Otkriven signal koji bi mogao potpuno promijeniti povijest svemira

Foto: ESO/YouTube

AMERIČKI astronomi uspjeli su po prvi put u povijesti zabilježiti signal koji potječe od najranijih zvijezda u svemiru koje su zasjale kada je on bio star samo 180 milijuna godina.

Pripadnici astronomske zajednice s oduševljenjem su pozdravili rezultate objavljene u časopisu Nature iz nekoliko ključnih razloga.

Prvi je taj što je traženje signala bilo izuzetno zahtjevno budući da je vrlo slab, a morao se izdvojiti iz goleme svemirske radio-galame. Naime, znanstvenici nisu ni pokušavali vidjeti prve zvijezde jer je to neizvedivo, već su tražili slabašan trag u radiovalovima koji je njihovo zračenje izazvalo u oblacima vodika koji je prožimao tadašnji svemir.

Prvi put znamo kad su zasjale prve zvijezde

Drugi je taj što su astronomi na temelju otkrića prvi put doznali kada su točno zasjale prve zvijezde, odnosno kada je završilo kozmičko mračno doba u kojem nije bilo izvora vidljive svjetlosti.

Treći razlog je to što se signal pokazao dvostruko snažnijim nego što se očekivalo, što je otvorilo vrata za nove spoznaje o povijesti svemira i o tamnoj tvari koja sačinjava njegov najveći dio. Naime, jedno od mogućih tumačenja neobične snage signala jest da je tamna tvar ohladila vodik u svemiru na temperature niže od očekivanih pa je on apsorbirao više zračenja nego što se ranije mislilo da jest. To bi pak značilo da između tamne materije i obične, vidljive, ipak postoji međudjelovanje. Do sada se smatralo da obična i tamna materija jedna na drugu djeluju samo gravitacijskim silama (odatle i naziv tamna tvar jer je nevidljiva i za naše oči i za instrumente).

"To je prvi put da smo vidjeli neki signal iz tako ranog svemira, ako se izuzme odsjaj velikog praska", rekao je voditelj istraživanja Judd Bowman.

Formiranje prvih zvijezda

Kako je izgledalo traženje signala i što nam on otkriva?

Znanstvenici smatraju da je nakon velikog praska svemir prvih 380.000 godina bio neproziran jer je bio ispunjen vrućom juhom protona i elektrona (plazmom), te prožet fotonima svjetlosti. Fotoni kroz nju nisu mogli slobodno putovati, jer bi se raspršili na nabijenim česticama koje još nisu bile povezane u atome. Kada se svemir, šireći se, ohladio na temperaturu od oko 3.000 Kelvina, protoni i elektroni počeli su se ujedinjavati u atome vodika, juha se raščišćavala i on je postao prohodan za putovanje svjetlosti; postao je proziran. Iz tog vremena potječe pozadinsko mikrovalno zračenje (CMB), svojevrsni odsjaj velikog praska. CMB je u to vrijeme uglavnom bio u crvenom dijelu vidljivog spektra, no zbog širenja svemira njegova se valna duljina izdužila tako da je on danas većinom u području mikrovalnog zračenja poput onog koje koriste mikrovalne pećnice ili televizijske postaje.

Gotovo 200 milijuna godina nakon velikog praska u svemiru nije bilo nikakvih zvijezda koje bi ga obasjale pa se razdoblje do njihova nastanka naziva kozmičkim mračnim dobom. Snimke CMB-a pokazuju da je materija u ranom svemiru bila vrlo jednolično raspoređena, ali, na sreću, ne i potpuno uniformno. U njoj su postojale male varijacije, odnosno grudice koje su svojom gravitacijom privlačile i nakupljale okolnu tvar stvarajući prve zvijezde. Kada su te zvijezde dovoljno narasle, u njima se pokrenula fuzija, one su zasjale i svojim zračenjem pobudile atome vodika u oblacima koji su ispunjavali svemir. Te prve zvijezde bile su nalik poznatim plavim divovima (ilustracija gore) koji žive kratke, ali intenzivne živote.

Misteriozan, tihi signal

Tu sada na red dolazi priča o nastanku misterioznog, slabašnog signala. Neutralni atomi vodika u svojem osnovnom stanju imaju zapravo dva stanja: jedno je stanje paralelnih spinova u kojem elektron i proton imaju isto kvantno stanje, a drugo je ono u kojem su njihovi spinovi suprotni. Energetska razlika između ta dva stanja izuzetno je malena. Stoga se u skoku vodika iz višeg u niže stanje zrači foton male energije, valne duljine 21 cm (što je valna duljina veća, to je energija fotona manja; npr. crvena svjetlost ima valnu duljinu između 620 i 750 milijarditih dijelova metra (nm), a rendgenske zrake od 0.01 do 10 nm – energija valova proporcionalna je frekvenciji, a obrnuto proporcionalna valnoj duljini). No vjerojatnost da atom vodika iz tog višeg stanja spontano prijeđe u niže izuzetno je mala.

