— Objavljeno 30/09/2015 / Hrvatska revija 4 (2015).
T. Marjanac1 & D. Hrupec2
1Geološki odsjek, PMF, Zagreb
2Zavod za eksperimentalnu fiziku, IRB, Zagreb
Astronomija je znanost, za razliku od astrologije. Znanost koja se trudi pronaći odgovore na pitanja o svemiru, njegovoj evoluciji, pa i o položaju našeg planeta u tom sveobuhvatnom prostoru. Interes za poznavanje svemira star je koliko i ljudska rasa. Već je pračovjek promatrao Mjesec, zvijezde, meteore, komete, i premda nije poznavao njihovu prirodu bio je svjestan njihovog kretanja i pravilnosti pojavljivanja. O toj davnoj povijesti čovječanstva postoje malobrojni dokumenti, ali se na špiljskim crtežima može uočiti i astronomske motive koji su za tadašnjeg čovjeka zasigurno imali poseban značaj. Kroz povijest se znanost razvijala u stvari na krilima astronomije. Može se reći da je razvoj znanosti pratio astronomiju i da su se zbog njenog napretka razvijale i druge grane znanosti.
Danas u globaliziranom svijetu s jednakim interesom pratimo novosti iz astronomije, i moglo bi se reći da živimo u njenom "herojskom" dobu, jer su se otkrića zaredala gotovo svakodnevno, i jer su astronomi dobili nove instrumente; teleskope, satelite, antene, o kojima do nedavno nismo mogli niti sanjati. Globalizirani svijet nam također omogućuje uvid u snimke svemira napravljene na vrlo dalekim opservatorijima, satelitima ili svemirskim teleskopima. Danas je astronomija javnosti dostupnija nego ikada ranije. Današnji istraživači ne moraju osobno sjediti uz teleskop, nego njegovu sliku modu dobiti elektroničkim putem gdjegod da se nalazili.
Naš planet Zemlja, tek je jedan od mnoštva planeta u bližem dijelu svemira, ali je za nas poseban, jer je i naš dom. Kao i svi drugi planeti i mjeseci, i Zemlja je tijekom svoje prošlosti doslovce dijelila sudbinu našeg dijela svemira, točnije - Sunčevog sustava. Dok je još bila mlada, Zemlja je pretrpjela brojne sudare s asteroidima, pa i planetima jer je nakon jednog takvog sudara nastao i naš Mjesec. Kako je vrijeme prolazilo broj sudara s asteroidima se jako smanjio, a o njima nam svjedoče impaktni krateri koji su sačuvani na Zemlji. Pošto je 2/3 Zemlje prekriveno morima, a k tomu je naš planet i "živi" jer se na njemu stalno odvijaju procesi koji stvaraju ali i razaraju stijene, na njenoj je površini prepoznato samo 179 kratera.
Sigurno je da je tijekom 4 milijarde godina, koliko je Zemlja stara, nastalo puno više kratera, no oni su većinom erodirani, neke su pokrile šume i pustinje, a neki su nestali prilikom podvlačenja tektonskih ploča. Zato na Mjesecu gdje nema atmosfere niti erozije kao na Zemlji vidimo ogroman broj kratera, neki su vrlo veliki, promjera preko 100 km, a neki su relativno mali. Mnoštvo kratera vidi se i na Marsu, gdje zbog vrlo rijetke atmosfere erozija nije jaka, a zadnjih milijardu godina nema niti vode koja bi sakrila neke kratere.
