NEIL DEGRASSE TYSON & DONALD GOLDSMITH
POSTANCI Milijarde godina evolucije svemira
Preveo Damir Mikulčić
Naslov izvornika Neil deGrasse Tyson and Donald Goldsmith ORIGINS FOURTEEN BILLION YEARS OF COSMIC EVOLUTION © 2004 by Neil deGrasse Tyson and Donald Goldsmith © hrvatskoga izdanja IZVORI, 2007. Nakladnik IZVORI Lektura i korektura Jasna Paunović Grafička priprema Stanislav Vidmar ISBN 978-953-203-309-0 CIP zapis dostupan u računalnom katalogu Nacionalne Sveučilišne knjižnice u Zagrebu Tiskano u Hrvatskoj / Presita en Kroatio Zagreb, travanj 2008.
Svima onima koji podižu pogled u nebo, kao i svima koji još ne znaju zašto bi trebali
SADRŽAJ ZAHVALE PREDGOVOR RAZMIŠLJANJA ZNANOSTI O POSTANKU DIZANJE ZASTORA
O
POSTANKU
ZNANOSTI
NAJVEĆA IKAD ISPRIČANA PRIČA PRVI DIO POSTANAK SVEMIRA 1. U POČETKU 2. ANTIMATERIJA JE BITNA 3. NEKA BUDE SVJETLOST 4. NEKA BUDE TAMA 5. NEKA BUDE JOŠ TAME 6. JEDAN SVEMIR ILI MNOŠTVO NJIH? DRUGI DIO POSTANAK GALAKTIKA I SKLOP SVEMIRA 7. OTKRIĆE GALAKTIKA 8. POSTANAK STRUKTURE TREĆI DIO POSTANK ZVIJEZDA 9. PRAH PRAHU 10. ZOOLOŠKI VRT ELEMENATA ČETVRTI DIO POSTANK PLANETA 11. KAD SU SVJETOVI BILI MLADI 12. IZMEĐU PLANETA 13. BEZBROJNI SVJETOVI PETI DIO POSTANK ŽIVOTA 14. ŽIVOT U SVEMIRU 15. POSTANAK ŽIVOTA NA ZEMLJI 16. POTRAGA ZA ŽIVOTOM U SUNČEVOM SUSTAVU
I
17. POTRAGA ZA ŽIVOTOM U MLIJEČNOJ STAZI KODA POTRAGA ZA NAMA SAMIMA U SVEMIRU POJMOVNIK KAZALO
ZAHVALE Dugujemo zahvalu Robertu Laptonu na tome što je čitao pa iznova čitao rukopis, kako bismo bili sigurni da smo mislili ono što smo rekli, odnosno da smo rekli ono što smo mislili. Njegova dvostruka stručnost, u astrofizici i engleskom jeziku, omogućila je da naša knjiga dosegne razinu koja bi joj inače bila nedostupna. Također smo zahvalni Seanu Carrollu s Instituta Fermi u Chicagu, Tobiasu Owenu s Havajskog sveučilišta, Stevenu Soteru iz Američkog prirodoslovnog muzeja, Larryju Squireu sa sveučilišnog kampusa San Diego, Michaelu Straussu s Princentonskog sveučilišta i producentu kuće PBS NOVA Tomu Levensonu na dragocjenim primjedbama koje su značajno poboljšale knjigu. Na povjerenju koje je od početka imala u projekt zahvalni smo Betsy Lerner iz agencije Gernert, koja naš rukopisu nije vidjela samo kao knjigu već i kao izraz dubokog zanimanja za svemir, što zavređuje najširu moguću publiku s kojom bi se ova ljubav podijelila. Glavnina drugog dijela, kao i pojedini dijelovi prvog i trećeg dijela izvorno su se pojavili kao ogledi jednoga od nas (NDT-a) u časopisu Natural History. Na ovome smo zahvalni Peteru Brownu, glavnom uredniku časopisa, koji već dugo herojski pazi kao literarni pas čuvar nad spisateljskim naporima NDT-a. Autori su vrlo zahvalni i na podršci koji su dobili od Fondacije Sloan u pisanju i pripremi ove knjige. Oduvijek smo se divili njihovoj spremnosti da podrže projekte poput ovoga. Neil deGrasse Tyson, New York City Donald Goldsmith, Berkeley, Kalifornija Lipanj 2004.
