STVARANJE UNIVERZUMA

Tijekom 1930-ih Edwin Hubble je otkrio da sve galaksije imaju pozitivan crveni pomak. Drugim riječima, sve galaksije se udaljavaju od Mliječne staze. Prema Kopernikovom principu (koji tvrdi da mi nismo na posebnom mjestu u Svemiru), zaključujemo da se sve galaksije udaljavaju jedna od druge, ili mi živimo u dinamičnom Svemiru, koji je u ekspanziji (širenju).

Ekspanzija Svemira se opisuje veoma jednostavnom jednadžbom koju nazivamo Hubble-ov zakon; brzina udaljavanja galaksija jednaka je produktu konstante i udaljenosti (v=Hd). Gdje konstantu nazivamo Hubble-ovom konstantom koja povezuje udaljenost i brzinu jedinicama koje nazivamo svjetlosnim godinama.

1.2 Skala veličina

Najznačajnija vrijednost bilo kojeg astronomskog objekta je njegova udaljenost od Zemlje. Kako se kozmologija bavi objektima većim i sjajnijim od našeg Sunca i sunčevog sustava, nemoguće je imati točan referentni okvir u odnosu na veličinu i svjetloću s obzirom da ne postoji ništa sa čim bi se usporedilo ekstragalaktičke objekte.

Prije 1920-ih, smatralo se da su galaksije objekti smješteni unutar naše galaksije, moguće regije u kojima se formiraju nove zvijezde. Bila im je dodijeljena zajednička „maglica“, koju danas koristimo kako bi označili regije plina i prašine unutar galaksija.

Na prekretnici stoljeća otkrivene su Cepheid-ove varijabilne zvijezde (Cepheid variable stars), specijalna klasa pulsirajućih zvijezda unutar naše galaksije. S obzirom da su te zvijezde slijedile istu period-svjetlost relaciju, i bile su veoma slabe, to je značilo da su susjedne galaksije veoma udaljene. To je služilo kao potvrda činjenice da su spiralne maglice, zapravo, izvan naše galaksije i odjednom je Svemir postao beskrajan u vremenu i prostoru.

Iako je Hubble pokazao da su spiralne maglice izvan naše galaksije, njegove pretpostavke o njihovoj udaljenosti su bile pogrešne sa faktorom 6. To je bila posljedica činjenice da je kalibriranje Cepheid-a bilo loše u to vrijeme, zajedno sa korištenjem primitivnih teleskopa.

Suvremeni napori da se utvrdi Hubble-ova konstanta, mjera ekspanzije Svemira, dovode do toga da je neophodno odrediti udaljenosti i brzine veoma velikog uzorka galaksija. Najteži korak u tom procesu je konstruiranje skale udaljenosti među galaksijama, metoda određivanja stvarne udaljenosti do određene galaksije korištenjem svojstava ili karakteristika koje su vidljive na širokom rasponu tipova galaksija i udaljenosti.

Određivanje skale udaljenosti započinje konstrukcijom skale primarnih, sekundarnih i tercijarnih kalibratora u potrazi za standardnom mjerom.

2 Nastanak UNIVERZUMA

2.1 Pogled u prošlost

Velike dimanzije Svemira, zajedno sa konačnom brzinom svjetlosti, proizvode fenomen poznat kao pogled u prošlost. Pogled u prošlost znači da što dalje se objekt nalazi od Zemlje, duže treba njegovoj svjetlosti da dođe do nas. Zbog toga, mi zapravo gledamo natrag u vrijeme što dalje gledamo u daljinu.

Galaksije koje vidimo na velikim udaljenostima su mlađe od galaksija koje su nam blizu. To nam omogućava da promatramo galaksije tijekom njihove evolucije. Važno je uočiti da mi zapravo ne vidimo razvoj pojedine galaksije, ali možemo usporediti spirale galaksija koje su nam blizu sa spiralama galaksija koje su daleko od nas kako bi vidjeli kako se tipična spirala mijenjala tijekom vremena.

