Kako su nastale zvezde

Pokušavajući da savlada nestrpljenje, Ričard Elis je koračao s jednog na drugi kraj omalene prostorije čiji su zidovi prekriveni računarskim terminalima. Ovaj astronom, poreklom Britanac, dobio je jednu jedinu noć za korišćenje jednog od dva teleskopa poznata kao Kek. Svaki od njih računa se u najmoćnije svetske teleskope. Protekle noći, Elis i njegov doktorand i saradnik, Den Stark, preleteli su oko 5 000 kilometara, od Južne Kalifornije do Havaja gde su locirana oba Keka. Tokom popodneva i najvećeg dela večeri pravili su definitivan plan za “putovanje”, kako astronomi nazivaju noć u kojoj gledaju u nebo. Ali stvari se ne odvijaju kako treba. Nije u pitanju vreme, koje nekad hoće da izludi čitače zvezda. Ovde u Viamieji, pospanom i malom mestu koje se ugnezdilo usred stočarske pokrajine na havajskom Velikom ostrvu i koje je sedište oba teleskopa, gusti oblaci promiču nisko i vlaže travnate visoravni. Ali teleskopi su udaljeni skoro 50 kilometara i na vrhu su ugašenog vulkana Mauna Kea. Na nadmorskoj visini od preko 3 200 metara, opservatorija je znatno iznad oblaka, a video-kamere neprekidno šalju slike oblačnosti, dole do kontrolnog centra u Viamieji. Problem pravi Kek 2, koji je dodeljen Elisu i Starku za ovu noć, jer tvrdoglavo odbija sve komande za fokusiranje. Profesionalni rukovalac koji sedi u prostoriji i komanduje mamutskim teleskopom, na svaki pokušaj fokusiranja, što je rutina, ne dobija nikakav odgovor. Dok inženjeri više od pola sata pokušavaju da shvate u čemu je problem, prvi nebeski objekt koji je trebalo da se nađe u Elisovoj i Starkovoj žiži posmatranja, nepovratno nestaje prema horizontu. Nijedan astronom ne voli da izgubi dodeljenu noć za osmatranje, bez obzira da li bi to bio običan Jupiterov mesec ili neki egzotični kvazar na pola svog puta kroz kosmos. Elis ima mnogo više razloge za očajanje jer namerava da traži nešto što je mnogo nestalnije od nekog kvazara. Trebalo bi da dođe do nečega što mnogi astronomi smatraju skoro nemogućim. To je najudaljenija ikad viđena galaksija. Ona možda nije poslednja, ali samo zamalo. Dosadašnji rekord udaljenosti na kojoj je viđena galaksija drži druga gigantska opservatorija na Mauna Kei i njen japanski teleskop Subaru. Svetlost sa te galaksije krenula je prema Zemlji pre oko milijardu godina posle Velikog praska. Ali, Elis i Stark pretpostavljaju da su pronašli ne jednu, već šest galaksija koje su još starije za još nekih pola milijarde godina. Noćašnje putovanje bi trebalo da o ovome donese potvrdu. Ovakvo otkriće dalo bi Elisu pravo da vodi glavnu reč na astronomskim konferencijama koje će se održavati narednih godina, a Stark bi svoju doktorsku disertaciju završio na najuspešniji način. Ali, najvažnije što bi ovo otkriće omogućilo astrofizičarima jeste prvi realni pogled u ključnu i misterioznu eru kosmičke evolucije. Taj period poznat kao Doba tame, trajao je 200 miliona godina, možda nešto manje ili više, a nastao je odmah pošto je blesak Velikog praska počeo da bledi i da se postepeno javlja prvo rumenilo zvezda sličnih suncu. Ono što se dogodilo za vreme Velikog praska, bila je priprema za sve ono što danas vidimo u kosmosu sa milijardama zadivljujućih galaksija i svim onim što se nalazi u njima – svetlucavi oblaci gasova, plamteće zvezde, male planete i mamutski velike crne rupe. Kad su nastala