POSTANCI
PREDGOVOR RAZMIŠLJANJA O POSTANKU ZNANOSTI I ZNANOSTI O POSTANKU Stasala je nova sinteza znanstvenog znanja i počela rađati plodovima. Posljednjih godina, odgovori na pitanja o našem kozmičkom porijeklu počeli su se pojavljivati ne više samo na području astrofizike. Radeći pod kišobranom novih disciplina kao što su astrokemija, astrobiologija i astrofizika čestica, astrofizičari su shvatili da se mogu vrlo okoristiti suradnjom s ovim srodnim područjima. Oslanjanje na interdisciplinarni pristup pri pokušajima da se pruži odgovor na pitanja “Odakle potječemo?” omogućilo je istraživačima ranije nezamislivu širinu i dubinu uvida u djelovanje svemira. U knjizi Postanci: milijarde godina evolucije svemira upoznajemo čitatelja s ovom novom sintezom znanja koje nam pruža priliku da proniknemo ne samo u postanak svemira nego i u postanak najvećih struktura koje je stvorila materija, postanak zvijezda koje osvjetljavaju svemir, postanak planeta koji su najvjerojatnija staništa života, kao i postanak samog života na jednom ili više planeta. Ljude ne prestaje očaravati pitanje porijekla, i to iz više razloga, kako logičkih tako i emotivnih. Teško možemo dokučiti bît bilo čega ako ne znamo odakle potječe. A od svih priča koje imamo priliku čuti, one koje se odnose na naše porijeklo nailaze na najdublji odjek u nama. Zaokupljenost sobom, koja nam je usađena evolucijom i iskustvima na Zemlji, prirodno nas je dovela do toga da budemo usredotočeni na lokalna zbivanja i pojave u stvaranju glavnine priča o porijeklu. No, sa svakim korakom u obogaćivanju znanja o svemiru stalno smo iznova otkrivali da živimo na svemirskom zrncu prašine koje kruži oko osrednje zvijezde na rubovima jedne obične galaktike, među stotinama milijarda drugih galaktika. Ove vijesti o našoj svemirskoj beznačajnosti aktivirale su snažne obrambene mehanizme u ljudskoj psihi. Mnogi od nas i nesvjesno nalikuju na onog junaka crtanih filmova koji pogleda zvjezdano nebo i kaže prijatelju: “Kad vidim sve ove zvijezde, shvatim koliko smo beznačajni.”
Tijekom cijele povijesti, razne kulture stvarale su mitove o postanku koji objašnjavaju naš nastanak kao rezultat djelovanja svemirskih sila što oblikuju našu sudbinu. Ove priče pomogle su nam da ublažimo osjećaje beznačajnosti. Iako priče o postanku obično počinju najširom slikom, vrlo brzo se spuštaju na Zemlju, sažimajući nastanak svemira, svih kontinenata i života na Zemlji, da bi prešle na opširno objašnjavanje mnoštva pojedinosti iz ljudske povijesti i ljudske sukobe, kao da se mi na neki način nalazimo u samom središtu postanka. Gotovo svi raznovrsni odgovori na pitanje o postanku prihvaćaju kao temeljnu pretpostavku da se svemir ponaša u suglasju s općim pravilima koja se otkrivaju, barem u načelu, ako pažljivo ispitamo svijet koji nas okružuje. Antički filozofi uzdigli su ovu pretpostavku do zavidnih visina, tvrdeći da mi, ljudi, imamo sposobnost pronicanja u to kako priroda djeluje, kao i u stvarnost koja postoji ispod onoga što opažamo: u temeljne istine koje upravljaju svime ostalim. Sasvim razumljivo, oni su smatrali da će otkrivanje ovih istina biti teško. Prije dvije tisuće tri stotine godina, u svom najznamenitijem razmatranju našeg neznanja, grčki filozof Platon usporedio je ljude koji streme znanju sa zatočenicima okovanim lancima u špilji, koji nisu u stanju vidjeti predmete iza sebe, te tako do točnog opisa stvarnosti moraju doći samo promatranjem sjena koje ti objekti bacaju. Ovom slikom Platon je ne samo iskazao bît čovjekovih napora da razumije svemir nego je i naglasio da prirodno težimo prema vjerovanju u to da tajanstveni, teško dokučivi entiteti upravljaju svemirom, raspolažući znanjem koje je nama, u najboljem slučaju, dostupno samo djelomično i nakratko. Od Platona do Bude, od Mojsija do Muhameda, od pretpostavljenog tvorca svijeta do modernih filmova o “matrici”, ljudi su u svim kulturama dolazili do zaključka da neke više sile, obdarene razumijevanjem jaza između stvarnosti i površnog privida, upravljaju svemirom. Prije pola tisućljeća počelo je izranjati novo razumijevanje prirode. Ovo viđenje, koje danas nazivamo znanošću, niklo je iz spoja novih tehnologija i otkrića koja su one omogućile. Širenje tiskanih knjiga Europom, udruženo s istovremenim poboljšanjem prijevoza kopnom i vodom, omogućilo je ljudima da komuniciraju brže i djelotvornije, tako da su sada mogli doznati što drugi imaju reći i na to reagirati znatno brže nego u prošlosti. Tijekom šesnaestoga i sedamnaestoga stoljeća ovo je dovelo do znatno življe razmjene zamisli, odnosno do novog načina stjecanja znanja, utemeljenog na načelu da se najbolji načini razumijevanja svemira temelje
