KOSMOLOGIJA

Pripremio: Zoran Janjušević

Teorije

Tamna strana svemira

Sredinom devedesetih godina prošlog veka, dva tima naučnika posmatrala su eksplozije supernovih u udaljenim galaksija, na rubu svemira, pokušavajući da objasne fenomen širenja vasione i odrede njenu budućnost. Postojale su dve mogućnosti: da se vasiona usled nedostajuće mase a time i nedovoljnog gravitacionog privlačenja nezaustavljivo širi (inflaciona teorija), odnosno da je posredi zaustavljanje širenja pod dejstvom gravitacije posle čega nastaje povratni proces skupljanja do novog kosmičkog jajeta, koje ponovo eksplodira velikim praskom. Postoji i treća mogućnost po kojoj bi vasiona nastavila da se beskonačno usporeno širi, što se donekle uklapa u prvi slučaj

Precizna merenja kretanja masa posle eksplozija udaljenih stelarnih objekata u supernove dovela su do otkrića da se mase nastale esplozijom supernove nisu kretale, u skladu sa Hablovim zakonom širenja vasione usporenim kretanjem pod dejstvom gravitacije, kako se do tada mislilo, već su sve više ubrzavale, što je izazvalo iznenađenje u naučnim krugovima. To otkriće je rušilo dotad važeće shvatanje da u svemiru postoji samo jedna odlučujuća sila gravitacija, koja bi zbog svoje osobine da dejstvuje privlačno među masama morala da usporava širenje galaksija i celokupne materije vasione. Došlo se do zaključka da postoji još jedna nepoznata sila koja deluje nasuprot gravitacionom privlačenju i prisiljava udaljene supernove na ubrzano širenje univerzuma.

Primenom Opšte teorije relativiteta, Ajnštajn je postavio jednačinu koja je trebala da pokaže stanje materije u celom kosmosu. Pokazalo se da se kosmos širi ili skuplja. Tako dobijeni rezultat se nije slagao sa njegovim tadašnjim shvatanjem statičnog kosmosa pa je ubacio u jednačinu takozvanu kosmološku konstantu koja je dozvoljavala postojanje nove sile suprotstavljene delovanju gravitacije. Ovim proširenjem jednačine on je obezbedio stacionarno stanje univerzuma. Hablovim otkrićem 1927. godine kojim je dokazano širenje vasione, prestala je potreba za kosmološkom konstantom. Ovo je navelo Ajnštajna da izjavi kako je uvođenje pomenute konstante njegova najveća životna greška.

Najnovija otkrića ubrzanog širenja udaljenih stelarnih objekata navelo je naučnike da ponovo uvedu Ajnštajnovu kosmološku konstantu. Pokazalo se da upravo ona u jednačini obezbeđuje postojanje te fantomske energije koja uzrokuje ubrzano širenje vasione. Do sada nauci nije uspelo da otkrije poreklo i sastav te energije pa je dobila prikladno ime tamna energija, što ukazuje na njenu osobinu nevidljivosti. Sličan naziv dobila je takođe nevidljiva tamna masa, za koju se pretpostavlja da ispunjava celu vasionu u vidu nevidljivih ostataka sagorelih zvezda (beli patuljci, neutronske zvezde, crne rupe), oblaka gasova i prašine iz kojih se rađaju nove zvezde, planta i kosmičkog zračenja.

Za razliku od tamne mase čiji se sastav približno zna, tamna energija je obavijena velom tajnosti. Njoj se ne zna ni poreklo, ni sastav ni veličina. Pretpostavlja se da izvire iz praznog vasionskog prostora - vakuuma, pa je i dobila naziv vakuumska energija. Taj prazan prostor - vakuum nije potpuno prazan jer je sva vasiona ispunjena kosmičkim zračenjem koje se sastoji od fotona, neutrina i drugih elementarnih čestica.

Otkriće tamne energije

Kada je reč o radu naučnika, važno je obratiti pažnju na to da su ispitivanja vršena na eksplozijama supernovih u vrlo udaljenim delovima vasione, približno na udaljenosti od oko 10 milijardi svetlosnih godina. Posledica je pojava vremenske distance između posmatranog događaja i sadašnjeg vremena od oko 10 milijardi godina. Prema poslednjim procenama, kosmos je nastao velikim praskom pre 13,7 milijardi godina, što znači da su posmatrani i ispitivani događaji u ranom kosmosu, kada je njegova starost iznosila 2 do 5 milijardi godina zavisno od toga na kom se odstojanju nalazila ispitivana supernova.

