UNATOČ tome što su suvremene znanosti u posljednjih nekoliko stoljeća dale odgovore na cijelo mnoštvo "velikih" i "malih" pitanja - od toga kako je nastao svemir do toga kako se razvio život na Zemlji - još uvijek postoje i pitanja na koja nemamo odgovore, a postoji mogućnost da ih nikada nećemo ni imati.
Neriješeni misteriji
Navedimo ih samo nekoliko.
Primjerice, jedan od teško rješivih misterija je pitanje abiogeneze: Kako je točno na Zemlji prije 3.5 milijardi godina iz neživih materijala nastao prvi život?
Drugo teško pitanje je: Kako i zašto nastaje svijest?
Treće: Gdje su vanzemaljci? Ako u svemiru postoje tehnološki razvijene civilizacije, zašto nemamo nikakvih informacija o njima? Zašto nam se ne jave?
Konačno, jedno teško pitanje koje se ovih dana ponovo našlo u fokusu znanstvenika je zašto se i kako točno širi svemir.
Otkriće štapova za mjerenje udaljenosti u svemiru
Otkriće da se svemir širi pripisuje se američkom astronomu Edwinu Hubbleu, no ono se temelji na nekim ranijim opažanjima.
Prvi korak na tom putu bilo je otkriće američke astronomkinje Henriette Swan Leavitt da postoje promjenjive zvijezde poznate kao cefeide čiji je sjaj uvijek isti gdje god da se nalazile. Te zvijezde poslužile su kao standardni štapovi za mjerenje astronomskih udaljenosti - ako znate koliko bi sjajna trebala biti neka zvijezda, onda po njezinom prividnom, oslabljenom sjaju kakav vidimo na Zemlji možete izračunati koliko je udaljena.
Otkriće da se galaksije udaljavaju
Drugi važan korak u razumijevanju širenja svemira bio je rad američkog astronoma Vesta Sliphera, koji je otkrio crveni pomak u spektru svjetlosti udaljenih galaksija.
On je 1912. prvi uočio pomicanje spektralnih linija galaksija prema crvenom dijelu spektra, što se naziva Dopplerov efekt. Naime, kada se neki izvor svjetlosti udaljava od nas, njegova svjetlost se razvlači, što podrazumijeva da se valna duljina produžuje. Slično vrijedi za sirene vatrogasnih kola čiji zvuk postaje dublji kada se udaljavaju od nas.
Budući da različiti elementi u zvijezdama zrače na točno određenim valnim duljinama, pomak tih duljina prema većima, odnosno prema crvenom dijelu spektra, navodi na zaključak da se one udaljavaju od nas.
Slipher je na temelju svojih mjerenja zaključio da se neke maglice koje je promatrao uopće ne nalaze unutar naše galaksije.
Analizirajući svjetlosti iz maglica, otkrio je da se gotovo sve udaljavaju od Zemlje. On je znao da pomak prema crvenom sugerira da se tijelo udaljava od promatrača, no nije mogao izmjeriti udaljenosti do tih crvenkastih tijela.
Hubbleovo otkriće širenja svemira
Tu dolazimo do Hubbleovog otkrića, objavljenog 1929., da je crveni pomak galaksija izravno proporcionalan udaljenosti određene galaksije od Zemlje. Do toga je mogao doći zahvaljujući informacijama o udaljenostima galaksija koje su omogućili standardni štapovi, odnosno promjenjive zvijezde, i na temelju informacija o veličinama crvenih pomaka u spektrima galaksija. Njegovo istraživanje pokazalo je da se udaljenije galaksije brže udaljavaju od onih koje su nam bliže. To je za očekivati ako se svemir širi, a može se lako razumjeti ako promatramo točke na balonu koji napuhujemo. Dvije točke koje se na površini balona nalaze blizu napuhavanjem će se mnogo manje udaljavati nego dvije udaljene jer se širenja svih djelića balona zbrajaju. Ako se svaki centimetar na balonu napuhavanjem razvuče za 1 milimetar, onda će se dvije točke udaljene 1 centimetar udaljiti za 1 mm, a dvije točke udaljene 10 cm za 10 mm.
Hubble je u svojim izračunima došao do zaključka da se svemir širi brzinom od 170 kilometara/sekundi po svjetlosnoj godini udaljenosti. Drugim riječima, galaksija koja je od nas udaljena jednu svjetlosnu godinu udaljava se od nas brzinom od 170 kilometara u sekundi. Ta mjera danas se naziva Hubbleovom konstantom (H0).
Brojke do kojih je došao Hubble nisu bile baš točne pa su se usavršavanjem mjernih tehnika i tehnologija promijenile. No osnovni princip ostao je isti.
Neki Hubbleovo otkriće smatraju najvažnijim događajem u astronomiji 20. stoljeća jer je uvelo najtemeljniju promjenu u pogledu na svemir od Kopernika prije 400 godina.
