TEMA BROJA

Pripremio: Dr Milan S. Dimitrijević

PREDVIĐANJE BUDUĆNOSTI
Do kraja univerzuma

Istraživanje univerzuma, od našeg Sunčevog sistema pa do najvećih rastojanja, predstavlja jednu od najgrandioznijih intelektualnih avantura modernog čovečanstva. Od početka 20. veka, naš kosmički horizont je u tolikoj meri proširen da za to ne nalazimo primera u dosadašnjem razvoju ljudskog roda. Na sva velika pitanja koja su sebi postavljali astronomi 19. veka, nauka je dala odgovore. Ostalo je samo jedno: da li postoji život izvan Zemlje? Probleme kojima se danas bavimo, formulisali su u 20. veku, najčešće danas još živi naučnici. Pre sto godina nismo znali zašto sijaju zvezde. Većina astronoma je pretpostavljala da je univerzum večan i u osnovi nepromenljiv. Imali smo samo rudimentarna znanja o jednoj galaksiji - Mlečnom putu.

Srednjovekovna predstava o Univerzumu

Danas je pouzdano ustanovljeno da je naš kosmos relativno mlad i da se, tokom svog razvoja, dramatično menjao. Nuklearne procese usled kojih zvezde sjaje istražujemo u laboratorijama. Svetlost najudaljenijih galaksija koje proučavamo vraća nas više od deset milijardi godina u prošlost, a pozadinsko zračenje koje ispitujemo je ostatak prve prasvetlosti koja je sinula trista hiljada godina posle prapočetka, mnogo pre nego što su prve galaksije formirane. Kosmički brodovi su iz neposredne blizine istražili sve poznate planete u Sunčevom sistemu, a astronomi su ih 1992. otkrili i oko drugih zvezda. Čovek je svoje astronomske instrumente izbacio u kosmos, izvan atmosfere koja nam je dozvoljavala da proučavamo samo vidljivo i radio nebo. Nastale su potpuno nove astronomske discipline kao što su: radioastronomija, vangalaktička astronomija, astrohemija, rendgenska, neutrinska, gama astronomija... Lansiranje prvog veštačkog satelita, 1957. godine, označilo je početak kosmičke ere. U istoriji ljudskog roda zlatnim slovima će ostati upisano da je u 20. veku čovek napustio kolevku Zemlju, vinuo se u kosmos i nogom stupio na jedan strani svet.

Objekat nazvan „Božje oko“

Da bismo zavirili u budućnost moramo upoznati prošlost i shvatiti njene poruke. Kako su se mogućnosti astronomskih instrumenata razvijale, istraživanje prošlosti i budućnosti kosmosa postalo je jedan od glavnih pravaca moderne astronomije. A istorija univerzuma leži pred nama kao otvorena knjiga jer, što dalje teleskopom gledamo u dubine kosmosa, on nas, poput vremeplova, vodi sve dalje u prošlost. Svetlost se naime prostire konačnom brzinom od 300.000 km/h. Upravo to daje nam veličanstvenu priliku da, kada posmatramo sve udaljenije i udaljenije objekte, imamo pred sobom neizvitoperenu povesnicu vasione, odnosno neposredno posmatramo njen razvoj.

Koliko daleko u prošlost možemo da zavirimo pomoću teleskopa? Za 2013. je predviđeno lansiranje Džems Vebovog kosmičkog teleskopa sa ogledalom prečnika 6,5 m, namenjenog za posmatranja u infracrvenoj oblasti spektra. On će nam omogućiti da dosegnemo vreme kada su, u toku prve milijarde godina života vasione, stale da se formiraju prve galaksije i počele da osvetljavaju kosmos. Videćemo kraj Doba tame (Dark Ages), kako astronomi nazivaju epohu između trenutka kada je, trista hiljada godina posle Velikog praska, nastalo pozadinsko zračenje koje i danas vidimo, odnosno kada je univerzum postao providan, i formiranja prvih galaksija i kvazara, doba kada je crnilo kosmičkog mraka narušavao samo slabi sjaj pojedinačnih zvezda.

