje u prošlosti bilo sporije i da je u jednom trenutku počelo da ubrzava. Ovaj rezultat je kasnije proveravan različitim nezavisnim studijama pozadinskog kosmičkog mikrotalasnog zračenja.
 Jedan od mogućih zaključaka je da se drugačiji gravitacioni zakoni primenjuju na supergalaktičkim skalama nego na manjim, tako da se gravitacija galaksija ne opire širenju. Ali, teorija koja je prihvaćena je da su zakoni gravitacije univerzalni i da neki vid energije, do sada nepoznat nauci, prkosi i nadjačava uzajamno privlačenje galaksija, razdvajajući ih sve brže. Iako je tamna energija beznačajna u našoj galaksiji, ona je sastavni deo najsnažnije sile u svemiru.
Astronomi su istražujući ovaj novi fenomen otkrili da, osim što određuje ukupnu stopu širenja Univerzuma, tamna energija ima dalekosežni uticaj i na manjoj skali. Zumiranjem svemira, može se utvrditi da se materija na kosmičkim skalama distribuira poput paukove mreže, sa mnoštvom filigranskih niti, dugačkih nekoliko desetina miliona svetlosnih godina, ispresecanih prazninama jednake veličine. Simulacije su pokazale da su i materija i tamna energija neophodne da se objasni ovaj obrazac.
Ovo otkriće nije iznenađujuće. Niti i praznine nisu koherentna tela poput planeta. One su oblikovane takmičenjem između kosmičkog širenja i unutrašnje ravnoteže sila. U našem univerzumu, nijedan učesnik ovog takmičenja nije dominantan. Da je tamna energija jača, širenje bi izgubilo i materija bi bila više raširena, a ne koncentrisana u nitima. Da je tamna energija slabija, materija bi bila još više koncentrisana.
Situacija se komplikuje zumiranjem galaksija. One se ne šire vremenom. Njihovu veličinu kontroliše ravnoteža između gravitacije i ugaonog momentuma zvezda, gasa i drugih materijala od kojih su sačinjene; one rastu samo privlačenjem novog materijala iz intergalaktičkog svemira ili spajanjem sa drugim galaksijama. Kosmičko širenje nema značajan uticaj na njih i nema dokaza da je tamna energija imala bilo kakvog udela u formiranju galaksija.
Sada se čini da je tamna energija možda ključna veza između nekoliko aspekata formiranja galaksija koji su do sada delovali nepovezani. Razlog za to je da na formiranje i evoluciju ovih sistema utiču interakcije između galaksija i njihovo spajanje, koje je možda pod uticajem tamne energije.
Univerzum male gustine
Današnje teorije o formiranju galaksija zasnivaju se na ideji da postoje dve vrste materije. Prva je obična materija, čije čestice reaguju jedne s drugima. Astronomi nazivaju ovu materiju „barionskom“, zbog njenih glavnih konstituenata, bariona, poput protona i neutrona. Druga vrsta je tamna materija (koju treba razlikovati od tamne energije), koja čini 85% sve materije i čije je glavno svojstvo da ima čestice koje ne reaguju uz radijaciju. U gravitacionom smislu, tamna materija se ponaša poput obične materije.
Prema modelima, tamna materija je počela da se zgrušava odmah nakon Velikog praska, formirajući loptaste balone koje naučnici nazivaju „oreolima“. S druge strane, u početku su radijacija i međusobne interakcije sprečavale barione da se zgrušavaju. Oni su ostali u vreloj i gasovitoj fazi. Dok se svemir širio, ovaj gas se hladio i barioni su mogli da se grupišu. Prve zvezde i galaksije su se sjedinile iz ovog ohlađenog gasa nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska. One se nisu materijalizovale na nasumičnim lokacijama, već u središtima oreola tamne materije koji su već poprimili svoj oblik.