2.2 Evolucija galaksija

Fenomen pogleda u prošlost omogućuje nam da zapravo promotrimo evoluciju galaksija. Danas ne vidimo one iste galaksije, ali je moguće pratiti ponašanje tipova galaksija sa udaljenosti/vremenom.

Poznato je da su se galaksije formirale iz velikih oblaka plina u ranom Svemiru. Plin se sakupljao uslijed vlastite gravitacije i, u nekom trenutku, fragmenti plina su formirali elemente veličine klastera u kojima je započelo stvaranje zvijezda. To znači da očekujemo da udaljene galaksije (tj. mlade galaksije) prolaze kroz velik broj procesa formiranja zvijezda i proizvodnje užarenih zvijezda = plave zvijezde. Proučavanje ovog fenomena naziva se evolucijom boja.

Prijevod sa slike: Evolucija boja – udaljene galaksije su udaljenije s obzirom da gledamo dalje u prošlost i vidimo ih u ranijoj dobi, mlađe zvijezde = toplije zvijezde = plavije zvijezde.

Računalne simulacije također pokazuju da je epoha odmah nakon nastanka galaksija bila ispunjena brojnim susretima/sudarima mladih galaksija. Galaksije koje prolaze blizu jedna druge mogu biti uhvaćene uslijed njihove međusobne gravitacije i spojiti se u jednu novu galaksiju. Uočite da ovo ne vrijedi u slučaju automobila, koji nakon kolizije nisu neka nova vrsta automobila, to je zbog toga što su galaksije sastavljene od mnogo zasebnih zvijezda, a ne od čvrstih djelova materije. Evolucija galaksija njihovim spajanjem i kolizijama naziva se brojevnom evolucijom (number evolution).

Prijevod sa slike: Brojevna evolucija – malene galaksije se spajaju u ranoj epohi kako bi formirale danas prisutne galaksije. Vidimo veći broj galaksija što gledamo dalje u prošlost.

Prema tome, naša slika evolucije galaksija, primjenjujući ove principe, izgleda na sljedeći način:

Prijevod sa slika:

• nakon 0-0.5 milijardi godina – u početku je prisutna veoma ravnomjerna raspodjela materije neposredno nakon Big-Bang-a (velikog praska), postepena gravitacija dijelova (clumps) sa većom masom zvijezda počinje privlačiti sve više materije,
• nakon 0.5-1 milijarde godina – nastaju velike nakupine povezivanjem manjih nakupina,
• nakon 1-2 milijarde godina – dolazi do dijeljenja na veličine poput naše galaksije, djelovi su dovoljno veliki da ih možemo vidjeti Hubble-ovim teleskopom,
• nakon 2-4 milijarde godina – pojavljuju se veliki nepravilni objekti koji nastaju uslijed kolizija i spajanja ovih sub-galaktičkih dijelova,
• nakon 4-13 milijardi godina – formiraju se galaksije kakve vidimo danas, i poprimaju svoj konačan oblik. Prvo se formiraju eliptične i spiralne galaksije sa populacijom starih crvenih galaksija u svojim središtima, a kasnije i spiralne galaksije koje nalikuju diskovima uslijed nakupljanja plinova iz svoje okoline.

Pojedini tipovi galaksija i danas još uvijek formiraju zvijezde (npr. spiralne i nepravilne galaksije). Ipak, prošlost je obilježena značajno većom stopom formiranja zvijezda nego što je ta prosječna stopa danas uslijed činjenice da je u prošlosti bilo značajno više oblaka plina. Galaksije, same po sebi, su nastale u prošlosti iz visokih, početnih stopa formiranje zvijezda.

Doba kvazara (quasars) također pripada vremenu formiranja prvih galaksija, dakle ova dva fenomena su povezana, prošlost je bila vrijeme brzih promjena i burne aktivnosti galaksija.

Opservacije (promatranja) Svemira koje nazivamo Dubokim Hubble-ovim poljem (Hubble Deep Field) pružaju nam slike nepravilnih (faint) galaksija i udaljenih galaksija u visokoj fazi crvenog pomaka (at high redshift) što potvrđuje, kvantitativno, naša predviđanja o načinu i količini formiranja zvijezda. Priroda nam na neki način pomaže pružajući nam slike udaljenih galaksija (by gravitational lensing), kao što je HST slika CL0024.