Astronomima 19. veka činilo se da je izgled zvezdama osutog noćnog neba pravi lik našeg univerzuma i da se one prostiru beskonačno. Godine 1924. Edvin Habl je pokazao da su spiralne magline, u stvari, druge galaksije na tako velikim udaljenostima da su svetlosti potrebni milioni godina da ih pređe. Kako su astronomi 20. veka uspeli da odrede prava rastojanja u kosmosu i izmere nezamislivo ogromne udaljenosti za koje su potrebne milijarde godina da bi se prešle najvećom mogućom brzinom, brzinom svetlosti?

Vasiona koja se širi

Jedna vrsta promenljivih zvezda, nazvana cefeide, menjaju svoj sjaj na pravilan način koji nam, osim toga, otkriva i njegov pravi intenzitet. To nam omogućuje da, na osnovu sjaja ovih objekata u vidnom polju teleskopa, odredimo njihovu stvarnu udaljenost. Harlou Šepli je pronašao cefeide u globularnim zvezdanim jatima koja okružuju Galaksiju i ustanovio da naš zvezdani sistem, Mlečni put, ima sto hiljada svetlosnih godina u prečniku. Onda je 1925. godine Edvin Habl našao 11 cefeida u maglini NGC 6822 i ustanovio da je ona 1.700.000 svetlosnih godina udaljena, dalja nego išta do tada poznato. To je bio prvi objekat za koji je ustanovljeno da se nalazi daleko izvan naše Galaksije. Habl je otkrio da se, izvan nje, nalazi čitav jedan do tada nepoznati univerzum, a da je naš Mlečni put samo njegov sićušni delić. Istražujući cefeide u sve daljim i daljim galaksijama, 1929. godine je ustanovio da se on širi.

Pošto se danas Vasiona širi, to je u prošlosti moralo da započne od nekog veoma kompaktnog, veoma gustog stanja. Početak stvaranja je nazvan Veliki prasak. Ovakav kosmološki model počeo je da se razvija 1922. kada je sovjetski naučnik Aleksandar Fridman, polazeći od Ajnštajnove Teorije relativnosti, formulisao model Vasione koja se širi (model nestacionarne Vasione). U modernom obliku formulisao ga je Džordž Gamov 1946.

Prema standardnom modelu Velikog praska, širenje je počelo pre oko 15 milijardi godina (danas usvojena vrednost je 13 milijardi i 700 miliona godina). Još polovinim 20. veka postalo je jasno da se vasiona tokom širenja hladila i da je, u trenutku kada je substanca u njoj prešla iz jonizovanog u neutralno stanje, došlo do promene u prostiranju svetlosti. Naime, u jonizovanoj sredini, fotone apsorbuju atomi i joni i emituju nove, koji više ne sadrže informaciju o prethodnim zbivanjima. Zato je tada vasiona bila neprovidna. Kada se njen sadržaj toliko ohladio da je došlo do neutralizacije, ne samo što je postala providna nego je, kao kod svakog procesa neutralizacije, došlo do oslobađanja energije. Usled toga, kroz kosmos je sinula prva prasvetlost koja bi i danas trebalo da postoji kao pozadinsko zračenje, odnosno zračenje pozadine neba ili reliktno, pošto je ostatak - relikt ranog univerzuma.

A. Penzijas i R. Vilson otkrili su ga 1965. kao šum na milimetarskim talasima. Pronalazak reliktnog zračenja potvrdilo je teoriju o Vasioni koja se širi i predstavlja jedno od najvećih otkrića 20. veka. Za njega su Penzijas i Vilson dobili Nobelovu nagradu 1978. godine.

Da bismo odgonetnuli konačnu sudbinu univerzuma, njegovu starost i rastojanje do najudaljenijih objekata, moramo da znamo brzinu širenja vasione i kako i da li se ona menja sa vremenom. Vrednost promene brzine širenja kosmosa, odnosno veličina usporavanja ili ubrzavanja širenja kazuje nam koliko materije koja deluje gravitacionom silom ima u njemu. Ako je takve materije više od kritične vrednosti, širenje će se zaustaviti i preći u sažimanje pa će se sve sjuriti u kosmičku crnu rupu. Ako je pak materije nedovoljno da ga njena gravitacija zaustavi, univerzum će se širiti zauvek.