Doba tame, kosmos je bio bezoblično more čestica. Na kraju ovih doba, tek nekoliko stotina miliona godina kasnije, svemir je bio osvetljen mladim zvezdama skupljenim u novorođene galaksije. Tokom Doba tame, hemijski elementi koje svi dobro znamo – ugljenik, kiseonik, azot i mnogi drugi – nastali su iz primordijalnog vodonika i helijuma. Doba tame su periodi u kojima su se organizovale supergrupe velikih struktura modernog univerzuma i u kojima su hiljade galaksija, pružajući se kroz milione svetlosnih godina, počele da se postepeno okupljaju. ReŠavanje misterije: Za sada, ni najmoćniji teleskopi nisu mogli da prodru u eru tame. “Imamo foto-album vasione”, kaže Avi Leb, teoretičar astrofizike sa Harvarda, “ali, nedostaju nam neke stranice; to je – kao da imate sliku deteta, a onda i tinejyera, ali bez ijedne slike između”. Celovit odgovor na mnoga pitanja doći će pojavom nove generacije teleskopa, što se očekuje u sledećih deset godina. U astronomiji, veličina teleskopa igra značajnu ulogu, naročito za osmatranje udaljenih objekata. Što veći teleskop, to se više prikupi slabašne svetlosti sa dalekih galaksija – slično bazenu za plivanje u koji padne više kiše nego u neku malu posudu. Zbog toga, astronomi s nestrpljenjem čekaju pojavu zemaljskih monstrum-teleskopa koji prihvataju 10 puta više svetlosti nego Kek 1 i Kek 2, zatim vasionske teleskope, jače i 10 puta od čuvenog Habla kao i nekoliko radio-teleskopa sa dosad nezamislivom svetlosnom senzitivnošću. U međuvremenu, korišćenjem osnovnih fizičkih zakona, složenih kompjuterskih simulacija i izazovnih ali i nepouzdanih podataka, koji stižu sa postojećih teleskopa, astronomi su sastavili prihvatljiv scenario o događajima koji su se morali odigrati tokom Doba tame. Prva od naznaka došla je od o bleska svetlosti kroz celu vasionu, koji je trajao skoro pola miliona godina posle Velikog praska. Pre nego što se dogodio blesak, shodno naširoko prihvaćenom “standardnom modelu” kosmologije, ceo kosmos je nastao bubrenjem jedne materijalne čestice, manje od protona, koja je u nemerljivo kratkom vremenu narasla do veličine jabuke, a onda je inflacijom kosmos narastao kao balon, zauzevši prostor nešto veći od 160 miliona kilometara u prečniku. Ogromna koncentracija materije i njena temperatura nisu dozvoljavale spajanje subatomskih čestica u atome, već su ih razarale razbacujući materijal naokolo, tako da zbog gustine rasturenih čestica svetlost nije mogla da se širi u polje, niti da putuje, već je odmah bila apsorbovana. Naokolo se ništa nije videlo osim briljantnog bleska svetlosti. Kako se vasiona širila, tako se i hladila, što je omogućilo stvaranje atoma i sijanje svetlosti kroz otvoreni prostor. Slučajno otkriće ove svetlosti 1960. godine, ubedilo je astronome da je Veliki prasak bio realan događaj, a ne astronomska teorija. Ta prva identifikacija ostataka Velikog praska bila je gruba, ali je niz složenijih instrumenata, kulminirajući Vilkinsonovom mikrotalasnom anizotropnom sondom, tj. satelitom, kasnije prikazao strukturu kosmosa u ranoj mladosti, od 400 hiljada godina, što su milijarditi delovi sekunde u poređenju sa njegovom sadašnjom starosti. To je bila slika vasione kao bebe. U tom dobu, vasiona je bila jednostavno mesto. “Početno stanje kosmosa može se sažeti”, kaže Leb, “na jednom listu papira”. Neki njegovi regioni bili su