Zlata doba kozmologije

Od kod smo prišli in kam gremo, pa naj se vprašanje nanaša na vesolje ali na človeštvo, že od pamtiveka vznemirja ljudi in še danes, kljub ogromnemu napredku znanosti, ostaja brez dokončnega odgovora. Znanje, ki ga imamo o vesolju, je po količini podobno zrncem sladkorja v skodelici kave, je ob objavi odločitve o letošnji Nobelovi nagradi za fiziko slikovito opisal član Nobelovega odbora profesor Ulf Danielsson. 

»Kava v tej skodelici predstavlja temno energijo v našem vesolju, za katero vemo, da obstaja, a o njej ne vemo prav nič; nekaj kapljic smetane ali mleka v kavi predstavlja temno snov, o kateri prav tako ne vemo nič, vemo pa, da obstaja. In le nekaj zrnc sladkorja, dodanega kavi, kaže materijo, ki jo bolj ali manj poznamo.«

Ker nekateri pijejo črno kavo in številni tudi brez sladkorja, prenesimo to prispodobo v odstotke: kar 95 odstotkov našega vesolja sestavljata temna energija (ta zavzema glavnino) in temna snov (manjši del) in le pet odstotkov je materije, ki sestavlja zvezde, planete in celo nas same, o kateri več vemo, jo bolj ali manj vidimo in je sploh dostopna našemu umu in torej predstavljiva večini ljudi. 

Slika: Dr. Michel Mayor in dr. Didier Queloz sta spoznanja, ki jih je omogočilo Peeblesovo raziskovanje, zelo konkretizirala: oktobra 1995 sta javnost obvestila o prvem odkritju planeta zunaj našega Osončja, torej eksoplaneta, ki kroži okoli Soncu podobne zvezde

Kljub skrivnostnosti in neoprijemljivosti in nedojemljivosti temne energije in temne snovi pa ju znanstveniki poskušajo spoznati. S teoretiziranjem in tudi z raznimi metodami so njun obstoj že sposobni ugotoviti, ne vedo pa, kaj sploh sta. 

Spremenili naš pogled na vesolje

Veliko je k našemu očitno še vedno zelo skromnemu poznavanju vesolja prispeval prav Nobelov nagrajenec, 85-letni James Peebles, profesor na Univerzi Princeton v ZDA. Njegovi vpogledi v fizikalno kozmologijo so obogatili celotno področje in vzpostavili temelje za preobrazbo kozmologije v zadnjega pol stoletja od filozofskih domnev do proučevanja z metodami fizikalne znanosti. 

Njegov teoretični okvir, ki ga je razvijal od srede šestdesetih let preteklega stoletja, je osnova današnjih predstav o vesolju. Z uporabo svojih teoretičnih orodij in izračunov je razkrival sledi iz prvih začetkov vesolja po velikem poku pred 14 milijardami let in odkrival nove fizikalne procese. 

Rezultati njegovega dela so pokazali vesolje, v katerem poznamo le pet odstotkov njegove vsebine (materijo, ki sestavlja zvezde, planete in tudi nas same), preostalih 95 odstotkov pa sta v skrivnost zaviti neznani temna energija in temna snov, ki ostajata velik izziv sodobne fizike.

Druga dva prejemnika letošnje Nobelove nagrade za fiziko, profesor astronomije na Univerzi v Ženevi dr. Michel Mayor in dr. Didier Queloz, profesor astrofizike na isti univerzi, sta spoznanja, ki jih je omogočilo Peeblesovo raziskovanje, zelo konkretizirala: oktobra 1995 sta javnost obvestila o prvem odkritju planeta zunaj našega Osončja, torej eksoplaneta, ki kroži okoli Soncu podobne zvezde v naši galaksiji. 

Planet, ki sta ga imenovala 51 Pegasi b, je plinast in po velikosti podoben planetu Jupiter v našem Osončju, le s to razliko, da je tako blizu zvezde, da jo obkroži v nekaj dneh in je seveda temu primerno vroč. 

Obstoja takšnega planeta si takrat astronomi niso predstavljali in prav tako drugih planetarnih sistemov ne, še zlasti ne tako zelo drugačnih od našega Osončja. Njuno odkritje je hkrati z odkritji Jamesa Peeblesa zato sprožilo revolucijo v astronomiji in za vedno spremenilo naše predstave o svetu.  