Saznanje da je širenje vasione počelo da se ubrzava oko pet milijardi godina posle Velikog praska, predstavlja verovatno najveće i najznačajnije otkriće u astrofizici u 1998. godini. Uz pomoć «Hablovog» satelitskog teleskopa i deset metarskog «Kek» teleskopa, dva tima naučnika – grupa za istraživanje supernovih sa velikim crvenim pomakom (Peter Garnavič) i istraživači koji rade na Projektu kosmoloških supernova (Saul Perlmuter), analizirali su 1998. godine 58 supernovih tipa I u galaksijama sa velikim crvenim pomakom. Rezultat je bio neočekivan. Naša vasiona ne samo da nije usporila svoje širenje nego je, u jednom trenutku, počela da ga ubrzava.

Ranije su istraživanja promene brzine širenja vasione bila indirektna i veoma nepouzdana. Astronomi su na razne načine pokušavali da “izmere” njenu srednju gustinu da bi videli da li će se večno širiti ili će početi da se sažima, odnosno da li će usled gravitacionog privlačenja “Veliki prasak” preći jednoga dana u “Veliko sažimanje”. Direktno merenje usporavanja širenja, znači da ustanovimo da li se mlađi univerzum koji sadrži objekte veoma udaljene od nas širio brže nego danas. Ali kako teleskopom idemo ka daljim objektima, odnosno sve dalje i dalje u prošlost, naše standardne sveće, kao što su supernove, postaju nepreciznije, odnosno njihova posmatranja su sve manje i manje tačna. Ipak, sa razvojem kosmičkih teleskopa i tehnologije ovakva merenja postaju mnogo preciznija.

Kosmologe je ovaj neočekivani rezultat, stavio pred veliki problem. To je značilo da na širenje kosmosa ne utiče danas samo gravitirajuća masa nego još nešto.

Teoretičari kažu da je to unutrašnja energija vakuuma, nazvana tamna energija, koja teži da ga razduva.

Zvezdonosna era

Interesantno je da je još Albert Ajnštajn razmatrao kako da obuzda silu gravitacije i, da bi uzeo u obzir mogućnost uravnotežavanja delovanja gravitacije, uveo je u matematički aparat nauke o univerzumu takozvanu kosmološku konstantu. Ali njemu je cilj bio da uključivanjem hipotetičke antigravitacije uravnoteži vasionu i dao joj je vrednost koja omogućava da je univerzum večan, stabilan i nepromenljiv. Kasnije, kada su pred njega stavljeni dokazi da se on širi, nazvao je to svojom najvećom zabludom.

Činjenica da se širenje univerzuma ubrzava, ponovo je vratila kosmološku konstantu. Dobijeni rezultati najviše su saglasni sa slikom da mi živimo u kosmosu sa dva do tri puta više energije u “praznom” prostoru, nego u vidu obične substance. Odnosno, ukupnoj gustini materije u vasioni, tamna energija (to jest kosmološka konstanta) doprinosi 70 procenata a vidljiva i nevidljiva (takozvana “tamna”) supstanca oko 30 procenata.

Kao što je svoj izgled i sadržaj menjao u prošlosti, univerzum će ga postepeno menjati i u budućnosti te će se u njemu odvijati čitav niz različitih i zanimljivih astronomskih procesa. Mi živimo u periodu razvoja vasione koji kosmolozi zovu doba supstance. Američki astronomi Fred Adams i Gregori Laflin, koji su 1998. razradili projekciju budućnosti kosmosa koji se večno širi, nazvali su našu epohu mnogo poetičnije. Za njih je ona zvezdonosna, jer živimo u vasioni ispunjenoj zvezdama organizovanim u galaksije.

Prve zvezde počele su da se stvaraju kada je kosmos bio samo nekoliko miliona godina star. U toku prve milijarde godina, pojavile su se galaksije i počele da se organizuju u skupove i superskupove. Danas, u zvezdonosnoj eri, zvezde se neprekidno stvaraju i završavaju svoj razvojni put, kao nove, supernove, crne rupe, neutronske zvezde, beli patuljci....