sa nešto gušćom materijom od proseka, dok su drugi bili siromašnijeg sastava. Najviše kosmičkog prostora zauzimala je, kao i danas, crna materija, koja još nije identifikovana, iako je njeno postojanje dokazano matematičkim i astrofizičkim proračunima. Razlog tome je odsustvo svetlosti, koja se ni u kakvoj formi ne proizvodi u crnoj materiji. Ostatak kosmosa činio je vodonik sa nešto helijuma, koji je bio izmešan s njim. Kako su stvari izgledale, kosmos i nije bio nešto naročito. Prve zvezde: Na početku Doba tame nije bilo galaksija, zvezda niti planeta, a i da ih je bilo, danas ih ne bismo mogli pronaći. Razlog su vodonični oblaci, skoro neprozirni za vidljivu svetlost, tako da se običnim teleskopom nikad neće videti šta se događalo u tim tamnim dubinama. Ipak, materija koja je začeta iz bezobličnog mora individualnih čestica i, kasnije, atoma, transformisala se u nešto što je složenije. Zbog toga je još 1990. godine astrofizičar Leb nagovarao teoretičare da načine veliki iskorak i da uz pomoć kompjuterske simulacije i dedukcije dođu do načina kojim su nastale prve zvezde. Plan se sastojao u digitalnom stvaranju mlade vasione, ubacivanju odgovarajućih fizičkih jednačina i izračunavanju onoga što se moralo dogoditi. U početku, sve simulacije su pokazale da je gravitacija bila jedina aktivna kosmička sila. Polja sa većom gustinom privlačila su materiju ka sebi i tako postajala još gušća. Taj kosmički obrazac sačuvan je do danas, tako da se u regionima velike gustine nalaze ogromne galaktičke grupacije, dok su na ostalim mestima rupe. Na kraju, oblaci vodonika postaju toliko gusti da se termonuklearnom reakcijom njihov centralni deo pali i dovodi do eksplozije slične eksploziji hidrogenske bombe. Te eksplozije, čije je trajanje teško shvatljivo iz zemaljske perspektive, u suštini su ono što mi nazivamo zvezdama. Međutim, dok su zvezde u našoj galaksiji, Mlečnom putu, po svojim masama slične Suncu, dotle su prve zvezde bile, u proseku, gigantske, najmanje 25 puta veće od Sunca, ali njihova veličina bivala je i 100 puta veća od mase Sunca, ako ne i više. Zvezda sagoreva u ogromnoj temperaturi, sijajući i milion puta jače od Sunca i stvarajući vetar od čestica koje izbacuju okolne gasove u polje, ne dozvoljavajući im da se sakupe i tako obrazuju novu zvezdu. Prve galaksije u mladoj vasioni morale su biti male, tzv. mikrogalaksije, kako ih je nazvao Mik Norman sa Univerziteta Kalifornija u San Dijegu: svaka od njih bila je pojedinačna gigantska superzvezda okružena vodonikom. Zbog velike temperature, prve zvezde nisu odašiljale vidljivu svetlost, već samo značajne količine visokoenergetskog ultravioletnog zračenja. Jedan od efekata tog zračenja bio je razbijanje atoma vodonika, čime je uništavana njihova sposobnost blokiranja svetlosti. Ovaj proces, poznat kao rejonizacija, i zvezde nastale u prvih 100 miliona godina Doba tame, tj. u središnjem delu te ere, verovatno bi učinili kosmos potpuno transparentnim, samo da su trajali dovoljno dugo. Ali, za razliku od Sunca koje je već preživelo pet milijardi godina, i živeće još toliko, prve zvezde su živele samo beznačajnih milion godina. Ukoliko bi prve zvezde nastale posle 100 miliona godina od početka Doba tame, umirale bi u 101. godini tame. Kad bi umrle, manje zvezde bi eksplodirale, raspršujući svoj sadržaj u vasionu, dok bi se na mestu onih