— Published on 01/09/2013 / Čovjek i svemir 1 (2013. – 2014.).
Astronomija je, u prvom redu, prirodna znanost. Kad se ta činjenica i spominje gotovo se nikad ne ulazi u detalje priče što ona zapravo znači. Pretpostavlja se nekako da svi znaju što je prirodna znanost. No, bojim se da je ta pretpostavka daleko od stvarnosti. Pogotovo po pitanju učenika i onih ljubitelja astronomije koji nisu profesionalni astronomi. Zato sam ciklus od četiri članka, "Astronomija je znanost", posvetio baš toj temi. U prvom članku, "Što je zapravo znanost?", definirao sam prirodnu znanost i rekao po čemu se ona razlikuje od naizgled sličnih ljudskih djelatnosti. U drugom, "Znanstvena metoda", opisao sam kako znanstvenici izgrađuju dosljedan i pouzdan sustav znanja o svijetu. U trećem članku, "Iz astronomije", pokazao sam kako je nastanak znanstvene metode isprepleten s pojavom moderne astronomije te kako je, na neki način, cijela prirodna znanost proizašla upravo iz astronomije. Konačno, u ovom završnom članku objašnjavam što je astronomija te razmatram eventualnu razliku astronomije i astrofizike. Završavam s nekoliko primjera velikih znanstvenih otkrića iz astronomije i popisom najzanimljivijih otvorenih pitanja iz astronomije.
Što je astronomija?
U prethodna sam tri teksta vrlo detaljno razradio početak definicije astronomije: "Astronomija je prirodna znanost..." Naravno, nije samo astronomija prirodna znanost. Prirodnim znanostima pripadaju i fizika, kemija, biologija i geologija. No, sad je pravi čas da pobliže odredim samu astronomiju.
Više iz povijesne perspektive, astronomija je prirodna znanost koja istražuje nebeske objekte prema njihovom položaju, veličini, gibanju, građi i razvoju. Podrijetlo riječi je grčko: ástron znači zvijezda, a nómos zakon. Doslovno, astronomija traži zakone, red ili pravila ponašanja zvijezda. U astronomiji se ne opaža radi opažanja samog, nego prvenstveno radi razumijevanja. Astronomija je, dakle, znanost o zvijezdama ili zvjezdoznanstvo. Naravno, nebeski objekti nisu samo zvijezde. Danas znamo da u svemiru postoje mnogi objekti koji su bitno različiti od tipičnih zvijezda kao što je naše Sunce. Također, "nebeske objekte" iz definicije bi trebalo proširiti na "kozmičke objekte i pojave". Dakle, ne samo ono što se golim okom, ili običnim teleskopom, vidi na nebu. Predmet astronomije su svi objekti i pojave u svemiru. Sve ono što je, izravno ili neizravno, dostupno. U današnjem smislu astronomija je, dakle, znanstveno istraživanje kozmičkih objekata i pojava.
Radi potpunosti, valja reći da riječ astrologija također ima grčko podrijetlo: lógos znači riječ ili govor. Astrologija je nekakvo učenje o "govoru zvijezda" odnosno o "proricanju sudbine" čovjeka prema položaju zvijezda. Premda astrologija ima mnogo dulju tradiciju od znanosti (u današnjem smislu te riječi), ona je tipičan primjer sustava znanja koji NIJE ZNANOST. Ovo je trivijalna tvrdnja, nije ju na odmet ponavljati mlađim generacijama zato što astrolozi redovito svoju rabotu lažno predstavljaju kao znanost. Astrologija nije utemeljena na znanstvenoj metodi nego, poput religije, na vjerovanju. Također, astronomija NIJE nastala iz astrologije, kao što tvrde astrolozi. Obje su potekle od zajedničkog "pretka", čeznutljivog ljudskog pogleda u noćno nebo. No, dok je astrologija četiri tisuće godina ostala praktički nepromijenjena (zato sam rekao da je puno starija), astronomija se neprekidno mijenjala – prvo vrlo, vrlo sporo, a zatim sve brže i brže (i tek onu astronomiju u zadnjih 400 godina smatram znanošću u današnjem smislu riječi). U svakom slučaju, astrologija ili zvjezdogatnja je tipična pseudoznanost.