Od osamdesetih godina prošlog veka, naučnici su detaljno proučavali ovaj proces putem kompjuterskih simulacija. Zaključili su da su većina prvih struktura bile mali oreoli sa malom masom. Zbog toga što je rani Univerzum imao tako malu gustinu, ovi oreoli sa niskom masom su se spajali jedni sa drugim i stvarali sisteme sa većom masom.
Najranije galaksije koje možemo videti postojale su kada je svemir bio star jednu milijardu godina, a čini se da su se mnoge od njih spajale. Vremenom, spajanje ogromnih galaksija je postalalo ređe.
Čitavih 98% današnjih velikih galaksija u svemiru su eliptičnog ili spiralnog oblika, koji bi se poremetio u slučaju spajanja. Ove galaksije su stabilne i sadrže uglavnom stare zvezde, što upućuje da su se formirale rano i ostale u regularnom obliku dugo vremena. Mali broj galaksija se spaja danas, i one su uglavnom male mase.
Prestanak spajanja nije jedini pokazatelj da se svemir usporava; i formiranje novih zvezda je sve ređe. Većina zvezda koje postoje danas rođene su u prvoj polovini kosmičke istorije. Teorija formiranja galaksija predviđa da se prvo formiraju male galaksije i da njihovim amalgamiranjem nastaju masivne galaksije. Ipak, istorija formiranja zvezda pokazuje suprotno: masivne galaksije su u početku glavno mesto rađanja zvezda a potom preovlađuju manje galaksije.
Crne rupe „bez goriva“
Neki astronomi pretpostavljaju da su unutrašnji procesi u galaksijama, poput energije koju oslobađaju crne rupe i supernove, isključili formiranje galaksija i zvezda. Ali tamna energija je iskrsla kao možda još veći krivac, onaj koji bi sve mogao povezati. Centralni dokaz je podudaranje u tajmingu između kraja formiranja većine galaksija i nastupanja dominacije tamne energije. I jedno i drugo se desilo kada je svemir bio duplo mlađi nego danas.
Ideja je da je do tog trenutka u kosmičkoj istoriji materija bila toliko gusta da su gravitacione sile među galaksijama dominirale nad efektima tamne energije. Galaksije su se dodirivale, reagovale jedne s drugima i često se spajale. Nove zvezde su se formirale kada su se oblaci gasa unutar galaksija sudarali, a crne rupe su rasle kada se gas kretao ka centrima ovih sistema. Dok je vreme prolazilo i svemir se širio, materija je postajala sve tanja, njena gravitacija je slabila, a snaga tamne energije je ostala ista. Promena u ravnoteži je izazvala da se širenje ubrza. Strukture u kojima se nalaze galaksije su tada rastavljane, uz opadanje stope spajanja galaksija. Takođe, intergalaktički gas je sve manje upadao u galaksije. Bez goriva, crne rupe su postale nepomične.
Ovo možda objašnjava smanjenje broja galaksija. Najveći oreoli tamne materije, kao i njihove galaksije, su takođe najviše grupisani; oni se nalaze u blizini drugih velikih oreola. Tako će se sudariti sa svojim susedima pre nego sistemi sa manjom masom. Kada do toga dođe, dođe do formiranja zvezda. Novonastale zvezde se upale i potom rastu, zagrevajući gas i sprečavajući ga da se sudari sa novim zvezdama. Ovako se formiranje zvezda zaguši: zvezde zagrevaju gas od kojeg su nastale, sprečavajući nastajanje novih. Crna rupa koja se nalazi u središtu takve galaksije takođe sprečava formiranje zvezda. Spajanje galaksija ispunjava središte crne rupe gasom, čineći da ispaljuje mlazove koji zagrevaju gas u sistemu i sprečavaju ga da se ohladi i tako proizvede nove zvezde.