Zanimljivo je da, zapravo je lakše računalno simulirati evoluciju galaksija, nego koristiti simulacije kako bi odredili brojne kozmološke konstante, kao što je na primjer Hubble-ova konstanta ili geometrija Svemira. Područje proučavanja izvangalaktičkog područja je zapravo proces iteracija nad temeljnim konstantama u Svemiru i ponašanja galaksija tijekom vremena (zapravo evolucije galaksija).

2.3 Događaj stvaranja

Rasprava o porijeklu Svemira uzima kao pretpostavku da je zapravo postojao početak. Umjesto početka, Svemir možda prolazi kroz beskrajan broj ciklusa. Drevni kinezi su vjerovali da sve pojave slijede periodičnu strukturu (obrazac) koja je pokretana dvjema osnovnim silama, Jin i Jang.

Hinduski kozmološki sistem se sastojao od ciklusa neizmjerno velikog trajanja (jedan ciklus Brahme traje 311 trilijuna godina). Ciklične kozmologije, i sa njima vezan sudbonosan završetak, može se također pronaći u kulturama Babilona, Egipta i Maja.

Judeo-kršćanska tradicija je jedinstvana u pogledu vjerovanja da je Bog stvorio Svemir u jednom trenutku u prošlosti, te da događaji nakon toga slijede objašnjiv jednosmjeran slijed. Temelj ove filozofije jest da je Stvoritelj u potpunosti odvojen i nezavisan od Svoje kreacije (onog što je stvorio). Bog unosi red (sklad) u prethodno prisutan (iskonski ili početni) kaos.
Vjerovanje da je božansko (duhovno) stvorenje započelo Svemir, a zatim „stalo sa strane“ i promatra događaje koji su nakon toga slijedili, poznato je kao deizam (Klaić B. Daizam: učenje rašireno u 17. i 18. stoljeću (Locke, Voltaire, Rousseau) koje je dopuštalo postojanje Boga samo kao prauzroka svijeta i negiralo postojanje Boga kao ličnosti (teizam) i njegovo miješanje u život prirode i društva (čudesa i sl.), kada se deizam pojavio, on je u izvjesnoj mjeri potkopao crkvenu ideologiju; danas je jedno od sredstava obrane religije). U ovom slučaju Bog se smatra kreatorom Svemira. Za razliku od teizma, koje je vjerovanje u Boga koji je kreator (stvoritelj) Svemira i koji ostaje aktivno uključen u svakodnevnom pokretanju svijeta, posebno u slučaju pitanja ljudskih stvorenja. U panteizmu, ne postoji razdvajanje između Boga i fizičkog Svemira. Bog se poistovjećuje sa samom Prirodom: sve je dio Boga i Bog je sve.

Čin Stvaranja implicira da je sve nastalo iz ničega (creation ex nihilo) jer ukoliko je postojalo nešto prije Stvaranja, tada trebamo to prethodno Stvaranje kako bi objasnili to nešto. Bog je postojao prije Stvaranja, i ovakva definicija nije ograničena u smislu mogućnosti objašnjenja pred-postojeće materije ili pred-postojećih zakona fizike (ona ih može „objasniti“). Zapravo, najznačajnija (najočitija) razlika između Stvoritelja i Svemira koji je stvoren jest da je Stvoritelj vječan, a da je stvoreni Svemir imao početak.

2.4 Užareni Veliki prasak

Otkriće Svemira koji se širi implicira nešto očito, da je Svemir morao imati inicijalnu početnu točku (trenutak), alfa točku ili Stvaranje. Drugim riječima, postojala je točka (trenutak) u prošlosti kada je radijus Svemira iznosio nula. S obzirom da je sva materija u Svemiru morala biti koncentrirana u malenom području, zajedno sa svom energijom, ovaj trenutak Stvaranja nazivamo Big Bang ili Veliki prasak.