Astronomija = astrofizika
Značenje pojma astronomije danas se praktički preklapa sa značenjem pojma astrofizike. U doslovnom smislu, astrofizika je fizika zvijezda. Stvarni smisao astrofizike je primijena fizike u razumijevanju kozmičkih objekta i pojava. Astrofizika kreće od temeljne pretpostavke da zakoni fizike, do kojih smo došli na Zemlji, jednako vrijede i u svemiru. Ta se pretpostavka zasad pokazala jako produktivnom.
Mogli bismo reći da se astrofizika razvila iz astronomije onda kad su za tumačenje astronomskih opažanja prvi put primijenjeni zakoni fizike, a ne samo geometrija ili logika. Prvi primjer prave astrofizike vjerojatno je bio izračun mase Sunca iz udaljenosti Zemlja−Sunce (prvi put procijenjene iz mjerenja Marsove paralakse, 1672. godine) i općeg zakona gravitacije (kojeg je Newton objavio u svojoj slavnoj knjizi Philolosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687. godine).
Danas praktički više ne postoji tradicionalna podjela na one koji samo opažaju i one koji samo rabe fiziku da bi objasnili tuđa opažanja. Astrofizičari sad grade instrumente i provode opažanja, a astronomi redovito koriste fiziku kako bi razumjeli ono što opažaju. Stoga su svi današnji istraživači svemira kombinacija astronoma i astrofizičara, dok je izbor naziva (astronom ili astrofizičar) više-manje proizvoljan.
Velika otkrića iz astronomije
O velikim astronomskim otkrićima mogle bi se napisati nebrojene knjige. Uostalom, mnoge su i napisane. Ovdje sam izdvojio četiri otkrića, po svom osobnom izboru, koja ilustriraju važne doprinose ljudskom znanju o svemiru.
(1) Širenje svemira (Hubble, 1924.) Kao što sam ranije spomenuo, Newtonova Principia donijela je opći zakon gravitacije, 1687. godine. Prema njemu, sva se tijela u svemiru međusobno privlače zbog svojih masa. Ali, zašto se onda svemir ne uruši sam u sebe? To je pitanje Newtonu postavio svećenik Richard Bentley, 1692. godine, kad je pripremao niz predavanja o vjeri, razumu i tek objavljenom Newtonovom djelu. Newton je priznao da je urušavanje neizbježno osim u slučaju savršene ravnoteže svih tijela u svemiru. U jednom kasnijem izdanju Principia Newton je je predložio odgovor na taj problem – Božju providnost (što, naravno, nije znanstveni argument). S istim se problemom kasnije suočio Einstein. Kako bio opisao statični svemir, morao je svojim predivnim jednadžbama rukom dodati jedan član – nazvan lambdom – koji je poništio ono što su izvorne jednadžbe predviđale: širenje svemira. No, niti je Newtonu trebao Bog, niti je Einsteinu trebala labmda. Njihov je problem bio u krivoj pretpostavci koju su uzeli zdravo za gotovo – statičnosti svemira. Edwin Hubble je, 1924. godine, došao do jednog od najvažnijih otkrića u povijesti čovječanstva: svemir nije statičan, nego se širi. Zato se, unatoč gravitaciji, ne urušava sam u sebe.
(2) Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (Penzias & Wilson, 1964.) Drugo veliko otkriće koje je iz temelja promijenilo našu sliku svemira bilo je otkriće kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Do tog otkrića kozmologija (učenje o razvoju svemira) bilo je na razini mitologije. Tek je otkrićem Penziasa i Wilsona, 1964. godine, kozmologija dobila mogućnost da stvarno postane znanost. Inače, kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje bilo je teorijski predviđeno kao ostatak velikog praska – početnog događaja u kojem je, prije 13,8 milijardi godina, nastao svemir. Bila je to, dakle, i prva ključna potvrda modela velikog praska (dana postoje i mnoge druge).