Kada prestane formiranje zvezda u masivnim galaksijama, ono ne počinje ponovo - najverovatnije zato što gasa u ovim sistemima ubrzo nestane, ili on postane toliko topao da se ne može dovoljno brzo ohladiti. Ove ogromne galaksije ipak mogu da se spajaju, ali se mali broj novih zvezda pojavljuje zbog nedostatka hladnog gasa. Dok masivne galaksije stagniraju, manje galaksije nastavljaju da se spajaju i stvaraju zvezde. Rezultat ovoga je da ogromne galaksije dobijaju svoj oblik pre manjih. Tamna energija je možda modulirala ovaj proces određivanjem stepena grupisanja galaksija i stope spajanja.
Zemlja otrgnuta od Sunca
Tamna energija bi mogla da objasni evoluciju grupa galaksija. Grupe galaksija nisu porasle tokom prethodnih 6 do 8 milijardi godina. Ovaj nedostatak rasta je pokazatelj da tamna energija utiče na interakciju između galaksija, jer se za taj period vezuje pojava tamne energije. Delovanjem na razvoj grupa galaksija, tamna energija takođe kontroliše sastav galaksija unutar same grupe. Regulisanjem sposobnosti galaksija da spajaju grupe, tamna energija diktira relativno mnoštvo ovih tipova galaksija.
Koliko je ovo tačno? Spajanja glaksija, aktivnosti crnih rupa i formiranje zvezda opada vremenom, i vrlo verovatno je na neki način povezano. Astronomi to tek treba da ispitaju. Ta analiza će zahtevati razvijanje novih teorija u skoro vreme.
Univerzum koji se ubrzava i kojim dominira tamna energija je prirodan način da se pokrenu primećene promene u populaciji galaksija - prestanak spajanja i formiranja zvezda na kraju galaktičke metamorfoze. Da tamna energija ne postoji, spajanja galaksija bi se nastavila mnogo duže i danas bi svemir sadržavao mnogo više masivnih galaksija sa starom populacijom zvezda. Takođe, bilo bi manje sistema sa malom masom a spiralne galaksije poput našeg Mlečnog puta bile bi retke. Veće strukture galaksija bi bile čvršće povezane i dogodilo bi se više spajanja i srastanja.
Takođe, da je tamna energija još jača, u svemiru bi bilo manje spajanja i samim tim, manje masivnih galaksija i grupa galaksija. Spiralne i patuljaste galaksije sa malom masom bi bile brojnije jer bi bilo manje spajanja galaksija, a grupe galaksija bi bile jako male ili ne bi ni postojale. Takođe je verovatno da bi se formiralo manje zvezda, a veći procenat barionične mase našeg univerzuma bi i dalje bio u gasovitom stanju.
Način na koji se formiraju galaksije utiče i na naše postojanje. Zvezde su neophodne za proizvodnju elemenata težih od litijuma. Niža stopa formiranja planeta znači da se ti elementi ne formiraju u velikom broju. Ako svemir ne bi imao mnogo planeta, život možda nikada ne bi nastao. Na ovaj način, tamna energija je možda imala dubok uticaj na mnoštvo različitih i naizgled nepovezanih aspekata svemira, a možda čak i na detaljnu istoriju naše planete.
Tamna energija ni u kom smislu nije završila sa svojim delovanjem. Ona je možda koristila životu: ubrzavanje će sprečiti eventualni kolaps koji je donedavno zabrinjavao astronome. Ipak, tamna energija donosi druge rizike. U najmanju ruku, ona razdvaja galaksije, čineći da se one tako brzo udaljuju da ih gubimo iz vidika. Svemir se prazni, ostavljajući galaksije poput izolovanih ostrva. Grupe galaksija, galaksije i čak zvezde koje plove kroz međugalaktički prostor će imati ograničnu sferu gravitacionog uticaja, ne većeg od njihovih pojedinačnih veličina.
Još gore bi bilo u slučaju da tamna energija evoluira. Neki modeli predviđaju da će tamna energija, ukoliko vremenom postane još dominantnija, rastaviti objekte povezane gravitacijom, poput grupa galaksija i samih galaksija. Kao posledica, Zemlja bi bila otrgnuta od Sunca i rasparčana. Čak bi i atomi bili uništeni.
Mirko Jakovljević
|