Tu u priču ulaze prve zvijezde. Kada su one počele svijetliti, neutralni atomi vodika gutali su njihovo zračenje, odnosno fotone zvijezda, skakali su u viša pobuđena stanja i potom padali u prvo pobuđeno stanje. Međutim, nakon ovih velikih skokova vjerojatnost drugog, prethodno spomenutog nisko-energetskog skoka u kojem se oslobađa foton valne duljine 21 cm, postala je značajno veća.

Netko bi sada mogao pitati kako znamo da taj signal dolazi baš od prvih zvijezda, a ne od kasnijih? Evo kako. Prije nastanka prvih zvijezda oblaci hladnog vodika nalazili su se u termodinamičkoj ravnoteži s CMB-om pa se nisu mogli razlikovati od njega. Koliko god je fotona vodik apsorbirao, toliko ih je i emitirao. No kada su nastale prve zvijezde, oblaci vodika već su bili hladniji od pozadinskog zračenja pa su u početku snažnije apsorbirali fotone valne duljine 21 cm nego što su ih emitirali zbog čega je nastao njihov manjak u CMB-u (graf dolje). Kasnije, kada se temperatura oblaka povećala, oni su počeli više zračiti nego što su apsorbirali pa je nastao njihov višak.

Na temelju toga znanstvenici su zaključili da bi manjak fotona u CMB-u trebao biti znak da je nastupio trenutak u kojem su zasjale prve zvijezde, odnosno da će na temelju tog manjka moći odrediti trenutak u povijesti svemira u kojem je prestalo kozmičko doba. Točnu starost tog trenutka odredili su na temelju produženja koje je signal doživio zahvaljujući širenju svemira. Naime, znali su da signal mora biti određene teorijske valne duljine, a stvarna, koju su zabilježili, odgovorila im je na pitanje koliko se od tada svemir proširio. Budući da se zna kolikom se brzinom svemir širi, mogli su izračunati kada je signal nastao.

 

Zahtjevnost eksperimenta

Mada na prvi pogled može zvučati jednostavno, barem za fizičare, u praksi ovo istraživanje nije bilo lako izvesti. Naime, traženi signal toliko je slab da su razni šumovi koji dolaze od raznih emisija na Zemlji, ali i iz naše galaksije, tisućama puta jači. Preciznije, signal ima snagu 0,01 % šuma što ga stvara naša galaksija.

Osim toga, znanstvenici nisu mogli unaprijed znati točno kada su prve zvijezde nastale pa nisu mogli znati ni koliko se od tada do danas svemir raširio. To pak znači da nisu mogli znati koliko se valna duljina traženog signala rastegnula, odnosno na kojoj bi ga valnoj duljini trebali tražiti. Njihov se zadatak otprilike mogao usporediti s traženjem lepeta krila kolibrića u oluji. Mnogi su ga smatrali neizvedivim, barem s trenutno dostupnom tehnologijom.

No američki tim pod vodstvom Alana Rogersa s MIT-ja i Judda Bowmana s Arizona State Universityja, nije se dao obeshrabriti. Posebno je zanimljivo to što u svojem eksperimentu – dakle, u potrazi za najudaljenijim i najstarijim zvijezdama u svemiru, kakve ni svemirski teleskop Hubble ne može snimiti - članovi ekipe nisu koristili neke goleme radio-teleskope, već antenu veličine kuhinjskog stola koju su sami konstruirali i postavili u australskoj pustinji kako bi maksimalno smanjili šumove sa Zemlje. Naravno, antenu su priključili na izuzetno osjetljiv prijemnik kojim su mogli tragati za misterioznim signalom. Potraga je trajala oko 12 godina, a među ostalim, uključivala je i unapređenje prijamnika. Nakon što su konačno početkom 2016. godine otkrili signal, još su cijelu jednu godinu proveli u provjeravanju je li on stvaran ili je riječ o nekoj pogrešci. Povećali su površinu ispod antene, postavili su još jednu antenu, promijenili su njihovu orijentaciju i njihov položaj, povećali kalibraciju i isključili utjecaj Sunca i Mjeseca. No nakon svih provjera signal je i dalje ostajao nepromijenjen.

Da stvar bude interesantnija, bio je dvostruko snažniji nego što su očekivali, što znači da je svemir u vrijeme stvaranja zvijezda bio značajno hladniji nego što se pretpostavljalo.