(3) Ekstrasolarni planeti (Campbell, Walker & Yang, 1988.) Naše Sunce je zvijezda. Oko nje orbitira osam planeta. U galaksiji postoji još oko sto milijardi drugih sunaca i za pretpostaviti je bilo da neka od njih također imaju planetarne sustave. No, do relativno nedavno to je bila samo pretpostavka. Astronomi su dugo tragali za planetima u orbitama oko drugih zvijezda, no tek je relativno nedavno moderna tehnologija omogućila njihovo opažanje. Prvo pouzdano opažanje potječe iz 1988. godine. Od tada do danas otkriveno je više od 900 ekstrasolarnih planeta.
(4) Ubrzano širenje svemira (Perlmutter, 1998.) Nobelovu nagradu za fiziku, za 2011. godinu, "za otkriće ubrzanog širenja svemira kroz opažanja dalekih supernova" dobili su Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt i Adam G. Riess. Oni su prvi pouzdano pokazali da širenje svemira nije stalno nego da – ubrzava. To ubrzano širenje svemira nije bilo potpuno iznenađenje. Bilo je, kao mogućnost, već predviđeno teorijom. Uzrok ubrzanog širenja je ono što nazivamo tamnom energijom. Na taj, zasad nepoznati, oblik energije otpada otprilike tri četvrtine ukupne mase-energije svemira.
Otvorena pitanja iz astronomije
Napredak astronomije je poput širenja svemira. Ne samo da je cijelo vrijeme prisutan nego još i ubrzava. Nove, zanimljive informacije stižu praktički svakodnevno. A naše se viđenje svemira cijelo vrijeme drastično mijenja. Ipak, postoje neka pitanja za koja znamo već dugo, a još im ne naziremo odgovora. Za njihovo ćemo rješavanje vjerojatno trebati nove vrste zemaljskih i svemirskih instrumenata te nove proboje u teorijskoj i eksperimentalnoj fizici. Neka od tih otvorenih pitanja su navedena u nastavku.
(1) Odakle potječe raspodjela zvjezdanih masa? Zvijezde imaju različite mase. One najmanje masivne imaju tek nešto ispod 10% mase Sunca, a one najmasivnije čak više od 100 masa Sunca. Astronomi su dosad ispitali mnoštvo različitih skupova zvijezda i pronašli uvijek istu početnu raspodjelu masa. Početna
raspodjela masa opisana je funkcijom početne mase (engl. initial mass function) koja određuje koliki je udio zvijezda u kojem području masa bio u najranijoj fazi nastanka zvijezda. Teorijski modeli i na njima temeljene simulacije pokazuju, međutim, da bi ta funkcija početne mase morala ovisiti o danim početnim uvjetima. Zagonetno je to što je funkcija početne mase, čini se, uvijek ista, bez obzira na početne uvjete u molekularnom oblaku koji je zvjezdano rodilište. To je pokazuje da proces nastanka zvjezda ne razumijemo dovoljno dobro.
(2) Postoji li drugi život svemiru? Pitanje mogućeg života drugdje u svemiru, osim onoga na Zemlji, jedno je od najintrigantnijih pitanja koje zaokuplja ne samo astronome nego i najširu javnost. Još je zanimljivije podpitanje postoji li drugi inteligentni život. I naravno, postoji li mogućnost kontakta. Konačno, ako postoji, koje je objašnjenje Fermijevog paradoksa. Da podsjetim: Fermijev paradoks ukazuje na kontradikciju procijenjene vjerojatnosti postojanja izvanzemaljskih civilizacija i odsustva bilo kakvih potvrda o tome. Potvrda života drugdje u svemiru imala bi velike filozofske i sociološke implikacije. Naravno, i znanstvene implikacije: saznali bismo je li naš Sunčev sustav uobičajen ili neuobičajen.