na pažljivim promatranjima, kao i na kasnijim nastojanjima da se otkriju šira i temeljnija načela koja pružaju objašnjenja za rezultate tih promatranja. Još je nešto utjecalo na rođenje znanosti. Znanost se temelji na sustavnoj skeptičnosti, odnosno na neprekidnom, metodičnom dovođenju svega u sumnju. Rijetki među nama dovode u sumnju vlastite zaključke, te je zato znanost stekla svoj skeptički pristup tako što je favorizirala one koji dovode u sumnju tuđe zaključke. Ovaj pristup s pravom bi se mogao nazvati neprirodnim; ne toliko zato što potiče nepovjerenje u tuđe razmišljanje nego zato što znanost nadahnjuje i nagrađuje one koji mogu pokazati da su zaključci nekog drugog znanstvenika nesumnjivo pogrešni. Znanstvenici koji ispravljaju pogreške kolega ili navode valjane razloge koji dovode u sumnju njihove zaključke nalikuju na učitelja zena koji pljuskom kažnjava učenika zato što je zastranio s dobrog puta, s tom razlikom što se znanstvenici međusobno ispravljaju kao ravnopravni, a ne kao učitelji i učenici. Nagrađujući znanstvenika koji uoči pogrešku kod kolege – što je za ljudsku prirodu znatno lakše nego uočiti vlastitu pogrešku – znanstvenici kao skupina ugradili su u svoju djelatnost sustav samoispravljanja. Kolektivno su izgradili dosad najdjelotvornije sredstvo za analiziranje prirode upravo time što su nastojali oslabiti teorije svojih kolega čak i kada su vrlo uvažavali njihova iskrena nastojanja da obogate ljudsko znanje. Znanost je tako postala kolektivna potraga, ali nikada nije bila, niti je trebala biti, društvo u kojem članovi jedan drugome izražavaju međusobno divljenje. Kao i sve ostalo u napretku čovječanstva, znanost također djeluje bolje u teoriji nego u praksi. Ne dovode svi znanstvenici u sumnju rezultate svojih kolega onako rigorozno kao što bi trebalo. Potreba da se ostavi dojam na znanstvenike koji se nalaze na važnim mjestima, i koji su ponekad pod djelovanjem čimbenika izvan njihovog svjesnog znanja, može loše utjecati na mehanizam samoispravljanja znanosti. Na duge staze, međutim, pogreške ne mogu prevagnuti zato što će ih uočiti drugi znanstvenici i pridonijeti vlastitoj karijeri time što će ukazati na njih. Oni zaključci koji prežive napade drugih znanstvenika konačno će dostići status znanstvenih “zakona” i bit će prihvaćeni kao valjani opisi stvarnosti, iako je znanstvenicima jasno da će se za svaki zakon jednoga dana možda ustanoviti da je samo dio neke šire i dublje istine. No, znanstvenici ne provode cijelo vrijeme u nastojanjima da ukažu na pogreške kolega. Uglavnom se bave provjeravanjem još nedokazanih
hipoteza, koristeći pritom nešto bolje promatračke rezultate od ranijih. Svaki tren, međutim, pojavljuju se novi elementi u nekoj važnoj teoriji ili (češće u doba velikog tehnološkog napretka) čitava nova klasa promatračkih rezultata trasira put prema novom skupu hipoteza koje objašnjavaju te rezultate. Do najvećih trenutaka u povijesti znanosti dolazi – i uvijek će dolaziti – kada neko novo objašnjenje, možda u sudjelovanju s novim promatračkim rezultatima, izazove seizmički potres u dotadašnjem viđenju načina na koji priroda djeluje. Znanstveni napredak ovisi o pojedincima iz oba tabora: onih koji sakupljaju bolje podatke i na temelju njih oprezno zaključuju; i onih koji mnogo riskiraju – ali i mogu mnogo dobiti uspiju li– dovodeći u pitanje široko prihvaćene zaključke. Skeptično srce znanosti ne čini je osobito privlačnom ljudskim srcima i umovima kojima se ne sviđaju neprekidne proturječnosti što u njoj vladaju, pa zaklon od njih