Krateri na Zemlji su rijetki, ali zaslužuju podrobno istraživanje. Naime, udar asteroida ostao je na površini vidljiv po impaktnom krateru, međutim oblik i veličina kratera ovisi o energiji udara (koja pak ovisi o brzini i veličini asteroida). Svaka vrsta kratera ima određenu veličinu (promjer). Najmanji su jednostavni zdjelasti krateri, poput poznatog "Meteoritskog kratera" u Arizoni. Ti su krateri nastali udarima malih asteroida koji su mogli imati promjer od 75-100 metara. Na Zemlji ovaj tip kratera može imati promjer do najviše 4 km. Veći su krateri koji imaju središnje uzdignuće (brežuljak). Takvi krateri nastali su udarom znatno većih asteroida čiji promjer može biti oko 1 km. Na Zemlji ovaj tip kratera može imati promjer 20-25 km. Još veći su prstenasti krateri koji nastaju prilikom udara asteroida promjera nekoliko kilometara, a karakterizira ih jedan ili više koncentričnih prstenastih brežuljaka. Na Zemlji njihov promjer može dosezati preko 300 km. Pravilo je da na svemirskim tijelima sa slabijom gravitacijom nastaju veći krateri nego na Zemlji. Pravilo je također, da broj kratera pojedinog tipa opada s njihovom veličinom, što znači da su najmanji ujedno i najčešći, a najveći da nastaju vrlo rijetko. Zbog svoje veličine, najveći su krateri redovito erodirani, pokriveni mlađim sedimentima, vegetacijom, ledom ili morem.
Udar asteroida koji stvara impaktni krater možemo usporediti s nuklearnom eksplozijom, pa se i energija izražava na jednak način; u kilotonama (kt), megatonama (Mt), i čak gigatonama (Gt) TNT-a. Impaktom oslobođena energija može biti u rasponu od desetak Mt TNT (snaga termonuklearne bombe, takozvane "hidrogenske" ili "vodikove") pri čemu nastaje krater tek nešto veći od 1 km promjera. Impakti s energijom od 250 Gt TNT stvaraju "srednje" velike kratere promjera do 30 km, a krateri promjera 100-200 km nastaju pri još većim energijama.
Koji su učinci tako snažnih eksplozija?
Učinci su vrlo slični eksploziji nuklearne bombe, s tom razlikom da se pri impaktima ne oslobađa radijacija. Eksplozija izaziva nadzvučni udarni val koji ruši i uništava sve na površini Zemlje u krugu od stotinjak kilometara. Eksplozija izaziva i toplinski val (oko 100.000o C) koji spaljuje sve u svom dosegu. Nastaje i snažni seizmički udar (potres) koji kod najvećih impakata može imati magnitudu M10-12! Impaktna eksplozija rastali i ispari stijene na mjestu udara ali i asteroid (impaktor), a taljevina i pare bivaju izbačene u bliski svemir! Taljevina se postupno hladi i nastaju staklene čestice - tektiti koje padaju nazad na Zemlju, ali na velikim udaljenostima od mjesta udara. Kondenzacijom para nastaju staklene kuglice - sferule koje još dugo lebde u vrlo visokoj atmosferi, ali i one konačno padnu natrag na Zemlju. Dio stijena na mjestu udara eksplozija pretvori u kamenu prašinu i izbaci iz kratera, jednako kao i veće komade stijena koji padaju u blizini kratera kao prava kiša kamenja! Kamena prašina je sitna pa zaostaje lebdjeti u atmosferi još godinama nakon impakta i smanjuje prozirnost atmosfere i stvara debelu naoblaku zbog koje na površini brzo nastupa jako zahlađenje.
Impaktni krateri ne moraju biti sačuvani, ali se staklene čestice koje su nastale uslijed impakta mogu pronaći po cijelom svijetu. Istraživanje impaktnih stakala i sferula može nam ukazati na nove nepoznate impaktne događaje, čiji su krateri zatrpani mlađim sedimentima ili uništeni erozijom. U kemijskom sastavu sferula ponekad možemo prepoznati tragove asteroida koji je izazvao impakt, pa je to dodatna korist od njihovog istraživanja.