Uobičajeno pitanje koje se postavlje kada razmatramo točku Svaranja je „Što je bilo prije Big Bang-a?“. Ova vrsta pitanja nema smisla s obzirom da je vrijeme stvoreno u Big Bang-u. To je slično kao da pitamo „Što je sjeverno od Sjevernog pola?“. Ovakvo pitanje se samo po sebi ne može postavitina na smislen način.

Teorija Big Bang-a je potkrijepljena brojnim promatranjima i, neovisno o detaljima u našim konačnim teorijama o Svemiru, ostaje osnovni element (jezgra) našeg razumijevanja prošlosti. Vežno je uočiti da alfa točka (trenutak) implicira dvije stvari:
1. Svemir ima konačnu starost (oko 15 milijardi godina) i
2. Svemir ima konačnu veličinu (on se širi konačnom brzinom u konačnom vremenu).

3 Geometrija Svemira

3.1 Geometrija Svemira

Da li Svemir može biti konačno velik? I ako je tome tako, što je „izvan“ Svemira? Odgovor na oba ova pitanja uključuje raspravu o intrinsičnoj (unutrašnjoj ili svojstvenoj) geometriji Svemira.

Postoje u osnovi tri moguća oblika Svemira; ravni Svemir (Euklidski ili Svemir bez krivulje), sferni ili zatvoreni Svemir (pozitivna zakrivljenost) i hiperbolni Svemir ili otvoreni Svemir (negativna zakrivljenost). Može se uočiti da je ova zakrivljenost jednaka zakrivljenosti prostora i vremena koja nastaje uslijed mase zvijezda osim uz razliku što u ovom slučaju čitava masa Svemira određuje zakrivljenost. Dakle velika masa Svemira ima pozitivnu zakrivljenost, mala masa Svemira ima negativnu zakrivljenost.

Sve tri geometrije su klase onog što nazivamo Riemann-ove geometrije koja se temelji na tri moguća stanja paralelnih linija:
• linije koje se nikada ne sastaju (ravna ili Euklidova),
• linije koje se moraju susresti (sferna),
• uvijek divergentna, linije koje se uvijek razmimoilaze tj. udaljavaju (hiperbolni),

ili je moguće razmišljati o trokutima kod kojih u slučaju ravnog Svemira suma kutova iznosi 180o stupnjeva, u slučaju zatvorenog Svemira suma kutova mora biti veća od 180o, a u slučaju otvorenog Svemira suma mora biti manja od 180o.
Standardna (uobičajena) kozmološka promatranja ne govore ništa o tome kako se ova tri oblika međusobno uklapaju kako bi Svemiru dala njegov ukupan oblik – njegovu topologiju. Tri moguće prihvatljive geometrije Svemira su u skladu sa brojnim drugim topologijama. Na primjer, teorija relativnosti bi opisala Svemir u oblika torusa i Svemir u obliku ravnine istim relacijama, iako je torus konačan, a ravnina beskonačna. Određivanja topologije Svemira zahtjeva poznavanje fizike i iznad teorije relativnosti.

Poput hodnika ispunjenog ogledalima, prividno beskonačan Svemir nas možda i obmanjuje. Svemir bi, zapravo, mogao biti i konačan. Iluzija beskonačnosti mogla bi nastajati uslijed zavijenosti (zakrivljenosti) svjetlosti oko prostora, možda i višestruko – stvarajući tako višestruke slike svake pojedine galaksije. Kutija ispunjena ogledalima potiče nas na zamišljanje konačnog Svemira koji izgleda beskonačan. Kutija se sastoji od samo tri kugle, ali ogledala koja se nalaze na njenim stjenkama proizvode beskonačan broj slika. Dakako, u stvarnom Svemiru ne postoje granice od kojih bi se svjetlost reflektirala. Umjesto toga multipliciranje slika moglo bi nastajati uslijed zavijanja zraka svjetlosti iznova i iznova oko Svemira. Iz strukture ponovljenih slika, bilo bi moguće utvrditi stvarnu veličinu i oblik Svemira.