traže u sigurnosti prividno vječnih istina. Da je znanstveni pristup bio samo jedan u nizu tumačenja svemira, on nikada ne bi bio uspješan; uspješnost znanosti počiva na činjenici da ona – funkcionira! Ako se ukrcate na zrakoplov sagrađen po načelima znanosti – načelima koja su proživjela mnogobrojna nastojanja da budu opovrgnuta – imate znatno bolje izglede da stignete na odredište nego ako biste putovali zrakoplovom sagrađenim po pravilima vedske astrologije. U razmjerno novijoj povijesti, ljudi suočeni s uspjehom znanosti u tumačenju prirodnih pojava reagirali su na jedan od četiri sljedeća načina. Prvo, manjina je prihvatila znanstvenu metodu kao najbolju nadu za razumijevanje prirode i nije tražila nikakve dodatne načine. Drugo, znatno veći broj ljudi zanemarivao je znanost, ocijenivši je kao nezanimljivu, mračnu ili protivnu ljudskom duhu. (Oni koji nezasitno gledaju televiziju, nikad se ne zapitavši kako se to pojavljuju zvuk i slika pred njima, podsjećaju nas na činjenicu da riječi “magija” i “stroj” (mašina, op. prev.) imaju zajedničke etimološke korijene.) Treće, također manjina, svjesna da znanost ugrožava vjerovanja do kojih oni drže, aktivno se trudi opovrgnuti znanstvene rezultate koji im smetaju ili ih ljute. To, međutim, čine sasvim izvan okvira znanstvenog skepticizma, kao što se lako možete uvjeriti ako upitate nekog od njih: “Koji bi vas dokazi uvjerili da niste u pravu?” Ovi protivnici znanosti još osjećaju šok koji je John Don opisao u pjesmi “Anatomija svijeta: prva godišnjica”, napisanoj 1661. kada su se počeli javljati prvi plodovi suvremene znanosti:
Nova filozofija sve sa sumnjom mete, element vatra stavljen je u stranu. Sunce daleko, ni Zemlje više nema, Tko zna što se tu još duši sprema. Ne usteže se nitko reći: nebeski je svod More po kom plovi taj zemaljski brod, a tu je još mnogih novih; a ovaj naš, kažu Razmrvio se sve do svojih atoma, Sad u komadima, bez kuće i doma. Četvrto, veliki broj ljudi prihvaća znanstveno viđenje prirode, ali se ne odriče vjerovanja u to da postoje natprirodni entiteti, nedostupni našem shvaćanju, koji upravljaju svemirom. Baruch Spinoza, filozof koji je izgradio najpostojaniji most između prirodnog i natprirodnog, odbijao je svako razlikovanje prirode i Boga, smatrajući da je svijet istodobno i priroda i Bog. Pristalice konvencionalnijih religija, koji obično drže do ovog razlikovanja, često pomiruju prirodno i natprirodno tako što mentalno razdvajaju područja u kojima prirodno i natprirodno djeluje. Bez obzira na to kojem od ovih tabora pripadate, nema sumnje da su ovo vrlo povoljna vremena da se dozna što je novo u svemiru. Otisnimo se zato u pustolovnu potragu za našim svemirskim porijeklom poput detektiva koji izvode zaključke o zločinu na temelju ostavljenih tragova. Pozivamo vas u ovu potragu za svemirskim postancima – i načinima da se oni protumače – kako bismo zajedno možda došli do istine o tome kako se dio svemira pretvorio u nas.
Dizanje zastora
NAJVEĆA IKAD ISPRIČANA PRIČA Kad je jednom uspješno pokrenut, svijet je uporno u gibanju već dugi niz godina. Iz tog početka sve je proizašlo. — Lukrecije Prije nekih četrnaest milijarda godina, na početku vremena, sveukupni prostor, materija i energija poznatog svijeta bili su zbijeni u obujam veličine glavice pribadače. Svemir je tada bio toliko topao da su sve osnovne sile prirode, koje zajedno opisuju svijet, bile stopljene u jednu jedinstvenu silu. Kad je svemir bio star samo 10–43 sekunde, a temperatura mu bila 1030 stupnjeva – prije toga nijedna naša teorija o materiji i prostoru nema smisla – crne jame su spontano nastajale, nestajale, pa ponovo nastajale iz energija sadržanih u jedinstvenom polju sile. U tim konačnim uvjetima, kojima se bavi spekulativna fizika, struktura prostora i vremena bila je izrazito zakrivljena, dok je klokotala unutar spužvasto-pjenastog ustroja. Tijekom tog razdoblja, nisu se mogle razlikovati pojave koje opisuje Einsteinova opća teorija relativnosti (suvremena teorija gravitacije) od onih koje opisuje kvantna mehanika (opis materije u najmanjim veličinama). Kako se svemir širio i