Eksplozije asteroida dogodile su se i u povijesno doba. Veličina tih tijela bila je premala da prežive put kroz Zemljinu atmosferu, pa su eksplodirala na nekoj visini u atmosferi, a do površine su stigli samo manji fragmenti - meteoriti. Premda nisu nastali krateri, energija tih atmosferskih impakata bila je tolika da je 1908. eksplozija u Tunguziji porušila 200 km2 sibirske prašume. Magnituda te eksplozije procjenjuje se na 10-40 Mt TNT! Slabija eksplozija pogodila je 2013. g. Čeljabinsku oblast u Rusiji, i porazbijala sve prozore u krugu od 200 km, pri čemu je bilo ozlijeđeno preko 1000 ljudi, a njena je magnituda procijenjena na 500 Kt TNT! Ako znamo da su manji impakti učestaliji od velikih, za nas ovi atmosferski impakti predstavljaju znatno veću prijetnju od pravih impakata, jer se događaju dva do tri puta u jednom stoljeću, a asteroide koji ih uzrokuju za sada jako teško otkrivamo. Atmosferske impakte zato ne treba podcjenjivati, jer je simulacija "Čeljabinskog" događaja koju su krajem ljeta 2013. godine proveli FEMA i NASA za područje istočne obale SAD pokazala da bi u takvom događaju poginulo čak 70.000 ljudi! Razlika u odnosu na štete u Rusiji i brojne moguće žrtve u SAD-u proizlazi iz razlike u kvaliteti stambenih i poslovnih zgrada, pa je američko stanovništvo ranjivije u odnosu na rusko.
Meteoriti su jedini primjerci izvanzemaljskog materijala koji su nam dostupni za istraživanje. Meteoriti padaju stalno, ali nije često da pad jednoga bude snimljen. Često se događa da netko nađe meteorit posve slučajno, a ne ciljanim traženjem. Meteoriti se razlikuju po sastavu, pa postoje željezni (sideriti), željezno-kameni (sideroliti) i kameni (aeroliti). Premda zbog ljepote i rijetkosti sideriti i sideroliti privlače najviše pažnje, znanstveno su najinteresantniji meteoriti koji spadaju u skupinu aerolita, a nazivaju se hondriti. Ti su meteoriti stariji od željeznih, pa i od cijelog Sunčevog sustava! Oni su "najprimitivniji" materijal u našem Sunčevom sustavu, i od njega su izgrađeni svi planeti, mjeseci pa i Sunce.
Koji je naš udio u istraživanjima impakata?
Istraživanje impakata i njihovih produkata, meteorita i njihovih ishodišnih asteroida, pa i istraživanje ekoloških učinaka tih događaja dio je interesa geologije. Geologija danas ne proučava samo Zemlju, nego i sve druga hladna tijela u svemiru; planete, mjesece, asteroide i komete. Cijeli je svemir izgrađen od poznatih kemijskih elemenata i spojeva, a planeti, mjeseci i asteroidi od minerala i stijena, pa su metode istraživanja iste, a iste su i zakonitosti.
U Hrvatskoj istražujemo tragove dalekih impakata koje prepoznajemo po staklenim i metalnim kuglicama (sferulama) koje se nalaze u sedimentnim stijenama, a starost tih događaja određujemo po fosilima u stijenama. Sferule su vrlo male i njihov je promjer najčešće oko 100 mikrona, premda se ponekad mogu naći i staklene čestice veličine 1 mm. Njihov kemijski sastav nas upućuje na porijeklo od samog impaktora ili od stijena na mjestu udara.
Pošto su sferule sitne, ne vidimo ih golim okom, nego ih pronalazimo tek nakon što uzorak stijene otopimo, neotopljeni ostatak prosijemo, a prah pretražimo pod mikroskopom. Kada ih izvadimo iz praha, analiziramo njihov kemijski sastav rendgenskim analizama na elektronskom mikroskopu i mikrosondom na akceleratoru čestica. Analize koje smo dosad napravili pokazuju da su sferule prikupljene iz stijena različitih starosti i različitog sastava, ali da su sve analizirane sferule nastale taljenjem stijena na mjestu udara asteroida.