Ali da li će se jednog dana sve zvezde na nebu ugasiti a ni jedna nova neće nastati? Šta će se desiti sa kosmosom bez zvezda? Da li će i tada moći da opstane život, možda u nekom čudnom obliku? Da li će kosmos jednom doći u svoje konačno stanje, posle čega se više ništa novo neće nikada dogoditi?

Kosmos potopljen u noć

Kako zvezdonosno doba bude odmicalo, glavnu ulogu će sve više dobijati skromni crveni patuljci. Naime što je zvezda veće mase, temperatura i gustina u njoj su veće, termonuklearne reakcije intenzivnije i ona živi kraće. Naprotiv, skromni crveni patuljci, mnogo manji od Sunca, štedljivo troše svoje gorivo i svetleće bilionima godina. Najskromniji, koji imaju samo osam procenata Sunčeve mase mogu da sjaje oko deset biliona godina, što je skoro hiljadu puta duže od današnje starosti vasione.

Zvezde se u galaksijama formiraju od međuzvezdanog gasa ali njegove zalihe nisu neiscrpne, pošto supstanca ostaje zarobljena u njihovim ostacima, crnim rupama, planetama... Doći će dan kada će se roditi poslednja zvezda. Doći će i dan kada će se ugasiti poslednji crveni patuljak nastao na danas uobičajen način, što će označiti kraj zvezdonosne ere. Prema Adamsu i Laflinu, on će nastupiti kroz sto biliona godina. Tada će skoro sva supstanca u vasioni biti zatvorena u zvezdanim ostacima: hladnim smeđim patuljcima, belim patuljcima, neutronskim zvezdama i crnim rupama.

U odnosu na sadašnji sadržaj kosmosa, to će biti samo degenerisani zvezdani ostaci, te Adams i Laflin ovo doba nazivaju degenerisano doba. To će biti taman i hladan kosmos, potopljen u večnu noć, kojom će lutati bezživotne zaleđene planete sa temperaturom koja je samo majušni delić veća od apsolutne nule. Proždrljive crne rupe rašće i dalje, gutajući zvezdane ostatke na koje naiđu. Ponekad će zasijati nova zvezda, crveni patuljak nastao sudarom dva smeđa patuljka. Ako se bude stvorio i sistem planeta koje ga prate, one će u njegovom sjaju nepomućeno uživati bilionima godina.

Doba crnih rupa

Dalja budućnost vasione može se nazreti ako su pretpostavke na granici moderne fizike tačne. Elementarne čestice od kojih su sastavljena jezgra atoma, protoni i neutroni, nastali su delić sekunde posle Velikog praska, na ogromnim temperaturama koje su tada vladale, i danas se ne smatra da su oni večni. U raznim varijantama “velikih unificiranih teorija”, elektro slabe teorije i kvantne gravitacije predviđa se da je vreme života protona izmedju 10 na 30 i 10 na 200 godina. Ako je to tačno, doći će vreme kada će se sva supstanca sadržana u planetama, neutronskim zvezdama, belim patuljcima i drugim objektima raspasti na pozitrone, neutrine, pione, fotone, elektrone i slične elementarne čestice. Raspad supstance u današnjem obliku označiće kraj degenerisane ere. Tada će od objekata zvezdanih masa ostati samo crne rupe, pa je ovom periodu u razvoju univerzuma dato ime Doba crnih rupa.

Ali i one, iako strahovito polako, gube energiju - “isparavaju”. Crnoj rupi čija je masa jednaka masi veće galaksije potrebno je oko 10 na stoti stepen godina da ispari.

Veliko rastrzanje

Poslednji period u razvoju kosmosa koje su razmatrali, Adams i Laflin su nazvali Doba tame. Tada će mračnim kosmosom lutati samo strahovito usamljeni fotoni, elektroni, pozitroni i neutrina. Zakoni fizike ne predviđaju nikakvo konačno stanje univerzuma. Koliko god daleko u budućnost se usudimo da pogledamo, u kosmosu će se uvek nešto dešavati. Nešto što danas nismo ni u mogućnosti da predvidimo.