hladio, gravitacija se odvojila od ostalih sila. Ubrzo zatim, razdvojile su se jedna od druge jaka nuklearna sila i elektroslaba sila, a taj je događaj pratilo ogromno oslobađanje uskladištene energije. Ovo oslobađanje dovelo je do brzog povećanja veličine svemira, za faktor 1050. Brzo širenje, poznato kao “razdoblje inflacije”, raspršilo je i ujednačilo materiju i energiju tako da su varijacije gustoće u raznim dijelovima postale manje od jednog stotisućitog dijela. Od ove točke možemo nastaviti dalje, oslanjajući se na fiziku potvrđenu u laboratorijskim proučavanjima. Svemir je bio dovoljno vruć da fotoni spontano pretvaraju svoju energiju u parove čestica materije i antimaterije, koje su se odmah nakon nastajanja međusobno poništavale (anihilirale), vraćajući se energetski oblik fotona. Zbog nepoznatih nam još razloga, pod djelovanjem sile koja je razdvajala čestice od antičestica narušena je u jednom trenutku simetrija između materije i antimaterije, što je dovelo do neznatnog pretička materije nad antimaterijom. Iako neznatna, ova asimetričnost imala je ključnu važnost za kasniji razvoj svemira: na
svakih milijardu čestica antimaterije nastajala je milijarda plus jedna čestica materije. Kako se svemir dalje hladio, elektroslaba sila rastočila se u elektromagnetnu silu i slabu nuklearnu silu, čime je bio upotpunjen današnji skup četiri zasebne sile prirode. Kako je energija fotonske kupke i dalje opadala, iz raspoloživih fotona se više nisu mogli stvarati parovi čestica i antičestica. Svi preostali parovi čestica materije i antimaterije brzo su se međusobno poništili, tako da je u svemiru preostala samo po jedna čestica materije na svakih milijardu fotona – dok antimaterije uopće nije bilo. Da nije došlo do ove asimetričnosti između materije i antimaterije, šireći svemir zauvijek bi se sastojao jedino od svjetlosti. U njemu ne bi bilo ničeg drugog, čak ni astrofizičara. Tijekom razdoblja od približno tri minute, dobili smo materiju u obliku protona i neutrona, od kojih su se mnogi povezali, postajući najjednostavnije atomske jezgre. U međuvremenu, slobodni elektroni raspršivali su fotone, tvoreći neprozirnu juhu materije i energije. Kada je temperatura svemira pala na nekoliko tisuća kelvina – što je nešto više od temperature visoke peći – gibanje slobodnih elektrona dovoljno se usporilo da ih jezgre privuku iz juhe i tako sagrade atome vodika, helija i litija, tri najlakša elementa. Svemir je tada postao proziran (prvi put) za vidljivu svjetlost, a ti slobodni prafotoni vidljivi su danas kao svemirska mikrovalna pozadina. Tijekom svoje prve milijarde godina svemir se nastavio širiti i hladiti, a materija se pod djelovanjem gravitacije okupljala u masivna zborišta koja nazivamo galaktike. Samo u granicama svemira koji možemo vidjeti, nastalo je stotinu milijarda galaktika, od kojih svaka sadrži na stotine milijarda zvijezda u čijim se jezgrama odigrava termonuklearna fuzija. U unutrašnjosti ovih zvijezda, s masom približno deset puta većom od Sunčeve, postojali su dovoljno visoki tlakovi i temperature da procesom nukleosinteze nastanu elementi težih od vodika, računajući tu i one od kojih su izgrađeni planeti i život na njima. Ti elementi bili bi za nas beskorisni da su ostali u unutrašnjosti zvijezda. Ali zvijezde velike mase završavaju svoj životni vijek u eksplozijama, rasipajući galaktikom svoju kemijski bogatu unutrašnjost. Poslije 7 ili 8 milijarda godina ovakvog rasipanja nastala je i jedna neuočljiva zvijezda (Sunce) u jednom ni po čemu naročitom području (Orionov krak) jedne ni po čemu posebne galaktike (Mliječne staze) u ni po čemu posebnom dijelu svemira (na rubovima superjata u zviježđu Djevica). Oblak plina iz kojeg se Sunce oblikovalo sadržavao je dovoljan
