-
Svemirska letjelica Planck – najnovije provjere teorija o
nastanku i razvoju svemira
dr. sc. Dario Hrupec
Kozmologija kao znanost, ili fizička kozmologija, rođena je
relativno nedavno. Od njezinih prvih eksperimentalnih potvrda do
danas prošlo je tek 50 godina. Mnogo se toga dogodilo u zadnjih
godinu dana.
U proljeće 2013. objavljeni su rezultati opažanja svemirske
letjelice Planck, a u proljeće 2014. rezultati opažanja teleskopa
BICEP2. Oba su instrumenta prikupila eksperimentalne podatke
ključne za provjeru postojećih kozmoloških teorija. Mnoštvo
kozmoloških parametara je korigirano, između ostalih starost
svemira i udjeli obične tvari, tamne tvari te tamne energije u
ukupnom sadržaju mase-energije svemira.
Što je kozmologija?Kozmologija kao tumačenje postanka i razvoja
svijeta postoji već više od 5000 godina. To je
mitologijska (ili kasnije religijska) kozmologija koja sa
znanošću nema nikakve veze. Preciznije, mitove koji opisuju sam
postanak svijeta nazivamo kozmogonijom. Stari hrvatski naziv za
kozmogoniju, koji nije zaživio, jest svjetorođe. Mitove koji
opisuju kasniji razvoj svijeta nazivamo kozmologijom ili
svjetoslovljem (što je danas također arhaizam). Kozmologija kao
filozofijsko učenje o cjelini materijalnog svijeta postojalo je još
od antike. A naziv kozmologija skovao je, 1731. godine, njemački
filozof Christian Wolff u svojoj knjizi Cosmologia generalis.
Znanost o podrijetlu, razvoju, strukturi i dinamici svemira, ili
fizička kozmologija, rođena je prije točno 50 godina (1964.), s
prvim relevantnim eksperimentalnim rezultatima. Tada su Arno
Penzias i Robert Wilson otkrili kozmičko mikrovalno pozadinsko
zračenje. Pedeset godina fizičke kozmologije je samo 1% od pet
tisuća godina mitologijske kozmologije. Kad bismo trajanje
mitologijske kozmologije smjestili primjerice u jedan dan onda bi
se u takvom prikazu fizička kozmologija pojavila otprilike u 23:45,
samo 15 minuta prije ponoći.
Premda rođenje kozmologije kao znanosti povezujemo tek s prvim
eksperimentalnim potvrdama, valja reći da je razvoj kozmoloških
modela (ili teorija) počeo nekih 50 godina prije prvih
eksperimentalnih potvrda. Einstein je, primjerice, objavio rad
Cosmological Considerations of the General Theory of Relativity
(Kozmološka razmatranja opće teorije relativnosti) još 1917.
godine. U to su doba i drugi znanstvenici, primjerice Willem de
Sitter, Karl Schwarzschild i Arthur Eddington, počeli istraživati
posljedice opće teorije relativnosti na astronomiju. Georges
Lemaître je 1927. predložio ključnu ideju iz koje je kasnije
razvijen model velikog praska. Konačno, Edwin Hubble je 1929. došao
do jednog od možda najvažnijih otkrića svih vremena - širenja
svemira. Sve su to bili važni preduvjeti koji su omogućili da
nastanak i razvoj svemira prestanu biti samo priče i da postanu
znanost.
Prije PlanckaEinsteinove jednadžbe opće teorije relativnosti,
koje su bile objavljene 1915. godine, do danas su
ostale matematičko polazište za sve kozmološke teorije. Teorija
velikog praska (ili model velikog praska) u početku je bila tek
jedna od znanstveno utemeljenih ideja o razvoju svemira. Druga,
suprostavljena, ideja bila je teorija stalnog stanja. Obje su
teorije polazile od gotovo istih pretpostavki.
Prva je pretpostavka bila univerzalnost fizičkih zakona – da su
temeljni zakoni prirode isti svugdje i uvijek. Druga pretpostavka
nazivana je kopernikanskim načelom – prema njoj svemir ne opažamo
ni iz kakvog povlaštenog položaja. A treća pretpostavka, kozmološko
načelo, bila je tvrdnja da je svemir približno homogen (isti u
svakom dijelu) i izotropan (isti u svakom smjeru). E sad, teorija
stalnog stanja pretpostavljala je homogenost i u prostoru i u
vremenu (drugim riječima, da svemir postoji oduvijek). No, teorija
velikog praska pretpostavljala je homogenost u prostoru, ali ne i u
vremenu (drugim riječima, uključivala je ideju da svemir ima
početak).