Kosmos je u to vreme bio znatno manji, gušći i topliji. Zbijeni oblaci vodonika i delom helijuma bili su pogodni za intenzivno rađanje džinovskih zvezda čija je masa na stotine puta prevazilazila masu Sunca. Iz evolucije zvezda poznato je da ovakve stelarne strukture imaju životni ciklus od nekoliko stotina miliona godina i brzo završavaju svoj vek u ogromnim eksplozijama supernove. Njihov dalji evolutivni tok daje za rezultat obrazovanje masivnih crnih rupa. Pri sadašnjem stanju vasione u kojoj je temperatura pala na svega nekoliko stepeni kelvina a gustina materije je izuzetno niska, formiranje džinovskih zvezda je vrlo retka pojava. Preovlađuju zvezde tipa našeg sunca i manje, čiji se životni ciklus okončava relativno mirno u obliku belih patuljaka.

Vreme posle velikog praska

U skladu sa sadašnjim saznanjima, u prvih 7 do 8 miliona godina vasiona je bila suviše topla i nije bilo stvaranja prvih atoma materije sastavljene od vodonika i delimično helijuma. U narednom periodu, opadanjem temperature, počinje obrazovanje prvih oblaka materije. Oko milijardu godina posle velikog praska, gustina stvorene materije daje idealne uslove za rađanje džinovskih zvezda. Taj proces se nastavlja u sledećih nekoliko milijardi godina sa tendencijom smanjenja broja masivnih zvezda a na račun povećanja broja manjih zvezdanih struktura. Pretpostavka je da su, u periodu od približno 5 milijardi godina, preovlađivali masivni zvezdani objekti sa kulminacijom oko 2 do 3 milijarde godina od velikog praska, kada se rađa najveći broj zvezdanih džinova.

Obrazovanje masivnih crnih rupa u skladu sa napred navedenom pretpostavkom, najintenzivnije je u periodu 2 do 4 milijarde godina starosti vasione. Novonastale crne rupe svojim snažnim gravitacionim dejstvom privlače okolnu materiju, uz oslobađanje ogromnih količina energije prvenstveno u obliku rendgenskog zračenja. To zračenje prevazilazi zračenje čitavih galaksija na stotine puta pa se zapaža i na udaljenostima od više milijardi svetlosnih godina. U prvo vreme naučnici su smatrali da su to zvezdani objekti zbog relativno malih dimenzija i da se nalaze na manjim udaljenostima od onih koje je pokazivao veliki crveni pomak u svetlosnom spektru.

Kasnije je utvrđeno da dobijeni crveni pomak, koji upućuje na veliku udaljenost i brzinu kretanja posmatranog objekta, daje realnu sliku položaja otkrivenog tela u vasioni. Novootkriveni kosmički objekti su zato dobili naziv kvazi stelarni radio izvori (prvobitno su otkriveni kao izvori radio-emisija) što je kasnije skraćeno u kvazari. Izraz se upotrebljava za sve otkrivene objekte koji liče na zvezde a imaju veliki crveni pomak. Upoređivanjem broja kvazara i njihovog crvenog pomaka utvrđeno je da njihov broj dostiže maksimum u vasioni staroj oko 3 milijarde godina, što se slaže sa vremenom najbrojnijeg formiranja masivnih crnih rupa. Posle tog perioda otkriven je veoma mali broj kvazara. Najudaljeniji otkriveni kvazar ima oznaku OQ-172 i nastao je priblizno pre 12 milijardi godina.

Usporavanje širenja vasione

U ranoj vasioni, postojalo je vrlo intenzivno izlučivanje energije eksplozijama supernovih i zračenjem kvazara. Ako se iz ove perspektive analizira pojava širenja univerzuma, dolazi se do zaključka da je širenje univerzuma usporeno zbog preovlađujućeg dejstva gravitacije u periodu 2 milijarde godina od velikog prska. Narednu etapu od približno 2-5 milijardi godina karakteriše ubrzano širenje svemira zbog velikog priliva energije koju emituju supernove i kvazari. Ovo ubrzano širenje biće posebno izraženo na rubovima svemira zbog jednostranog pritiska energetskog zračenja u pravcu praznog vasionskog prostora. Po isteku tog perioda priliv energije znatno opada, gravitaciona sila privlačenja postaje dominantna i postepeno vrši usporavanje širenja vasione koje se nastavlja do danas. Ovaj mogući model razvoja vasione približno se slaže sa novijimotkrićima kosmologije.

Dosad navedeno dovodi do jednog od mogućih rešenja za poreklo i karakter tamne energije koja bi mogla da se definiše na sledeći način: tamna energija je stvorena najvećim delom u razdoblju kada je vasiona bila stara 2 i 3 milijarde godina, energetskim izlivima supernovih i kvazara. Sastoji se isključivo iz visoko energetskog zračenja, pa naziv energija vakuuma u potpunosti odgovara. Drugi naziv tamna energija je prilično diskutabilan pošto bi više odgovaralo ime svetla energija zbog ogromne luminiscencije koja je pratila njeno rađanje.

Zoran Janjušević