pretičak težih elemenata da iznjedri i nekoliko planeta, na tisuće asteroida i na milijarde kometa. Tijekom nastajanja zvjezdanog sustava, materija se kondenzirala i skupljala u veće grude na nekim mjestima u roditeljskom oblaku plina koji se vrtložio oko Sunca. Od tih su gruda nastali planeti. Tijekom stotina milijuna godina neprekidni su udari vrlo brzih kometa i drugih ostataka oblaka održavali površine planeta u tekućem stanju, onemogućujući nastanak složenih molekula na njima. No kako je u Sunčevom sustavu ostajalo sve manje nesakupljenog interplanetnog materijala, površine planeta počele su se hladiti. Planet koji zovemo Zemljom stvoren je na stazi toliko udaljenoj od Sunca da atmosfera Zemlje može održavati oceane u tekućem stanju. Da je Zemlja nastala bliže Suncu, oceani bi isparili. Da je stvorena na većoj udaljenosti od zvijezde, oceani bi se zaledili. U oba slučaja, život kakav mi poznajemo ne bi se razvio. U kemijski bogatim tekućim oceanima, pod djelovanjem nekog kemizma koji nam nije poznat, nastale su jednostavne anaerobne bakterije koje su nehotice pretvorile Zemljinu atmosferu punu ugljičnog dioksida u atmosferu koja je sadržala dovoljno kisika da dođe do pojave aerobnih organizama koji su se počeli razvijati, postupno postajući prevladavajući život u oceanima i na kopnu. Ti isti atomi kisika, koji se obično javljaju u parovima (O2), mogu se također povezivati u trojke (O3) u višim dijelovima atmosfere. Ovako povezan, kisik zaštitio je površinu Zemlje od glavnine ultraljubičastih fotona sa Sunca, koji vrlo nepovoljno djeluju na molekule. Izuzetna raznovrsnost života na Zemlji, kao i (može se pretpostaviti) drugdje u svemiru, temelji se na obilju ugljika u svemiru, a ugljik je kemijska okosnica bezbrojnih molekula (i jednostavnih i složenih); postoji više vrsta molekula zasnovanih na ugljiku nego svih drugih molekula zajedno. Ali život je krhak. Zemlja se sudara s velikim tijelima, zaostalim iz razdoblja nastanka Sunčevog sustava; takvi sudari svojevremeno su bili uobičajena pojava, još uvijek izazivaju prave katastrofe u Zemljinim ekosustavima. Prije samo 65 milijuna godina (što je manje od 2 posto Zemljine starosti) asteroid mase deset bilijuna tona udario je u područje koje je danas poznato kao poluotok Yucatan, zbrisavši preko 70 posto kopnene flore i faune našeg planeta, uključujući i sve dinosauruse, glavne kopnene životinje iz te epohe. Ova ekološka tragedija pružila je priliku da mali preživjeli sisavci zauzmu upravo ispražnjene niše. Iz grane tih sisavaca, koja se razvila u životinje s velikim mozgovima i koje nazivamo primati, izdvojio se rod i vrsta – Homo sapiens – s takvom inteligencijom
koja njenim pripadnicima omogućila osmisliti metode i oruđa znanosti; utemeljiti astrofiziku; dokučiti nastanak i razvoj svemira. Da, svemir je imao početak. Da, svemir se i dalje razvija. I da, može se pratiti porijeklo svakog atoma naših tijela do Velikog praska, odnosno do termonuklearne peći u unutrašnjosti masivnih zvijezda. Mi nismo slučajno u svemiru, mi smo dio njega. Rođeni smo iz njega. Moglo bi se čak reći da preko nas, ovdje u ovom zabitom kutku, svemir osmišljava samoga sebe. A tek smo na početku toga puta.
PRVI DIO Postanak svemira
1. U POČETKU Upočetku bijaše fizika. “Fizika” opisuje kako se materija, energija, prostor i vrijeme ponašaju i u kakva međudjelovanja stupaju. Igra ovih likova u našoj svemirskoj drami stoji u temelju svih bioloških i kemijskih pojava. Sve što je od temeljne važnosti i što je blisko nama Zemljanima počinje zakonima fizike i temelji se na njima. Kada primijenimo te zakone na astronomska zbivanja, tada imamo posla s fizikom u velikim razmjerima koju nazivamo astrofizika. Na gotovo svakom području znanstvenog istraživanja, ali osobito u fizici, do novih otkrića dolazi se na konačnim granicama naših sposobnosti mjerenja događaja i situacija. U ekstremnim uvjetima materije, kao što je okolina crnih jama, gravitacija snažno savija kontinuum prostorvremena. U ekstremnim uvjetima energije, termonuklearna fuzija održava samu sebe na temperaturi od 15 milijuna stupnjeva u jezgrama zvijezda. A krajnje nezamislive uvjete srećemo u nepojmljivo toploj i gustoj sredini koja je postojala u prvim trenucima svemira. Da bi se razumjelo što se zbiva na svim ovim mjestima bili su neophodni zakoni fizike koji su otkriveni poslije 1900. godine, tijekom razdoblja koje fizičari sada nazivaju suvremeno doba, za razliku od klasičnog doba u kojeg spada