Ključna potvrda svake znanstvene teorije nije potvrda od ranije
poznatih činjenica nego potvrda predviđanja – novih činjenica koje
tek trebaju biti otkrivene. Teorija velikog praska predviđala je:
(1) širenje svemira; (2) vruće, gusto stanje u početku; (3)
nastanak lakih elemenata u ranoj fazi razvoja svemira; i (4)
postojanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja.
-
Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje nije bilo od ranije
poznato. Bila je to, pokazalo se, upravo ona odlučujuća činjenica
koja je tek trebala biti otkrivena. I bila je otkrivena. Arno
Penzias i Robert Wilson otkrili su 1964. godine kozmičko mikrovalno
pozadinsko zračenje za što su, 1978. godine, dobili Nobelovu
nagradu za fiziku. Time je teorija velikog praska izbacila iz igre
teoriju stalnog stanja. Postalo je jasno da je svemir imao
početak.
Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje je "svjetlost" preostala
od velikog praska, događaja kojim je započeo svemir prije 13,8
milijardi godina. To zračenje nosi mnoge informacije, primjerice o
nastanku svemira, sudbini svemira te o sastava svemira. No,
opažanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja nije završilo
mjerenjima Penziasa i Wilsona. Naprotiv, tada je tek počelo.
Nakon Penziasa i Wilsona izvršena su brojna opažanja raznih
svojstava kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Primjerice,
NASA je, 1989. godine, lansirala satelit COBE (Cosmic Background
Explorer) koji je uspio pokazati da male promjene intenziteta
kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja u različitim područjima
nebeskog svoda imaju veze s današnjom raspodjelom tvari u svemiru
(prostornim rasporedom galaksija i skupova galaksija). Dvojica
glavnih istraživača, George Smoot i John Mather, dobili su Nobelovu
nagradu za fiziku, 2006. godine, za "otkriće zračenja crnog tijela
iz anizotropije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja".
Godine 2001. NASA je lansirala satelit WMAP (Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe) koji je nakon devet godina opažanja precizno
odredio razne kozmološke parametre. U odnosu na COBE, WMAP je imao
puno bolju osjetljivost i razlučivanje. No, ni to nije bilo
sve.
ESA je 2009. godine lansirala satelit Planck koji je, kao i
WMAP, mogao opažati sitne promjene kozmičkog mikrovalnog
pozadinskog zračenja. Nakon četiri godine opažanja i analize
kolaboracija Planck objavila je svoje rezultate, 21. ožujka 2013.
godine.
Tri satelita za opažanje malih promjena (ili anizotropije)
kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja i dijelovi neba (10
stupnjeva x 10 stupnjeva) opaženi tim satelitima. Značajno
poboljšanje u razlučivanju omogućilo je, sa svakom novom
letjelicom, preciznije određivanje kozmičkih parametara, ali i
nova, nepredviđena otkrića.Izvor: NASA/JPL-Caltech/ESA
Svemirska letjelica Planck lansirana je 14. svibnja 2009.
godine. Pod upravom je Europske svemirske agencije (ESA). Američka
svemirska agencija (NASA) sudjelovala je u razvoju satelita, a
sudjeluje i u analizi podataka.Izvor: NASA
-
Rezultati PlanckaSvemirsku letjelicu Planck dizajnirali su i
izradili NASA i ESA. Satelit je lansiran u svibnju 2009, a
prikupljao je podatke do listopada 2013. Jedan od glavnih
ciljeva bilo mu je opažanje anizotropija (ili malih promjena u
intenzitetu) kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja s velikom
osjetljivošću i malim kutnim razlučivanjem. Planck je imao 2,5 puta
bolje razlučivanje od njegovog prethodnika, satelita WMAP. Nazivan
je po njemačkom fizičaru Maxu Plancku, jednom od začetnika kvantne
fizike. U listopadu 2013. satelit Planck je poslan u orbitu oko
Sunca i deaktiviran.
Prema rezultatima koje je kolaboracija Planck objavila u ožujku
2013. godine, svemir je 370 tisuća godina stariji, nego što se
ranije mislilo. Konkretno, starost svemira je (13,798 ± 0,037)
milijardi godina. Osim toga, udio obične tvari u svemiru nije 4,5%,
kao što se ranije mislilo, nego 4,9%. I tamne tvari ima nešto više:
26,8%, a ne 22,7%. S druge strane, tamne energije ima manje nego
što se ranije mislilo: ne 72,8% nego 68,3%. Također, prema
rezultatima kolaboracije Planck, korigirana je vrijednost
Hubbleovog parametra: (67,80 ± 0,77) km s‒1 (Mpc)‒1.