Topologija nam pokazuje da ravan dio prostorvremena može biti omotan u torus čiji se krajevi spajaju. Na sličan način, ravan komad papira se može zaviti tako da formira Moebius-ovu traku (vrpcu).

3D verziju Moebuis-ove trake nazivamo Klein-ovom bocom, u kojoj je prostorvrijeme zavijeno na takav način da ne postoji unutra niti vani, već samo jedna strana (površina).

Uobičajena pretpostavka je ona o Svemiru u obliku ravnine, „jednostavno povezan Svemir“, što znači da postoji samo jedan direktan put kojim svjetlost može putovati od neke površine do promatrača. Jednostavno povezan Euklidov ili hiperbolni Svemir bi uistinu bio beskonačan. Ali umjesto toga Svemir može biti „višestruko povezan“, poput torusa, u tom slučaju postoji velik broj takvih različitih puteva. Promatrač bi u tom slučaju vidio višestruke slike svake pojedine galaksije i mogao bi ih vrlo lako krivo interpretirati kao različite galaksije beskrajnog Svemira, slično kao što i promatrač u prostoriji ispunjenoj ogledalima ima iluziju gomile ljudi oko sebe.

Jedna od mogućih konačnih geometrija Svemira je prostor u obliku američke krafne (donutspace) poznat kao Euklidov torus-2, radi se o ravnom (plosnatom) četverokutu čije suprotne strane su povezane. Sve što prelazi preko jednog ruba ponovno ulazi na suprotnom rubu. Iako ovakva površina ne može postojati u trodimenzionalnom prostoru, izobličenu verziju je moguće napraviti omatanjem zajedno vrha i dna i zatim oblikovanjem prstena od tako dobivenog cilindra. Za promatrača u crveno obojanoj galaksiji, prostor se čini beskonačan jer linija promatranja nikada ne prestaje. Svjetlost iz žute galaksije ga može dosegnuti iz nekoliko različitih smjerova, pa zbog toga je moguće da promatrač vidi više od jedne slike jedne iste galaksije. Euklidov torus-3 je izgrađen iz kocke, a ne od četverokuta.

Konačan hiperbolni prostor se formira iz osmerokuta čije suprotne strane su međusobno povezane, na taj način bilo što što prijeđe jedan rub ponovno se pojavljuje na suprotnom rubu. Topološki, osmerokutni prostor je ekvivalentan prostoru koji dobivamo ako zamislimo dva šuplja spojena peciva (oblika torusa). Promatrač koji bi se nalazio na površini vidio bi beskonačanu osmerokutnu rešetku (grid) galaksija. Takvu rešetku možemo nacrtati jedino na hiperbolnom cjevovod (manifold) – čudnoj zakrivljenoj površini na kojoj svaka točka ima geometriju sedla.

Važno je zapamtiti da su sve gore prikazane slike 2D prikaz 4D prostora, nemoguće je nacrtati geometriju Svemira na komadu papira (iako dolazimo veoma blizu sa oblikom hiperkocke), moguće ga je jedino opisati matemetički. Svi mogući oblici Svemira su konačni s obzirom da imaju konačnu starost, pa zbog toga i ograničen horizont. Geometrija može biti ravna ili otvorena, i zbog toga beskonačna u smislu moguće veličine (nastavlja rasti zauvijek), ali količina mase i vrijeme u našem Svemiru su konačni.

3.2 Gustoća Svemira

Opisi različitih mogućih geometrija Svemira (otvoren, zatvoren, ravan) se također odnose na njihove budućnosti.

Postoje dvije moguće budućnosti našeg Svemira, kontinuirana ekspanzija (otvoren i ravan), zaokret i kolaps (zatvoren). Uočite da je ravan Svemir samo specijalan slučaj ekspanzije do brzine nula.

Prijevod sa slike: Otvoreni Svemir se širi beskonačno jer ne sadrži dovoljno mase, i zbog toga nema niti dovoljnu gravitaciju koja bi usporila ekspanziju prostora. Zatvoreni Svemir sadrži dovoljno mase da zaustavi ekspanziju, i konačno se uruši. Svemir sa „kritičnom gustoćom“ materije je upravo na granici između ove dvije alternative, i širi se sa beskonačno-usporavajućom stopom.