cjelokupna prethodna klasična fizika. Jedno od glavnih svojstava klasične fizike je da događaji, zakoni i predviđanja imaju smisla, da izgledaju logično. Svi su oni otkriveni i provjereni u običnim laboratorijima smještenim u običnim zgradama. Zakoni gravitacije i zakoni gibanja, elektriciteta i magnetizma, kao i oni o prirodi i ponašanju toplinske energije i dalje se predaju na satovima srednjoškolske fizike. Ova otkrića o svijetu prirode pokrenula su industrijsku revoluciju koja je preobrazila kulturu i društvo na načine nezamislive prošlim generacijama; također su zadržala središnju ulogu u tumačenju onoga što se događa i zašto se događa u svijetu svakodnevnog iskustva. Za razliku od toga, u suvremenoj fizici kao da ništa nema smisla zato što se sve zbiva na područjima koja se nalaze daleko izvan onih dostupnih
ljudskim osjetima. To i nije tako loše. Možemo sretno zaključiti da su naši svakodnevni životi pošteđeni krajnje fizike. Jednog normalnog jutra vi ustajete iz postelje, odlazite u kupaonicu, ručate, pa krećete na posao. Na kraju dana, vaši ukućani očekuju da ne izgledate drukčije nego onda kada ste pošli, odnosno da se vratite kući u jednom komadu. Ali zamislite da stižete u ured, ulazite u pregrijanu dvoranu za sastanke u 10:00 i odjednom gubite sve elektrone – ili, još gore, atomi vašeg tijela razlijeću se na sve strane. To bi baš bilo loše. Ili zamislite da sjedite u uredu i pokušavate raditi uz stolnu svjetiljku od 75 vata, kad netko uključi rasvjetu od 500 kilovata na stropu, što dovodi do toga da vaše tijelo počinje letjeti po prostoriji, odbijajući se o zidove, sve dok ne proleti kroz prozor. Ili, recimo, odete poslije posla na natjecanje u sumo hrvanju, gdje s nevjericom gledate kako se dva gotovo okrugla borca sudaraju, nestaju, a zatim spontano postaju dvije zrake svjetlosti koje napuštaju dvoranu u suprotnim smjerovima. Ili na povratku kući pođete nekim putem kojim inače ne idete, a kad se nađete u blizini neke mračne zgrade ona vas usisa u sebe, počevši od stopala, istežući vam tijelo od nožnih prstiju do tjemena, dok vas sabija po širini kako bi vas provukla kroz jamu iz koje vam nema povratka. Da se ovakvi događaji odigravaju u našem svakodnevnom životu, suvremena fizika izgledala bi nam znatno manje čudna; naše poznavanje temelja teorije relativnosti i kvantne mehanike prirodno bi proizlazilo iz životnoga iskustva i sve bi to imalo smisla; a naši ukućani vjerojatno nas uopće ne bi ni puštali da idemo na posao. Ali u prvim minutama svemira ovakve stvari neprekidno su se zbivale. Da bismo ih predočili sebi i razumjeli, nema nam druge već utemeljiti novu vrstu zdravoga razuma, drukčiju intuiciju o tome kako se materija ponaša i kako fizički zakoni opisuju njezino ponašanje pri ekstremnim temperaturama, gustoći i tlaku. Moramo zakoračiti u svijet jednadžbe E = mc2. Albert Einstein objavio je prvu verziju ove slavne jednadžbe 1905. godine, iste one kada se u uvaženom njemačkom časopisu za fiziku Annalen der Physik pojavio njegov kapitalan rad pod naslovom “Zur Elektrodynamik der bewegter Körper”. U prijevodu ovaj naslov glasi “O elektrodinamici tijela u gibanju”, ali je znatno poznatiji kao Einsteinova specijalna teorija relativnosti koja je uvela novi pogled na prirodu i to tako da je zauvijek promijenila naše predodžbe o prostoru i vremenu. Einsteinu je tada bilo samo dvadeset šest godina i radio je kao službenik Švicarskog patentnog zavoda u Bernu. Nešto kasnije iste godine Einstein je prvi put
naveo gornju slavnu jednadžbu u sasvim kratkom radu (dvije i pol stranice) objavljenom u istom glasilu: “Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?” (“Ovisi li inercija tijela o njegovom energetskom sadržaju?”) Da bismo vas poštedjeli truda potrage za izvornim tekstom, odnosno izvođenja eksperimenta kojim biste provjerili Einsteinovu teoriju, reći ćemo vam da je odgovor na pitanje postavljeno u naslovu potvrdan. Da, ovisi. Evo Einsteinovih riječi: Ako tijelo emitira energiju E u obliku zračenja, masa mu se smanjuje za E/c2... Masa nekog tijela je mjera njegovog energetskog sadržaja; ako se energija mijenja