Da li će se naša vasiona zauvek širiti, zavisi od prirode tamne materije. Istorija univerzuma i njegova budućnost rezultat je utakmice između materije koja svojom gravitacijom deluje kao kočnica i tamne materije koja ima ulogu papučice za gas, težeći da ubrza njegovo širenje.

Kada je kosmos bio mlad, bio je prostranstveno manji, objekti su bili medjusobno bliži i gravitacija je pobedjivala usporavajući širenje. Kada je bio oko pet milijardi godina star, materija se dovoljno razširila I razredila da bi tamna energija došla do izražaja. Ali šta će pobediti u budućnosti – “kočnica” ili “papučica za gas”.

Odgovor zavisi od prirode tamne energije. Ako je njena količina u kosmosu konstantna, ona će se sa širenjem razređivati i njena srednja gustina će opadati. U tom slučaju današnje ubrzanje je samo prolazna faza u životu univerzuma. Ono će se usporiti i gravitacija će opet preuzeti svoju ulogu “kočnice”. Opet ćemo se vratiti na pitanje koje je i ranije mučilo astronome. Da li će se vasiona zauvek širiti ili će početi da se sažima.

Ako je pak njena srednja gustina konstantna, “papučica za gas” će biti stalno pritisnuta i širenje kosmosa će se ubrzavati u budućnosti.

Ako količina tamne energije raste sa vremenom, budućnost univerzuma biće spektakularnija nego što su je zamislili Adams i Laflin. Ubrzanje će stalno rasti, tako će razduvavanje prvo rasturiti galaksije, onda zvezde, a tada, ako postane jače od sila koje drže molekule zajedno, planete i bilo koja živa bića na njima. Ovakav scenario astronomi zovu Veliko rastrzanje (Big Rip).

Univerzum sa više od četiri dimenzije?

Ali zagonetka budućnosti Univerzuma mnogo je složenija. Prema novim kosmološkim pogledima, ne radi se samo o jednom “Velikom prasku” nego o mnogo njih, koji nastaju u prethodnom prostor - vremenu koje je bilo u osnovi. Svaki kosmos nastao velikim praskom prestaje da biva povezan sa osnovom koja ga je porodila i dalje sledi svoju sopstvenu sudbinu, samodovoljan i nepovezan sa ostalima, a cela ta struktura nazvana je Multiverzum.

Danas smo sposobni da čitamo iz velike kosmičke knjige raširene pred nama detalje postanka i razvoja Univerzuma, detalje našeg postanka. Nauka je uspela da sagleda njegov razvoj od 10 na minus 43 sekunde posle nultog trenutka pa do danas i da zaviri do nepojmljivo daleke budućnosti od više od 10 na sto godina.

Pred nama je još mnogo velikih pitanja koja čekaju odgovor. Kakva je prava priroda Tamne energije? Da li je univerzum počeo sa više od četiri dimenzije? Šta je bio okidač Velikog praska i da li ih je bilo još? Da li postoje kosmološki tragovi epohe kvantne gravitacije? U 21. veku predstoji i iskrcavanje čoveka na Mars, a kosmički brod koji treba da stigne na Pluton jula 2015. godine lansiran je 19. januara 2006. Sledi i postavljanje moćnih astronomskih instrumenata u orbitu oko Sunca i kasnije na nebeskim telima, koji će nam omogućiti da registrujemo gravitacione talase i da detaljno premerimo našu galaksiju i njenu okolinu. Kada će u vremenu koje dolazi čovek dati odgovor i na jedno od poslednjih nerešenih velikih pitanje koja su sebi postavljali astronomi 19. veka: da li izvan Zemlje postoji život?

Edvin Habl, istražujući granicu svoga Univerzuma, pisao je 1936. godine: “Na krajnjem, nejasnom horizontu tragamo među prikazama posmatračkih grešaka za retkim znacima koji su jedva nešto više pouzdani. Traganje će se nastaviti. Potreba je starija od istorije. Nije zadovoljena i ne može se potisnuti.”

Dr Milan S. Dimitrijević,
naučni savetnik Astronomske opservatorije