Na mjestu udara asteroida, u krateru stijene bivaju posve rastaljene, ali dio može biti rastaljen samo djelomično. Te taljevine i djelomično rastaljene stijene bivaju izbačene iz kratera, ali ne daleko jer padaju u blizini kratera poput vulkanskih bombi. Dio stijena koje su izbačene iz kratera nisu pretrpjele promjene izazvane visokim temperaturama, ali su snažno mehanički polomljene. Te stijene padaju uokolo kratera, ali i nazad u sam krater koji se na taj način vrlo brzo djelomično zatrpa. Zadaća geologa je i da istražuje te izbačene stijene i da traži dokaze o njihovoj starosti i moguće dokaze za njihov impaktni nastanak.
Ako se pretpostavi da po geološkim karakteristikama prepoznajemo impaktni krater, to je tek početak dugotrajnog istraživanja, jer impaktni krater još treba i potvrditi i u potpunosti istražiti. Dakle, ne može svaka vrtača ili ponikva biti krater (to je moguće samo na Mjesecu) nego se treba prikupiti dokaze da je ta struktura zaista nastala udarom asteroida. Među ključnim dokazima su takozvani "udarni konusi" koji nastaju u dnu kratera, ali ponekad mogu biti i izbačeni van. Drugi važan pokazatelj su "šokirana" kvarcna zrna koja nastaju prolaskom udarnog vala kroz stijene pri čemu u kristalima kvarca nastaju planarne deformacije koje se vide samo pod mikroskopom pri velikom povećanju. Pronalazak rastaljenih i djelomično rastaljenih stijena je također vrlo vrijedan. Osim deformacija u kristalima, prilikom jakih impakata nastaju i novi minerali, npr. dijamanti od ugljika u stijenama. Premda stijene na mjestu udara sadrže veliku količinu dijamanata, od njih nema neke materijalne koristi jer su vrlo mali, tek koju milijuntinku milimetra!
U Hrvatskoj postoji struktura koja bi mogla biti impaktni krater, a nalazi se na otoku Krku. Otkada je prepoznata kao mogući krater, danas potpuno ispunjen stijenama koje su se u njega urušile odmah nakon nastanka, traju dodatna istraživanja kojima je cilj da potvrde njegov impaktni karakter. To traje već više od 10 godina, a istraživanje je prošireno i na okolne otoke. Kako je riječ u vrlo mladoj a velikoj strukturi, jer mu je promjer oko 18 km, izbačene stijene su padale svuda po okolici, pa tako i okolnim otocima. Kako daleko, to tek treba otkriti terenskim istraživanjima.
Astročestice – glasnici iz svemira
Osim velikih meteorita, koji na Zemlju padaju rijetko i ostavljaju kratere, malih meteorita, koji padaju često i mogu se kasnije naći na tlu, i mikrometeorita, koji padaju neprekidno – na Zemlju stalno padaju i astročestice. Kao što sam naziv govori, astročestice su čestice koje dolaze iz svemira. To mogu biti subatomske čestice (protoni, neutroni, atomske jezgre) ili elemantarne čestice (fotoni, elektroni, neutrini). U svakom slučaju, to su glasnici iz svemira. Oni nam donose informacije o dalekim svemirskim objektima i procesima. Sve što znamo o svemiru izvan Sunčevog sustava, a mnogo toga i o samom Sunčevom sustavu, naučili smo zahvaljujući astročesticama.