većih stvarale crne rupe. Sagorevanje kosmiČke magle: Kao i u svakoj fuziji, ono što je pokretalo zvezdu i činilo je živom, funkcionisalo je primoravanjem atoma običnog vodonika i helijuma na spajanje u mnoge kompleksnije elemente. Zvezde koje bi umrle u eksploziji, napunile bi okolne gasne oblake kiseonikom i ugljenikom, koji ranije nikada nisu ni postojali. Milijarde godina kasnije, hemijski elementi iz zvezda, kao što su ovi, bili su spojeni kao činioci planeta, organskih molekula i, na kraju, ljudskih bića. Ali u to vreme nisu služili samo da bi menjali hemijski sastav oblaka, dozvoljavajući im tako splašnjavanje i prelaženje u manje objekte, što im ranije nije bilo moguće. Druga generacija zvezda, prihvatajući u sebe pepeo prethodnica iz prve generacije, oživljavala bi trenutno. Ove zvezde su bile kao Sunce – i po dimenzijama i po hemijskoj kompoziciji. Kao i Sunce, i one bi počinjale emitovanjem ultraljubičaste svetlosti, pre nego što bi ustalile svoju mnogo mirniju egzistenciju, bar u poređenju sa prethodnicama iz prve generacije. To zračenje ultraljubičaste svetlosti iz vrelih, tek nastalih zvezda, definitivno je rejonizovalo preostali vodonik – učinivši ga ponovo transparentnim, što je Doba tame privelo kraju. Neke duge pretpostavke dozvoljavaju drugačiji tok događaja u kome bi crne rupe bukvalno bljuvale X i ultravioletne zrake, sa krajnjim efektom koji se ne razlikuje od teorije rejonizacije vodonika. U svakom slučaju, prihvaćeni scenario nam govori da nova generacija malih galaksija koje ne sadrže više od milion zvezda iz druge generacije, postepeno dolazi u uzajamnu galaktičku koliziju, što dovodi do međusobnog stapanja i obrazovanja većih vasionskih objekata, koji na kraju dostižu veličinu Mlečnog puta. Jedan od dokaza tome jesu starije i manje svetle galaksije koje je u velikom broju registrovao svemirski teleskop Habl i koje su nejednakog oblika i veličine i ne prave veličanstvene spirale i ogromne elipse koje su odlika mlađih galaksija. Dokaz da je teorija i utapanju galaksija jednih u druge sasvim ispravna, jesu i galaktičke kolizije koje se događaju i danas. Astronomi svojim teleskopima mogu videti stotine galaksija koje su u koliziji kao i naš Mlečni put koji se još uvek kljuka desetinama patuljastih galaksija, koje su svuda oko njega. Zamisliti nastanak prvih zvezda relativno je lako, jer je vasiona početkom Doba tame bila jednostavna. Ali, na kraju, stvari su počele da se komplikuju, jer se videlo da zvezde utiču na okolinu, a ona, pak, za uzvrat stvara povratnu spregu, koju niko za sada ne može da objasni. To je razlog zbog koga je astronomima potrebna nova generacija teleskopa bez kojih nije moguće testirati astronomske teorije putem opservacije. Kako videti nevidljivo: Da bi napipao neki rani vasionski objekt, astronom se mora odreći posmatranja obične svetlosti. Svemir se u poređenju sa svojim ranim danima postojanja raširio u velikoj meri, ali ne zato što su se galaksije udaljile jedna od druge, krećući se kroz svemir. Ne, vasiona se proširuje, kao da je neko isteže, što je koncept prilično težak za shvatanje, čak i za fizičare, ali koji je tačan i koji proizlazi iz jednačine relativnosti. Kosmolozi kažu da je vasionu najbolje zamisliti kao balon na čijoj su površini nacrtane zvezde i galaksije. Kad se balon naduva, nacrtane tačke se razdvajaju, ne zato