SVEMIR bi mogao biti čak dvostruko stariji nego što suvremena kozmologija procjenjuje, pokazao je novi teorijski rad Rajendre Gupte, znanstvenika sa sveučilišta u Ottawi.

Rad, objavljen u uglednom astronomskom časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society temelji se na novim promatranjima svemirskog teleskopa Jamesa Webba.

Guptina teza s jedne strane predstavlja veliki izazov za prevladavajući kozmološki model, dok s druge nudi odgovore za neke ozbiljne probleme zabilježene u novijim astronomskim opažanjima.

Što su nemoguće stare galaksije?

Prije svega ona rješava problem opaženih "nemoguće starih" galaksija.

Nemoguće stare galaksije su masivne, zrele galaksije koje su otkrivene u ranom svemiru, oko 300 do 700 milijuna godina nakon velikog praska. Njihovo nedavno otkrivanje izazvalo je iznenađenje jer se očekivalo da će se u tom razdoblju evolucije svemira pronaći samo male, mlade galaksije budući da nije prošlo dovoljno vremena za formiranje zrelih.

Ovdje uvijek treba imati na umu da se naizmjenično koriste dvije različite percepcije starosti - jedna u odnosu na početak svemira, odnosno veliki prasak, i druga u odnosu na trajanje svemira do danas. Zvijezda koja se može smatrati najstarijom jer je nastala u samu zoru razvoja svemira istovremeno može biti vrlo mlada jer je u trenutku u kojem je mi opažamo imala samo nekoliko stotina milijuna godina.

Prema jednom radu objavljenom u časopisu Nature jednu takvu nemoguće staru galaksiju, neočekivano velike mase, oko 100 milijardi puta veće od našeg Sunca, nedavno je otkrio svemirski teleskop James Webb.

Najstarija "nemoguća" galaksija koja je do sada zabilježena je GN-z11. Nju je također otkrio James Webb, a starost u trenutku u kojem je vidimo procijenjena joj je na oko 400 milijuna godina.

Procjenjuje se da je najstarija zvijezda, poznata kao "Metuzalem", crveni patuljak smješten u Mliječnom putu, stara oko 14.5 milijardi godina, što znači da je u trenutku u kojem je snimljena bila stara samo 300-tinjak milijuna godina.

Nema potrebe za primordijalnim crnim rupama

Kada bi Guptin novi model bio točan, on bi, među ostalim, dokinuo potrebu za postojanjem hipotetskih primordijalnih crnih rupa malih dimenzija, ali velikih masa, za koje se pretpostavlja da su mogle nastati u vrlo gustom svemiru, nedugo nakon velikog praska. One su kao svojevrsno sjeme u ranom svemiru mogle ubrzati nakupljanje materije i konačno rezultirati bržim formiranjem galaksija koje se opažaju starijima od procijenjene starosti svemira.

Starost svemira se ne mjeri nego se neizravno procjenjuje

Važno je podsjetiti da mi nemamo mogućnost izravno izmjeriti starost svemira. Mi je procjenjujemo na temelju različitih opažanja kao što su eksplozije supernova, kozmičko pozadinsko mikrovalno zračenje (gore) i crveni pomak u zračenju zvijezda i galaksija.

Crveni pomak je pojava koju tumači tzv. Dopplerov efekt, a javlja se kada se svjetlost iz objekta koji se udaljava od nas izduži zajedno sa svemirom tako da se njezina frekvencija pomakne prema duljim valnim duljinama, tj. prema crvenom dijelu elektromagnetskog spektra. Slično zvuk sirene postaje dublji kada se vozilo udaljava od nas (animacija dolje).

Budući da se svemir od nastanka u velikom prasku širi, a brzine udaljavanja objekata od nas povećavaju s udaljenošću, objekti koji su najudaljeniji imaju najveći pomak prema crvenom dijelu spektra pa mi, umjesto da vidimo njihovo zračenje u području u kojem bi se to očekivalo prema sastavu zvijezda, bilježimo veće valne duljine. To možemo shvatiti ako zamislimo udaljavanje dviju točaka na balonu koji napuhujemo. Što su točke udaljenije, to se napuhavanjem balona njihova brzina udaljavanja više povećava.

Mjerenjem crvenog pomaka objekata u svemiru znanstvenici mogu odrediti koliko su se ti objekti udaljili od nas i, prema tome, procijeniti brzinu ekspanzije svemira u prošlosti. Na taj način se, uzimajući u obzir razne modele i pretpostavke o prirodi i sastavu svemira, može rekonstruirati povijest ekspanzije.