Najvažniji kozmički glasnici, koji su prvi bili otkriveni i koji su nam donijeli najviše informacija, su fotoni ili kvanti elektromagnetskoga zračenja. S obzirom da fotoni različitih energija različito međudjeluju s materijom, njihovo opažanje zahtijeva različite metode i različite instrumente. Stoga elektromagnetsko zračenje, radi lakšeg snalaženja, dijelimo na radiovalove, mikrovalove, infracrveno zračenje, vidljivu svjetlost, ultraljubičasto zračenje, rendgensko zračenje i gama-zračenje. Vidljiva svjetlost je tek djelić cijeloga elektromagnetskog spektra. No, iz ljudske perspektive jako važan djelić – vidljivu svjetlost možemo opaziti golim okom. Na taj su način, najveći dio povijesti, i obavljanja astronomska mjerenja. Tek prije nekih 400 godina za istraživanje svemira počeo se koristiti teleskop. Od tada do danas optička astronomija nije se prestala ubrzano razvijati i donositi nove spoznaje o univerzumu. Nakon optičke astronomije, otprilike sredinom prošlog stoljeća, pojavila se i radioastronomija. Bio je to drugi prozor u svemir. Otvoren je zahvaljujući detekciji kozmičkih radiovalova. Radioastronomija je i danas vrlo aktivno područje astronomije koje je i dalje vrlo perspektivno. Idući prozori u svemir postali su dostupni tek kad se detektore moglo postaviti iznad Zemljine atmosfere, na satelite. Pojavile su se infracrvena astronomija, ultraljubičasta astronomija, rendgenska astronomija i gama-astronomija.
Osim fotona, kozmički glasnici koji su danas važni su kozmičke zrake i astrofizički neutrini. Kozmičke zrake su nabijene čestice, uglavnom protoni. Za njihovo opažanje postoje posebni "teleskopi" koji se protežu na ogromnim površinama na tlu. Najveći eksperiment za detekciju kozmičkih zraka danas je AUGER u Argentini. Njegovi detektori rasprostranjeni su na više od 3000 km2 što približno odgovara površini Pariza. Astrofizički neutrini su neutralne elementarne čestice koje iznimno slabo međudjeluju s materijom. Neutrino s lakoćom može proći kroz cijelu Zemlju, pa i kroz cijelo Sunce, kao da na tom putu uopće nema materije. Kroz naše tijelo, primjerice, u svakoj sekundi prolazi doslovno milijarde neutrina. Takve je čestice očito izuzetno teško uhvatiti. Ipak, fizičari su domišljatim postupcima našli način da detektiraju pojedinačne neutrine emitirane iz dalekih svemirskih objekata. Najveći neutrinski "teleskop" IceCube smješten je na na Južnome polu. Sastoji se od niza detektora koji su spušteni u rupe izbušene u polarnome ledu. Dubina tih rupa je gotovo 2500 m, a cijeli detektor ima obujam reda veličine kubičnog kilometra.
Koji je naš udio u istraživanjima astročestica?
Hrvatski astronomi i astrofizičari sudjeluju, u manjem broju, u istraživanju kozmičkog zračenja (eksperiment AUGER) i zvijezda općenito. U nešto većem broju istražuju Sunce (opservatorij Hvar), a u zadnje vrijeme zaživjela je u nas i radioastronomija. Također, već desetak godina u Hrvatskoj postoji intenzivna aktivnost u području najmlađe i vrlo produktivne grane astronomije – visokoenergijske gama-astronomije.
Visokoenergijska gama-astronomija je opažanje kozmičkih gama-zraka najviših energija. Takve gama-zrake ne mogu se opažati izravno, s pomoću detektora na satelitima. No, mogu se opažati neizravno, s pomoću posebnih teleskopa koje nazivamo Čerenkovljevim teleskopima. Na svijetu trenutno postoje samo tri sustava Čerenkovljevih teleskopa: VERITAS u Arizoni, H.E.S.S. u Namibiji i MAGIC na La Palmi. U pripremi je CTA, niz Čerenkovljevih teleskopa koji će imati dva opservatorija: južni u Paranalu u Čileu i sjeverni na kanarskom otoku La Palmi. Desetak hrvatskih astrofizičara radi na MAGIC-u te sudjeluje u pripremama za CTA.