što menjaju mesto, već zato što se balon širi. U tom slučaju, svetlost koja putuje kroz prostor u stalnoj je ekspanziji i takođe se isteže. Dok ona putuje prema Zemlji, njena talasna dužina postaje veća. Svetlost velike talasne dužine je crvena, ukoliko je dalje istežeš postaće mikrotalasna i, na kraju, nastaće dugački radio-talasi. Blesak koji je nastao od Velikog praska, pripadao je vidljivoj svetlosti; danas, 13,7 milijardi godina kasnije, ova svetlost se i dalje probija kroz vasionu, ali je do te mere istegnuta da astronomi moraju uzeti mikrotalasne antene da bi je registrovali. Najranije galaksije su nastale posle Velikog praska, tako da svetlost koja od njih dolazi nije sasvim stara, nije putovala dugo niti je previše istegnuta. Ta svetlost se mora tražiti ne kao mikrotalasna, već kao infracrvena svetlost, tako da je to razlog specijalnog opremanja najnovijih teleskopa infracrvenim senzorima. Iz istog razloga, novi teleskop koji NASA planira kao zamenu Hablu, a koji danas nosi ime Yejmsa Veba, biće iz istih razloga “optimiziran” za viđenje infracrvene, a ne vidljive svetlosti. Teleskop je u početku nosio akronim NGST(Next Generation Space Telescope), ali je 2002. preimenovan u čast ranijeg (drugog) upravnika agencije NASA. Lansiranje teleskopa planira se juna 2013. godine, pomoću rakete Ariana 5. Neki drugi teleskopi će pokušati da snime oblake vodonikovih atoma, a ne prve zvezde ili galaksije. Atomi vodonika takođe su nekad emitovali zračenje u formi radio-talasa, tako da danas postoji više konkurentskih projekata: u Kini, Indiji, Holandiji i Australiji. Poslednji projekt, poznat i kao “Mileura”, smatra se obećavajućim, u najvećoj meri, jer će njegovih 500 antena biti postavljeno na udaljenoj govedarskoj farmi u zapadnoj Australiji, gde neći biti nikakvih smetnji od radio-stanica. Gospođa Žaklin Hevikt, direktor Instituta za astrofiziku i vasionsko istraživanje na Masačusetskom institutu za tehnologiju (MIT), misli da bi za takve stvari Severni pol bio perfektno mesto. “Moraju se prokrčiti novi putevi”, kaže astrofizičarka. Ono što projekt „Muleura”, čini tako moćnim i obećavajućim jeste činjenica da će podešavanjem prijemnika na različite frekvencije, biti moguće pokupiti signale odaslane sa atoma vodonika, iz različitih perioda Doba tame. Ukoliko mapirate kosmički vodonik na, recimo, 50 miliona godina posle Velikog praska, tj. pre nego što su prve zvezde mogle da se formiraju, zatim na 100 miliona, 200 miliona i 500 miliona godina kasnije, dobijate niz snimaka. Kombinujte ih, kaže Leb i “moći ćete da načinite 3-D sliku vodoničkog gasa, onako kako se vasiona razvijala”. Na nekim mestima gde se gas jonizuje i postaje transparentan, videćete rupe kao švajcarski sir. Zavisno od načina rasta i spajanja rupa jednih s drugima, tokom vremena, moći će se odrediti da li su razbistrivanje vasione napravile male galaksije, crne rupe ili, pak, nešto sasvim različito. Zavisno od razloga razbistrivanja i činjenja kosmosa providnim, neke teorije će dobiti priznanje, dok će druge biti odbačene. Astronomi će, po svoj prilici, dobiti rešenje zagonetke koja pred njima stoji već deceniju i po. Nepouzdana reŠenja: U međuvremenu, astronomi su se nosili sa ovom misterijom, kako su najbolje umeli i mogli, koristeći raspoložive alatke. Važan zaključak je došao posle posmatranja najudaljenijih kvazara – objekata za koje se veruje da su crne rupe. Rupe gutaju bezmerne količine gasova iz samog centra mladih galaksija. Temeljno i sveukupno osmatranje neba, zvano “Sloanov pregled digitalne slike neba”, pokazao je nekoliko rupa nastalih milijardu godina posle Velikog praska. Posmatranjem načina promena svetlosti kvazara, što je izazvano okolnim gasom, astronomi su zaključili da oko njih još uvek postoje atomi vodonika, iako ne u nekoj velikoj meri. Vilkinsonova mikrotalasna sonda, koja je lansirana kao satelit da bi korišćenjem analogne tehnike otkrila svetlosne ostatke posle Velikog praska, utvrdila je da čišćenje od vodonika u prostorima između zvezda nije kasna pojava i da je čišćenje bilo uveliko započeto, pola milijarde godina nakon Velikog praska. Teleskopska osmatranja često znaju da iznenade teoretičare. Prošle jeseni je fokusirana jedna manja površina neba uz pomoć vasionskih teleskopa Habl, i Spicer (ovaj poslednji funkcioniše u području infracrvene talasne dužine) i teleskopa Evropske vasionske organizacije koji je smešten u Čileu. Na veliko iznenađenje svih upućenih stručnjaka otkrivena je galaksija iz prve milijarde godina posle Velikog praska, a njen izgled i zrelost ni izdaleka nisu podsećali na primordijalnu patuljastu galaksiju, koju su svi očekivali. “To je neočekivano otkriće”, tvrdi Mark Dikinson iz Američke nacionalne opservatorije u Arizoni, koji je radio na projektu. Svi su iznenađeni, ali misle da su izuzeci mogući i u astronomiji. Uostalom, niko ne očekuje da sretne čoveka koji je visok 2,20 metara, a ipak mu se to dogodi, s vremena na vreme. Za sada se računa da su u mladom kosmosu dominirale male galaksije prepune zvezda druge generacije i da starije galaksije niko neće videti sve dok se ne pojave nove generacije teleskopa. Moda ovo ne važi za Elisa i Starka, koji na Havajima pokušavaju pomeranje dosadašnjih granica astronomije. Ajnštajnovo gigantsko soČivo: Astronom Elis savetuje da nikako ne pokušavate sa osmatranjem malih galaksija iz vremena od oko 500 miliona godina posle Velikog praska. Galaksije su suviše blede da bi se mogle uhvatiti, bilo kojim postojećim teleskopom. Ali kosmos je astronomima pružio neočekivanu mogućnost: teorija relativnosti kaže da svi veliki vasionski objekti oko sebe zakrivljuju prostor, tako da skreću i svetlost sa svoje putanje. U 1930. godini, Albert Ajnštajn je shvatio da zvezda može delovati kao sočivo, tako što deformiše i pojačava svetlost koja dolazi od nečega iza zvezde. Međutim, u praksi, govorio je Ajnštajn, to se događa tako retko da nikada nećemo ni videti kako izgleda to uvećanje. Ajnštajn nije bio u pravu. Takozvana gravitaciona sočiva postala su najvažniji faktor u modernoj astronomiji. Ona su razrešila, pored ostalih stvari, postojanje malih planeta oko zvezda, koje su udaljene na hiljade svetlosnih godina. Astronom Elis tvrdi da se mogu videti pojačane slike nekih udaljenih galaksija koje bi na drugi način ostale nevidljive. Prve galaksije koje su se pojavile iz tame ranog kosmosa, ne mogu se detaljno proučavati, sve dok teleskopska tehnologija ne načini veliki skok. Tek tad će biti moguće baciti pogled prema kosmičkoj dubini u kojoj je u nezamislivo davnom vremenu završeno infantilno doba vasione i u kome je započeto njeno detinjstvo, koje je dovelo do stvaranja našeg Sunca i plavkaste planete koja ga obilazi.