Kozmologija velikega poka

Zadnjega pol stoletja je mogoče brez pretiravanja označiti za zlato dobo kozmologije, vede o izvoru in evoluciji vesolja. Vzpostavile so se razmere, da se je razvila v pravo znanost, glavni dejavnik te transformacije pa je bilo prav delo letošnjega Nobelovega nagrajenca Jamesa Peeblesa. 

Njegova prva knjiga Fizikalna kozmologija, ki je izšla leta 1971, je spodbudila novo generacijo fizikov k raziskavam vesolja, ki so se od oblikovanja teorij preusmerile tudi v opazovanje in meritve. Kozmologijo so osvobodile verskih in drugih konceptov, ki jih je ustvaril človekov um brez rigoroza znanosti. Odtlej naj bi samo znanost in nič drugega odgovorila na večna vprašanja o našem izvoru in namenu našega vesolja in nas samih. 

Zgodba o vesolju kot znanstvena zgodba o evoluciji vesolja se je pojavila šele v zadnjih sto letih. Pred tem je vesolje veljalo kot nekaj statičnega in večnega. Šele v dvajsetih letih prejšnjega stoletja so astronomi odkrili, da se galaksije oddaljujejo druga od druge in da torej vesolje raste in se širi. Danes vemo, da se današnje vesolje razlikuje od včerajšnjega in da bo jutri drugačno od današnjega. 

Nadležen hrup je bil odmev pradavnega poka

Širjenje vesolja pomeni, da je vesolje bilo nekoč veliko bolj gosto in bolj vroče. Sredi prejšnjega stoletja smo njegovo rojstvo označili kot veliki pok. Nihče ne ve, kaj se je na tem samem začetku zgodilo, toda astronomom je znano, da je bilo to zgodnje vesolje gosta neprosojna gošča delcev, v kateri so se svetlobni delci, fotoni, komajda  sukali sem in tja. 

Trajalo je skoraj 400.000 let, da se je med širjenjem ta prvobitna gošča ohladila na nekaj tisoč stopinj Celzija. Prvobitni delci so se tedaj lahko začeli kombinirati in sestavljati v prozorne pline, ki so bili v glavnem iz vodikovih in helijevih atomov. Fotoni so se lahko začeli svobodno gibati in svetloba je lahko odšla na pot skozi vesolje.

Ti prvi žarki še danes potujejo skozi vesolje. Širjenje vesolja je raztegnilo vidne svetlobne valove  tako, da so zdaj v obsegu nevidnih mikrovalov z valovno dolžino nekaj milimetrov. Sij prvega trenutka vesolja sta dva ameriška radio astronoma, poznejša nobelovca iz leta 1978, Arno Penzias in Robet Wilson, leta 1964 ujela po naključju. 

Nikakor se nista mogla znebiti konstantnega »hrupa«, ki ga je njuna antena nehote lovila od nekod iz vesolja. V Peeblesovih člankih, kjer je podal teoretične izračune vseprisotnega sevanja v ozadju, sta preverjala, kaj bi to utegnilo biti, in ugotovila sta, da je njuna antena ujela nič drugega kot prav to pradavno sevanje svetlobe. Po skoraj  štirinajstih milijardah let se je temperatura sevanja znižala do skoraj absolutne ničle (-273 stopinje Celzija).

Do preboja v poznavanju vesolja pa je prišlo, ko je Peebles spoznal, da bi temperatura sevanja lahko nakazala, koliko materije je bilo ustvarjene med velikim pokom. In ne le to. Spoznal je, da je svetloba, ki je pri tem nastala, igrala odločilno vlogo pri količini materije, ki se je pozneje združila v galaksije in v skupke galaksij, ki jih danes vidimo v vesolju.