Procjena starosti svemira na temelju crvenog pomaka zahtijeva korištenje Friedmanovih jednadžbi i Hubbleove konstante. Friedmanove jednadžbe opisuju ravnotežu između gravitacijske privlačnosti i ekspanzije svemira, dok Hubbleova konstanta povezuje brzinu ekspanzije svemira s udaljenošću objekata.

Korištenjem crvenog pomaka i tih jednadžbi, znanstvenici mogu procijeniti vrijeme kada je svemir bio mnogo manji i gušći, poznato kao "veliki prasak", te na temelju toga izvesti procjenu starosti svemira.

2021. godine starost svemira procijenjena je na 13.797 milijardi godina (evolucija svemira dolje).

Sunce i Zemlja postoje duže nego prve galaksije

Tu sad nastupa problem s nemoguće starim galaksijama. Naime, najstarija nemoguća galaksija ima spektroskopski crveni pomak od z = 10.957, što odgovara udaljenosti od približno 32 milijarde svjetlosnih godina. To pak znači da je postojala prije 13.4 milijarde godina, samo 400 milijuna godina nakon velikog praska (tu treba imati na umu da je svjetlost te galaksije do nas prešla put od 32 milijarde svjetlosnih godina, a ne od 13.4, jer se svemir za njezinog putovanja širio).

Koliko je 400 milijuna godina malo za evoluciju zvijezda i galaksija, govori činjenica da su naša Zemlja i Sunce stari oko 4.6 milijardi godina.

Hipoteza o umornoj svjetlosti

Guptin novi model temelji se na dvjema duže poznatim hipotezama. Prva je hipoteza o tzv. umornoj svjetlosti Fritza Zwickyja prema kojoj bi crveni pomak svjetlosti iz dalekih galaksija mogao biti rezultat postupnog gubitka energije fotona tijekom putovanja kroz ogromne kozmičke udaljenosti. Manje energije znači nižu frekvenciju i veće valne duljine.

Zwickyjeva hipoteza o umornom svjetlu imala je previše problema da bi opstala tako da ju je zamijenio model svemira koji se širi.

No Gupta u svom novom radu kaže da to ne znači nužno da se dva koncepta međusobno isključuju. Kombinacija umorne svjetlosti i širenja svemira mogla bi pomoći u rješavanju pitanja zašto se čini da su najraniji kvazari i galaksije stari milijardama godina.

Hipoteza o promjenjivim konstantama

Prema drugoj hipotezi Paula Diraca iz 1937. godine fizičke konstante poput gravitacijske mogle bi biti podložne promjenama tijekom vremena. Gravitacijska bi mogla biti obrnuto proporcionalna kozmičkom vremenu, što znači da bi se njezina vrijednost s vremenom mogla smanjivati.

Gupta smatra da bi zabilježeni crveni pomak mogao biti hibridni fenomen, umjesto da je isključivo posljedica širenja svemira. Dakle, mogao bi biti posljedica širenja svemira i promjenjive konstante.

Povećanje starosti svemira

Prema Gupti, ako dozvolimo da se konstante s vremenom mijenjaju, vremenski okvir za formiranje ranih galaksija mogao bi se proširiti s nekoliko stotina milijuna godina na nekoliko milijardi godina.

"Naš novo osmišljeni model produljuje vrijeme formiranja galaksija za nekoliko milijardi godina, čime svemir dobiva starost od 26.7 milijardi godina, umjesto 13.7 koliko je prethodno procijenjeno", rekao je dr. Gupta.

Ovaj vremenski okvir pruža prihvatljivo tumačenje za visoku razinu razvoja opaženu u nemoguće starim galaksijama.

Gupta također predlaže da se revidira tradicionalna interpretacija kozmološke konstante, koja predstavlja tamnu energiju odgovornu za ubrzano širenje svemira.

Umjesto nje, on predlaže konstantu koja uzima u obzir evoluciju konstanti.

Hipotezu tek treba potvrditi

Kako smo rekli, postojeća procjena starosti svemira temelji se na modelima stvorenim na temelju raznih promatranja. Ona je stoga podložna promjenama. Znanstvene spoznaje nisu nepromjenjive dogme, naprotiv. One su podložne promjenama koje se posebno entuzijastično počinju tražiti kada se pojave promatranja koja odstupaju od kanona, kao što je to slučaj s nemoguće starim galaksijama starijim od svemira.

Ipak, treba istaknuti da je u novom radu riječ tek o hipotezi, što znači da bi ona trebala biti potvrđena kroz druga neovisna mjerenja. Matematika koja stoji iza nje može biti lijepa i ona može rješavati određene probleme, no to nije dovoljna potvrda za model. Hipoteza mora nuditi određena predviđanja koja se moraju moći istraživati i opovrgavati ili potvrđivati.