Teorija Velikog praska
Hubbleovi rezultati, koji pokazuju da se svemir širi, bili su temelj za teoriju belgijskog astronoma i kozmologa Georgesa LeMaitrea, koji je i sam došao do sličnog zaključka o širenju svemira.
LeMaitre je zaključio da svemir koji se širi kao da je nastao u eksploziji podrazumijeva da je u nekom trenutku u prošlosti morao biti "neeksplodiran", odnosno da je morao biti jedna koncentrirana masa u vremenu i prostoru. Stoga je 1927. predložio teoriju o nastanku svemira u Velikom prasku.
Problem Hubbleove tenzije
Time dolazimo do problema koji se naziva Hubbleova tenzija i ključne teme ovog teksta.
Naime, širenje svemira može se izračunati na dva načina, a ta dva izračuna se ne podudaraju.
Jedna metoda za izravno mjerenje udaljenosti do galaksija i izračunavanje stope širenja svemira koristi ranije spomenute promjenjive zvijezde poput cefeida i supernova tipa Ia.
Druga metoda, razvijena tijekom kasnih 1990-ih i ranih 2000-ih, koristi teorijski model koji se naziva Lambda-hladna tamna tvar (Lambda-CMD) i kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (CMB ili CMBR), koje je svojevrsna jeka, odnosno ostatak radijacije iz velikog praska.
Računanje širenja iz CMB-a
Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje je zračenje koje ispunjava sav prostor u vidljivom svemiru. Standardnim optičkim teleskopom prostor između zvijezda i galaksija izgleda gotovo potpuno taman. Međutim, dovoljno osjetljivi radioteleskopi otkrivaju slab pozadinski sjaj koji je gotovo jednoličan i nije povezan ni s jednom zvijezdom, galaksijom ili drugim objektom. Taj je sjaj najjači u oku nevidljivom mikrovalnom području radijskog spektra, a slučajno su ga otkrili američki radioastronomi Arno Penzias i Robert Wilson 1965. godine.
Potvrda Velikog praska
CMB je značajna potvrda teorije Velikog praska. Naime, u kozmološkim modelima tijekom najranijih razdoblja svemir je bio ispunjen neprozirnom maglom guste vruće plazme subatomskih čestica. Kako se širio, plazma se hladila do trenutka u kojem su se protoni i elektroni počeli spajati u neutralne atome vodika i helija. Za razliku od guste plazme pune nabijenih čestica, ti atomi nisu blokirali širenje svjetlosti, pa je svemir 380.000 godina nakon Velikog praska postao proziran, a fotoni su počeli putovati njime. Tada je nastalo ono što danas nazivamo pozadinsko mikrovalno zračenje. Njegove snimke (dolje) pokazuju da je svemirska juha u to vrijeme bila gotovo uniformna. No ipak, u njoj su postojale male kvantne fluktuacije u temperaturi koje su postale sjeme za razvoj zvijezda i galaksija.
Zbog širenja svemira valne duljine tih prvih slobodnih fotona su se rastegnule do mikrovalnih duljina. Na temelju tog razvlačenja, odnosno crvenog pomaka u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, ali i uz pomoć nekih drugih metoda, znanstvenici iz CMB-a mogu izračunati brzinu širenja svemira, odnosno Hubbleovu konstantu.
Teorija o tamnoj energiji
Na temelju promatranja iz 1998. koja su pokazala da se svemir širi sve brže, a ne sve sporije, što bi se očekivalo zbog privlačnih sila gravitacije, znanstvenici su zaključili da u svemiru mora postojati neka energija koja je protivna gravitaciji. Ta energija nazvana je tamnom energijom jer je do sada ostala neopaziva za promatranja postojećim uređajima, a njezini točni izvori i priroda ostali su nejasni, unatoč tome što ima snažan utjecaj na svemir.
Na temelju tog utjecaja i nekih drugih indikatora poput mjerenja gustoće mase u svemiru, znanstvenici su došli do zaključka da tamna energija čini oko 68% ukupne mase-energije, tamna materija 27%, a obična materija 5%. Iako je gustoća tamne energije vrlo niska, ona dominira sadržajem mase-energije svemira jer je prisutna posvuda u svakom djeliću cijelog svemira, dok su tamna i obična materija uglavnom nakupljene u formacijama poput galaksija između kojih postoje goleme praznine.
Sjeme galaksija
Neposredno nakon velikog praska, svemir je eksponencijalno rastao, uvelike povećavajući sićušne kvantne fluktuacije u gustoj juhi subatomskih čestica. Kako smo već naveli, te male fluktuacije postale su sjeme u kojem se počela nakupljati tamna tvar, pa se stotinama milijuna godina kasnije u tim nakupinama, zahvaljujući silama gravitacije, okupila obična tvar te formirala zvijezde i galaksije (mrljice na slici dolje). Kako je svemir širenjem postajao sve rjeđi, pritisak tamne energije nadjačao je privlačnost gravitacije pa se nakon faze usporavanja, širenje počelo ubrzavati.
Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje CMBR
Tamna energija kao svojstvo samog praznog prostora
Prema spomenutom modelu Lambda-CDM, tamna energija je svojstvo samog praznog prostora. Taj model lijepo se uklapa u kozmološke podatke o širenju svemira, posebno one dobivene iz CMB-a. Lambda-CDM precizno odgovara distribuciji veličina fluktuacija u CMB-u koje je izmjerila europska svemirska letjelica Planck.
Međutim, ona daje vrijednost Hubbleove konstante koja ne odgovara izravno izmjerenoj.
Najnapredniji teleskop potvrdio problem
Adam Riess, kozmolog sa Sveučilišta Johns Hopkins, i njegovi kolege od 2009. uz pomoć raznih teleskopa stvaraju razrađenu ljestvicu izravno izmjerenih udaljenosti i crvenih pomaka obližnjih galaksija.
Poseban doprinos preciznosti tih mjerenja posljednjih je godina dao svemirski teleskop James Webb (JWST) koji je s radom počeo početkom 2022., a koji može snimati pojedinačne cefeide u drugim galaksijama.
Riess i njegovi kolege u rujnu su objavili rad prema kojem su promatranja JWST-a potvrdila da je Hubbleova konstanta za 8% viša nego što to predviđa model Lambda-CDM.
Kako pokazuje donji grafikon, model Lambda-CDM predviđa da bi vrijednost H0 trebala biti 67±0.5, dok izravna mjerenja daju vrijednost od 74±1.
Hubbleova tenzija možda ostane misterij
S novim, preciznijim promatranjima izgledi da se Hubbleova tenzija može objasniti kao posljedica pogrešaka u različitim promatranjima postaju sve manji.
To bi moglo uništiti nade da bi rješavanje Hubbleove tenzije kozmolozima moglo pomoći da izbruse svoju teoriju o sastavu i evoluciji svemira.
"Nema jamstva da postoji jedan čimbenik koji uzrokuje sve ovo", rekao je Riess.
Johannes Eskilt, kozmolog sa Sveučilišta u Oslu, kaže da bi rješenje tenzije moglo biti misteriozno kao što je, primjerice, misteriozna tamna tvar.
"Mogli bismo biti u istoj poziciji u kojoj znamo da postoji izvor rane tamne energije, ali nemamo pojma što je to", dodao je.
Neki znanstvenici se čak pitaju hoće li Hubbleova napetost ikada biti objašnjena. "Ne bih se kladio u to", komentirao je za Science Sunny Vagnozzi, kozmolog sa Sveučilišta u Trentu.
Neki fizičari predložili su neka teorijska rješenja za ovaj problem, no pokazalo se da ona imaju svojih ozbiljnih manjkavosti.
Rješenje se možda krije u previđenim detaljima
Za kraj treba istaknuti da većina kozmologa danas još uvijek vjeruje da će Hubbleova tenzija biti riješena.
"Netko će pronaći neko rješenje", smatra Samuel Goldstein, kozmolog sa Sveučilišta Columbia.
"Ne očekujem da će se za 100 godina ljudi i dalje fokusirati na Hubbleovu tenziju", dodao je.
Fizičar Dario Hrupec s Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku, smatra da bi se moglo pokazati da u nekom od načina mjerenja postoji nešto što smo do sada previdjeli.
"Dva različita načina izračunavanja Hubbleove konstante u prošlosti su davala rezultate čije su razlike bile unutar prihvatljive pogreške. S vremenom su te dvije metode povećavale preciznost i smanjivale pogreške. One su se u posljednje vrijeme toliko smanjile da se razlike u izračunima više ne mogu tolerirati pa je zaključak da se radi o različitim brojevima. Budući da su izračuni konstante složeni, moguće je da netko u nekoj od tih metoda nije uzeo u obzir neki čimbenik ili ga je uzeo na krivi način, s krivim pretpostavkama", kaže Hrupec, koji je također kolumnist Indexa, popularizator znanosti i autor više knjiga na temu fizike.
***
Novu knjigu Indexovog znanstvenog novinara Nenada Jarića Dauenhauera, koja tematizira najkontroverznije i najzanimljivije teme u znanosti poput klimatskih promjena, pseudoznanosti, pandemije, GMO-a i nuklearki, možete nabaviti ovdje.
Knjiga se sastoji od tekstova našeg novinara objavljenih kroz više godina rada na Indexu.
Objavljuje Index Vijesti u Subota, 5. studenoga 2022.