Odkritje mikrovalovnega sevanja je že bilo del novega obdobja moderne kozmologije. Pradavno sevanje iz samega začetka vesolja je postalo zakladnica, v kateri so odgovori na skoraj vsa vprašanja kozmologov. Kako staro je vesolje? Kakšna je njegova usoda? Koliko materije in koliko energije vsebuje? Znanstveniki v sedanjem odsevu pradavnega sija danes odkrivajo sledi čisto prvih trenutkov obstoja vesolja, v drobnih variacijah, ki se širijo kot valovi skozi prvobitno goščo. Brez teh majhnih variacij bi se vesolje iz vroče ognjene krogle ohladilo v hladno, enotno praznino. 

No, danes vemo, da se to ni zgodilo. Vesolje je polno galaksij, ki so pogosto združene v grozde. Sevanje ozadja je gladko, kot je gladka gladina morja, valovanje je vidno od blizu, nihanja razkrivajo variacijo iz zgodnjega vesolja. James Peebles je vztrajno proučeval in razkrival te fosilne sledi iz najzgodnejšega obdobja vesolja. S presenetljivo natančnostjo so tako kozmologi lahko predvideli različna sevanja ozadja in pokazali, kako vplivajo na materijo in na energijo v vesolju. 

Prvi večji opazovalni preboj se je zgodil aprila 1992, ko so glavni raziskovalci ameriškega satelitskega projekta COBE predstavili sliko prvih žarkov svetlobe v vesolju – pozneje, leta 2006, sta za ta dognanja John Mather in George Smoot dobila Nobelovo nagrado za fiziko. Podobo mladega vesolja sta postopoma dopolnila ameriški satelit WMAP in evropski satelit Planck. 

Natančno tako, kot so predvidevali, je temperatura sevanja ozadja variirala le za eno stotinko tisočinke stopinje. Čedalje bolj natančne metode in naprave so potrdile teoretične izračune materije in energije, ki ju vsebuje vesolje, a večina, kar 95 odstotkov, nam je nevidna.

Temna snov in temna energija – največji skrivnosti kozmologije

Že od tridesetih let prejšnjega stoletja vemo, da to, kar vidimo, ni vse, kar obstaja. Meritve rotacijskih hitrosti galaksij so nakazale, da se držijo skupaj zaradi gravitacije iz nevidne snovi, sicer bi jih razneslo. Prav tako je bilo dognano, da ima ta temna snov pomembno vlogo pri izvoru galaksij, dolgo preden je prvobitna juha sprostila fotone. A sestava temne snovi ostaja ena največjih skrivnosti kozmologije.

Znanstveniki so dolgo verjeli, da bi že znani nevtrini lahko sestavljali to temno snov. Toda nepredstavljivo veliko nevtrinov z nizko maso, ki s hitrostjo, skoraj enako svetlobni, prečkajo  vesolje, so veliko prehitri, da bi lahko pomagali držati snov skupaj. James Peebles je leta 1982 izračunal, da bi lahko to delo namesto nevtrinov opravili težki in počasni delci hladne temne snovi. Toda danes te neznane delce hladne temne snovi, ki se izogibajo interakciji z že znano snovjo in sestavljajo 26 odstotkov vesolja, še vedno zaman iščemo.

Skupaj z običajno materijo, ki je je v vesolju pet odstotkov, je običajne in temne materije 31 odstotkov, preostalih 69 odstotkov pa je temne energije, ki je prav tako še vedno zavita v skrivnost. Kje je, kakšna je?

James Peebles je tudi za to uganko predlagal radikalno rešitev. Leta 1984 je oživel Einsteinovo kozmološko konstanto, ki označuje energijo praznega prostora. Poimenovali so jo temna energija in zapolnjuje 69 odstotkov vesolja. Skupaj s hladno temno snovjo in navadno snovjo je je dovolj, da podpre idejo t. i. ravnega vesolja. 

Temna energija je kar 14 let ostala zgolj teorija, dokler niso leta 1998 odkrili pospeševanja širjenja vesolja – za to odkritje so Saul Perlmutter, Brian Schmidt in Adam Riess leta 2011 dobili Nobelovo nagrado za fiziko. Vzrok za pospešeno širjenje vesolja mora biti v čem drugem in ne v  materiji. Domnevali so, da širjenje pospešuje neznana temna energija. In takrat je ta teoretični dodatek, kozmološka konstanta, ki jo je Einstein zavrgel, postal resničnost, ki jo je bilo mogoče opazovati na nebu. 