Kozmolog Rennan Barkana sa Sveučilišta u Tel Avivu u Izraelu stoga je u časopisu Nature, u kojem je predstavljeno novo otkriće, objavio drugi, teorijski rad u kojem je predstavio jedno od mogućih tumačenja tako jakog signala. Prema njemu se vodik neočekivano jako ohladio zahvaljujući interakciji s tamnom tvari.



Naš fizičar u eksperimentu LOFAR

Naravno, prije nekih konačnih, a revolucionarnih zaključaka, signal će trebati potvrditi barem u još jednom neovisnom eksperimentu. Jedan od njih izvodi se na velikom radio-teleskopu LOFAR na kojem radi i jedan hrvatski astrofizičar dr. sc. Vibor Jelić s Instituta Ruđer Bošković.

„U znanosti uvijek treba biti oprezan, a osobito kada su u pitanju rezultati koji se ne podudaraju s očekivanjima“, rekao je za Index Jelić.

„U radovima predstavljenim u časopisu Nature posebno je revolucionarna nova ideja da bi tamna tvar mogla međudjelovati s običnom. Do sada smo pretpostavljali da se to ne događa. Ako je ta hipoteza točna, to bi značilo da je hladna tamna tvar oduzela dio kinetičke energije vidljive tvari kroz međusobne sudare njihovih čestica. Rezultate treba uvijek nastojati potvrditi nekim neovisnim eksperimentom, koji ima drugačije postavke i karakteristike. Takav je međunarodni radio-teleskop LOFAR u čiji rad sam i ja sam uključen. U sklopu projekta vodim istraživanje radio-zračenja iz prednjeg plana koje nam ometa detekciju kozmološkog signala. Većinom se radi o radio-zračenju naše galaksije i drugih ekstragalaktičkih izvora. Slikovito se može reći da tražimo iglu u plastu sijena. Pritom je igla kozmološki signal iz epohe reionizacije svemira, perioda u kojem su nastale prve zvijezde i počele uništavati, odnosno ionizirati okolne atome vodika, dok je radio-zračenje iz prednjeg plana plast sijena. Mada se čini nemoguće, ako znamo od čega je igla napravljena, da je od željeza, upotrebom jakog magneta možemo je lako izvući iz plasta sijena“, slikovito je pojasnio suštinu potrage naš astrofizičar.



Eksperiment stiže u Hrvatsku?

Većina od 70-ak tisuća malenih antena LOFAR-a nalazi se u Nizozemskoj, a Jelić na njima radi od samog početka, od njihove konstrukcije. No ima ih i u drugim zemljama – u Njemačkoj, Velikoj Britaniji, Francuskoj, Švedskoj, Poljskoj i Irskoj, a naš znanstvenik zalaže se da se jedna stanica postavi i u Hrvatskoj.

„S astrofizičarkom Vernesom Smolčić s PMF-a, koja se bavi istraživanjem radio galaksija, intenzivno radimo na toj inicijativi,“rekao je Jelić.

Jelić i Smolčić nadaju se da bi se u Hrvatskoj mogla postaviti stanica, koja bi se sastojala od 192 radio-antene osjetljive na radio-zračenje u pojasu između 30 i 80 MHz te 3072 radio-antene osjetljive na radio zračenje između 110 i 240 MHz. Točna lokacija gdje bi se smjestila LOFAR-ova stanica još nije poznata, no u igri su Međimurska i Ličko-senjska županija.

Astrofizika u bazenu

Jelić je u vrijeme naših razgovora o otkriću bio u alpskom gradiću Sesto u Italiji, u kojem se ovih dana održava međunarodna konferencija koja se bavi upravo razdobljem nastanka i razvoja prvih zvijezda u svemiru (Next-Generation Cosmology with Next-Generation Radio-Telescopes).

„Na konferenciji sudjeluju predstavnici svih postojećih i budućih radio teleskopa koji tragaju za kozmološkim 21-centimetarskim signalom, te brojni teoretičari. Jedan od njih je i Barkana, autor članka koji predlaže da se kozmički vodik ohladio u interakciji s tamnom materijom. Mada su svi sudionici konferencije zaintrigirani objavljenim rezultatima, postoji određena rezerva i svi se nadaju skoroj potvrdi detekcije s nekim drugim radio teleskopom. U vrlo prijateljskom duhu, pa čak i u bazenu, vode se brojne konstruktivne rasprave kojima se želi raščlaniti svaki detalj detekcije te vidjeti koje bi sve posljedice mogle biti vezane za naše razumijevanje nastanka i razvoja svemira“, ispričao je naš astrofizičar.