— Published on 01/06/2014 / Čovjek i svemir 4 (2013. – 2014.).
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 Plancka
Einsteinove 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.
Rezultati Plancka
Svemirsku 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.
Nakon Plancka
Otprilike 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.