Tako temna snov kot temna energija sta zdaj med največjimi skrivnostmi v kozmologiji. Astronomom je zaznaven le  vpliv, ki ga imata na okolico – ena vleče, druga pritiska – sicer pa sta ostali popolni neznanki. Katere skrivnosti se skrivajo na tej temni strani vesolja? Kakšna nova fizika se skriva za neznanim? Kaj bomo še odkrili v svojih poskusih reševanja skrivnosti vesolja?

Odkrili planet okoli zvezde zunaj Osončja

Medtem ko so ta vprašanja burila in še burijo duhove, pa sta se druga dva letošnja Nobelova nagrajenca za fiziko, Michel Mayor in Didier Queloz, oba z Univerze v Ženevi, lotila raziskovanja naše galaksije. Bi lahko kje našli kaj podobnega nam? Takrat je veljalo, da ima edino naše Sonce svoje planete, ki krožijo okoli njega, naša Zemlja je na ravno pravi razdalji, da so se na njej lahko ustvarile razmere za življenje. Bi se to lahko zgodilo še kje v širnem vesolju? 

Po zaslugi  Michela Mayorja in Didierja Queloza, ki sta zaorala ledino v iskanju drugih planetov in oktobra 1995 poročala o odkritju prvega planeta zunaj našega Osončja, smo izvedeli, da naše Sonce ni edina zvezda, okoli katere krožijo planeti. Nasprotno, okoli  večine od nekaj sto milijard zvezd v naši galaksiji zelo  verjetno  krožijo planeti.  

Prvi odkriti eksoplanet, to je planet zunaj našega Osončja, sta poimenovala 51 Pegasi b. Njegovo odkritje je presenetilo vse, ne zgolj zato, ker je pokazalo, da tudi okoli drugih zvezd krožijo planeti, marveč tudi zato, ker je bil tako zelo drugačen od naših predstav, kakšni so lahko planetarni sistemi in planeti v njem. Ta prvo odkriti eksoplanet je bil nadvse nenavaden. Velik kot Jupiter, ki je močno oddaljen od Sonca in porabi dvanajst let, da ga obkroži, ta novo odkriti planet obkroži svojo zvezdo v zgolj štirih dneh. Ker je tako blizu nje, je strašansko vroč in v plinastem stanju. 

Njuno odkritje je sprožilo revolucijo v astronomiji in pravo mrzlico iskanja novih eksoplanetov. Od tedaj so jih v naši galaksiji odkrili že več kot 4000. Z njimi so se nam odprli neznani in nenavadni svetovi v nešteto oblikah, velikostih in krožnicah. Ovrgli so številna od naših dotedanjih prepričanj o vesolju in planetih v njem in o fizikalnih procesih, ki so v ozadju nastajanja planetov.

Bomo odkrili, da nismo sami? 

Nove planetarne sisteme zdaj ne odkrivajo le teleskopi na Zemlji, temveč tudi sateliti. TESS, ameriški vesoljski teleskop, trenutno pregleduje več kot 200.000 najbližjih zvezd, ki lovijo planete, podobne Zemlji. Pred tem je vesoljski teleskop Kepler našel več kot 2300 eksoplanetov. Iskanje novih planetov je tako intenzivno, da se kaj lahko zgodi, da bomo morda le našli odgovor na večno vprašanje, ali v šinem vesolju še obstaja življenje. »Lahko ugotovimo, da obstaja nekaj, kar bi lahko imenovali življenje,« je v kratkem improviziranem intervjuju po telefonu z novinarji na novinarski konferenci izjavil James Peebles in dodal: »A prepričan sem, da tega življenja ljudje nikoli ne bomo videli.«

Letošnji Nobelovi nagrajenci za fiziko so spremenili naše predstave o kozmosu, je v obrazložitvi objave nagrade navedel Nobelov odbor. Medtem ko so teoretična odkritja Jamesa Peeblesa prispevala k našemu razumevanju, kako se je vesolje razvijalo po velikem poku, sta Michel Mayor in Didier Queloz na lovu za neznanimi planeti raziskovala naše kozmične soseske. Njihova odkritja so naše predstave o vesolju za vedno spremenila. 

Članek je bil objavljen v reviji Gea (november 2019)

Več o reviji Gea >