Ključan faktor koji određuje koja je povijest ispravna je omjer masa/gravitacija Svemira u cijelini. Ukoliko postoji prisustvo dovoljne mase, tada će se širenje Svemira usporavati sve do točke zaustavljanja, zatim će se početi uvlačiti sve do kolapsa (sažimanja). Ukoliko nema prisustva dovoljne količine mase, tada će se Svemir nastaviti širiti zauvijek bez zaustavljanja. Ravni Svemir je upravo onaj kod kojeg postoji točno ravnoteža mase da uspori ekspanziju Svemira na nulu, ali da ne dođe do sažimanja (kolapsa).

Parametar koji se koristi za mjerenje mase Svemira je kritična gustoća, Omega. Omega se obično izražava kao omjer srednje gustoće dobivene promatranjem i gustoće ravnog Svemira.

Sudbina ekspanzije Svemira je određena količinom mase u Svemiru, ili srednjom gustoćom materije, ρ. Ravan Svemir je zadan kritičnom gustoćom, ρc. Ω je definirana kao omjer gustoće dobivene promatranjem, ρc i kritične gustoće, ρ tako da je:

Naše trenutne opservacije Svemira ukazuju da je Ω negdje između 0.1 i 0.3, ali postoje ozbiljni teoretski razlozi zbog kojih sumnjamo da je Ω jednaka upravo 1.

Uzimajući u obzir sve vrijednosti u rasponu za srednju gustoću Svemira, dolazimo do toga da je ona neobično blizu gustoći ravnog Svemira. Sve naše teorije o ranom Svemiru (vidi inflacija) snažno ukazuju da vrijednost Omega treba biti upravo jednaka jedinici. Ako je to tako naša mjerenja gustoće dobivena mjerenjima galaksija ili njihove dinamike su uvelike pogrešna i ostaju jedan od temeljnih problema za moderne astrofizičare.

3.3 Kozmološka konstanta

Veličina, starost i sudbina Svemira su određene dvjema konstantama, a to su Hubble-ova konstanta (Ho) koja mjeri stopu ekspanzije Svemira i mjera gustoće Ωo, gdje „o“ ukazuje na (to kolike su) ove vrijednosti danas (u ovom trenutku).

Ho određuje veličinu i starost Svemira, na način da je udaljenost do galaksija određena brzinom njihovog udaljavanja koja se podjeli sa Ho, a starost Svemira se dobije jednostavno tako da podjelimo veličinu Svemira sa stopom ekspanzije (širenja) ili 1/Ho.

Ωo se mjeri utvrđivanjem gustoće lokalne mase iz gravitacijskih sila između galaksija i klastera galaksija.

Mjerenje ovih konstanti zauzima najveći dio vremena teleskopa preko svih valnih dužina. Obje konstante ostaju neizvjesne oko 30%; međutim, unutar ovog desetljeća možemo očekivati mjerenja veoma velike pouzdanosti zahvaljujući Hubble Space teleskopu (Hubble Space telescope) i Keck-ovih blizancima (Keck twins).

Prijevod sa slike: Hubble-ovo duboko polje (The Hubble Deep Field) je razotkrilo mnoge slabije (fainter) objekte od onih koje je bilo moguće vidjeti ranijim teleskopima koji su smješteni na Zemlji. Moguće je da su neki od ovih blijedih objekata uzduž Hubble-ove linije promatranja intrinsično slabije galaksije (bljeđe), koje pripadaju prednjem planu promatranja. Druge, međutim, su bljeđe uslijed činjenice da su ekstremno udaljene. Neke od slabijih (bljeđih) galaksija koje je moguće vidjeti postojale su kada je Svemir bio star samo djelić svoje trenutne starosti.

PROČITAJ / PREUZMI I DRUGE SEMINARSKE RADOVE IZ OBLASTI:

Skala veličina

1.1 Hubbleov zakon