(3) Što je uzrokovalo nastanak svemira? Ovo je pitanje još intrigantnije od prethodnog. Većina čovječanstva je religiozna i uglavnom smatra da je odgovor na to neupitan – Bog. Prirodna znanost ne poseže za nadnaravnim pa za nju to nije nikakav odgovor. Nije čak ni dobra znanstvena hipoteza. Naime, da bi neku pretpostavku smatrali dobrom znanstvenom hipotezom, od koje može početi istraživanje, ta hipoteza mora biti provjerljiva. Hipoteza "Bog je stvorio svemir" nije provjerljiva. Prema tome, ne funkcionira čak ni kao hipoteza. No, jednako tako nisu provjerljive, barem zasad, ni mnoge druge hipoteze koje djeluju znanstveno i, u najmanju ruku, vrlo obećavajuće. Primjerice, hipoteza o multiverzu – velikom, možda i beskonačnom, skupu različitih svemira. Naš svemir bi, prema toj ideji, bio samo jedan od tog mnoštva svemira. No, svi svemiri u multiverzu ne bi bili jednaki. Naš bi svemir bio onaj koji je fino ugođen za nastanak života. Ali ne fino ugođen izvana, s nečijom namjerom, nego onaj čiji su parametri slučajno ispali takvi da pogoduju nastanku života i u konačnici ljudi koji se pitaju o njegovom nastanku. Nedavno objavljeni rezultati satelita Plank donijeli su, kao što to često biva, i neke neočekivane podatke. Na preciznoj slici fluktuacija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja vidi se veliko područje koje je bitno drukčije od ostatka. Ne zna se razlog, no odmah su se pojavile ideje da bi to mogla biti neka vrsta masnice, otisak nekadašnjeg "sudara" s drugim svemirom. Zasad su sve to samo nagađanja.
(4) Koja je priroda tamne tvari i tamne energije? Ovo je top-tema današnje astronomije. Zapravo i šire, top-tema današnje fizike. Od 1960-ih pojavljuju se pokazatelji da u svemiru postoji veliki udio mase koji ne vidimo, ali ga posredno opažamo kroz gravitacijsko djelovanje na poznatu tvar. Početkom 1980-ih ti su pokazatelji postali toliko brojni i očiti da ih se više nije moglo ignorirati. Tvar nepoznate prirode nazvana je tamnom tvari. Kozmološki modeli također su pokazivali da u svemiru postoji veliki udio energije čija je priroda, također, potpuno nepoznata. Ta energija nazvana je tamnom energijom. Prema već spomenutim, nedavno objavljenim rezultatima satelita Planck udio tamne tvari u svemiru je 26.8%, a udio tamne energije 68.3%. Obične tvari, koja gradi sve poznato u svemiru, ima samo 4,9%. Ako se ograničimo samo na onaj dio obične tvari koja se nalazi u zvijezdama (u sto milijardi galaksija od kojih svaka ima oko sto milijardi zvijezda) onda ta tvar čini samo POLA POSTO ukupne mase-energije svemira.
(5) Kako su nastale prve galaksije? Pitanje formiranja prvih galaksija ključno je pitanje za razumijevanje razvoja cijelog svemira. Posebno zanimljiv detalj te priče je nastanak supermasivnih crnih rupa u središtima galaksija (ili galaktičkim jezgrama). U ranoj fazi razvoja galaktičke jezgre su obično aktivne što znači da supermasivna crna rupa usisava tvar iz svoje okoline.
(6) Što stvara kozmičke zrake ultravisokih energija? Kozmičke zrake su nabijene čestice, uglavnom protoni, visokih energija koje dolaze iz svemira. One kozmičke zrake čija je energija veća od 1018 eV nazivamo kozmičkim zrakama ultravisokih energija (UHE). Nije jasno koji to kozmički akceleratori mogu ubrzati protone da takvih ogromnih energija. Unutar galaksije ne znamo što bi to moglo biti. Izvan galaksije kao mogući izvori nameću se ranije spomenute aktivne galaktičke jezgre ili pak eksplozije hipernova – ogromnih supernova koje su vjerojatno izvori jedne vrste provala gama-zraka (engl. gamma ray burst). S druge strane, teorija predviđa graničnu vrijednost Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) iznad koje kozmičke zrake ultravisokih energija, viših od 5 · 1019 eV, međudjeluju s kozmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem i stoga gube energiju. Zbog GZK-limita ne bismo trebali vidjeti izvangalaktičke UHE kozmičke zrake (za koje barem imamo ideju o potencijalnim izvorima). Pošto UHE kozmičke zrake ipak opažamo mogli bismo pretpostaviti da su galaktičkog podrijetla (no tada nemamo ideju o potencijalnim izvorima).