Anizotropija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja kako ju
vidi satelit Planck. To je snimka najstarije svjetlosti u svemiru,
nastale u doba kad je svemir bio star samo 380 000 godina. Pokazuje
sitne promjene temperature koje odgovaraju područjima s malim
početnim razlikama u gustoćama tvari. Te su razlike bile ključne za
nastanak budućih struktura u svemiru: današnjih zvijezda i
galaksija.Izvor: ESA/The Planck Collaboration
Dvije anomalije u promjenama kozmičkog mikrovalnog pozadinskog
zračenja bio je otkrio već Planckov prethodnik, satelit WMAP.
Anomalije su potvrđene i u Planckovim podacima, ali se vide puno
preciznije. Prva anomalija proteže se velikim dijelom neba kao
nešto hladnije područje (plavo) na sjevernoj hemisferi i nešto
toplije područje (crveno) na južnoj hemisferi. Druga anomalija je
veliko hladnije područje (zaokruženo) na južnoj hemisferi. Boje su
pojačane kako bi se anomalije vidjele na slici.Izvor: ESA/The
Planck Collaboration
-
Iz opažanja satelita Plank korigirani su, između ostalog, i
udjeli obične tvari, tamne tvari i tamne energije u ukupnom
sadržaju mase-energije svemira. Pokazalo se da tvari, i obične i
tamne, ima nešto više nego što se ranije mislilo. S druge strane,
tamne energije ima nešto manje.
Nakon PlanckaOtprilike godinu dana nakon što je kolaboracija
Planck objavila svoje završne rezultate, pojavili su se
rezultati kolaboracije BICEP2 – novi eksperimentalni podaci
važni za kozmologiju. BICEP2 bio je teleskop na Južnom polu
namijenjen opažanju polarizacije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog
zračenja. Akronim BICEP dolazi od Background Imaging of Cosmic
Extragalactic Polarization što znači pozadinsko snimanje kozmičke
izvangalaktičke polarizacije.
Polarizacija je svojstvo elektromagnetskoga vala povezano s
orijentacijom ravnine titranja. Kod nepolariziranog
elektromagnetskog vala orijentacija ravnine titranja je nasumična.
No, polarizirani val ima neku preferiranu orijentaciju ravnine
titranja. Takav val je, zbog specifičnog utjecaja okoline, natjeran
odabrati određenu orijentaciju.
Polarizacija elektromagnetskih valova može se relativno lako
utvrditi. Ako ju opazimo, možemo iz toga zaključiti da je postojao
nekakav utjecaj okoline koji ju je uzrokovao. Primjerice, poznato
je da Sunčeva svjetlost, koja je izvorno nepolarizirana, postaje
polarizirana nakon refleksije na površini vode. Iz mjerenja
polarizacije te svjetlosti možemo rekonstruirati prostorni raspored
"uzročnika", u ovom slučaju položaj površine vode. Čak i da ta voda
nije mirna, nego valovita, mogli bismo preciznim mjerenjima
smjerova polarizacije rekonstruirati svojstva valova.
Taj primjer s polarizacijom Sunčeve svjetlosti na valovitoj
površini vode nije odabran slučajno. Naime, postojala su teorijska
predviđanja da smjerovi polarizacije kozmičkog mikrovalnog
pozadinskog zračenja odražavaju svojevrsne valove. Ali ne valove
materije, nego valove samog prostorvremena iz vrlo rane faze
razvoja svemira – primordijalne gravitacijske valove.
Primordijalni gravitacijski valovi trebali su, prema teoriji,
nastati kao rezultat najsnažnijeg "potresanja" prostora u povijesti
svemira – inflacije. Inflacija je vrlo rana faza u razvoju svemira
kad se u nezamislivo kratkom vremenu (10−35 s) dogodilo ogromno
širenje prostora (za faktor od najmanje 1030). Brian Greene u
svojoj knjizi Tkivo svemira daje ovakvu usporedbu: to je kao da
jedna molekula DNK naraste do veličine galaksije Mliječni put u
djeliću vremena koji je milijardu milijardi milijardi puta kraći od
treptaja oka.
Dakle inflacija je trebala uzrokovati primordijalne
gravitacijske valove, a njihov oblik trebao bi ostati utisnut u
prostornu raspodjelu orijentacija polarizacije kozmičkog
mikrovalnog pozadinskog zračenja. Kolaboracija BICEP2 objavila je,
17. ožujka 2014. godine, da je uspjela opaziti upravo to – otisak
primordijalnih gravitacijskih valova. Ako ti rezultati budu
potvrđeni, oni će značiti ne samo neizravnu potvrdu postojanja
gravitacijskih valova, nego i neizravnu potvrdu najvažnije
nadogradnje modelu velikog praska – kozmičke inflacije.