za iznos E, masa se mijenja za isti iznos. Kao putokaz u ispravnost ovog iskaza, Einstein dodaje: Nije nemoguće da se kod tijela čiji je energetski sadržaj u visokoj mjeri promjenjiv (soli radija, na primjer) ova teorija može uspješno provjeriti. Evo, sad imate algebarski naputak za sve prilike kada želite pretvarati materiju u energiju ili energiju u materiju. E = mc2 – energija sadržana u nekoj masi jednaka je umnošku te mase i kvadrata brzine svjetlosti – pruža nam izuzetno snažni računsko oruđe koje nam proširuje sposobnost spoznaje i razumijevanja svemira od toga kakav je sada pa sve do infinitezimalnih djelića sekunde nakon rođenja našeg svijeta. Ovom jednadžbom možete ustanoviti koliko energije neka zvijezda može proizvesti ili koliko možete dobiti pretvaranjem novčića koje imate u džepu u korisne oblike energije. Najpoznatiji oblik energije – koji blista svuda oko nas, premda ga uglavnom ne prepoznajemo niti znamo za njega – je foton, nedjeljiva čestica vidljive svjetlosti ili bilo kojeg drugog oblika elektromagnetnoga zračenja. Mi svi živimo pod neprekidnim pljuskom fotona: sa Sunca, Mjeseca i zvijezda; iz vaše pećnice, lustera i noćne svjetiljke; iz stotina radio i televizijskih stanica; iz bezbroj mobilnih telefona i radarskih odašiljača. Zašto onda ne vidimo svakodnevno pretvaranje energije u materiju ili materije u energiju? Energija običnih fotona daleko je ispod mase čak i najmanje masivnih subatomskih čestica, tako da ne može biti pretvorena prema jednadžbi E = mc2. Budući da fotoni sadrže premalo energije da bi postali bilo što drugo, oni vode jednostavne, rekli bismo neuzbudljive živote. Čeznete li za malo akcije s E = mc2? Dajte se u potragu za fotonima gama zračenja koji nipošto ne oskudijevaju u energiji – imaju je barem
200.000 puta više nego vidljivi fotoni. No od njih ćete se ubrzo razboljeti i umrijeti od raka, ali prije no što se to dogodi ukazat će vam se prilika da vidite parove elektrona, jedan napravljen od materije, a drugi od antimaterije, kako se pojavljuju tamo gdje su prethodno bili fotoni. Moći ćete također vidjeti kako se sudaraju parovi elektrona materije i antimaterije, međusobno se poništavajući i opet stvarajući fotone gama zračenja. Podignite energiju fotona još 2000 puta i sada imate gama zračenje dovoljne energije da, po jednadžbi E = mc2, stvore čestice kao što su neutroni, protoni i njihovi antimaterijski parnjaci, s masom koja je gotovo 2000 puta veća od mase elektrona. Visokoenergetski fotoni ne nalaze se na svakom mjestu, ali ih ima u mnogim svemirskim topionicama. Za gama zračenje gotovo bilo koja sredina toplija od nekoliko milijarda stupnjeva sasvim je odgovarajuća. Ogroman je kozmološki značaj čestica i energetskih paketa koji se pretvaraju jedni u druge. Trenutno, temperatura našeg svemira koji se širi, ustanovljena mjerenjem mikrovalnih fotona koji ispunjavaju svekoliki prostor, iznosi samo 2,73 kelvina. (Na Kelvinovoj ljestvici sve temperature imaju pozitivnu vrijednost; čestice imaju najmanju moguću energiju na 0 kelvina; sobna temperatura iznosi 295 kelvina, dok voda vrije na 373 kelvina.) Poput fotona vidljive svjetlosti, mikrovalni fotoni prehladni su da bi se smjeli nadati pretvaranju u čestice po jednadžbi E = mc2. Drugim riječima, nijedna poznata čestica nema tako malu masu da može nastati od oskudne energije jednog mikrovalnog fotona. Isto vrijedi za fotone radiovalova, infracrvene i vidljive svjetlost, kao i za ultraljubičasto i rendgensko zračenje. Jednostavnije govoreći, za sva pretvaranja čestica potrebno je gama zračenje. Jučer je, međutim, svemir bio nešto manji i nešto topliji nego danas. A prekjučer još manji i još topliji. Vratite satove još unatrag – recimo za 13,7 milijarda godina – i naći ćete se u praiskonskoj juhi, u razdoblju kada je temperatura svemira bila dovoljno visoka da bude astrofizički zanimljiva. Svijet je, naime, tada bio ispunjen gama zračenjem. Razumijevanje ponašanja prostora, vremena, materije i energije od Velikog praska do danas jedan je od najvećih uspjeha ljudske misli. Ako tragate za potpunim objašnjenjem događaja u najranijim trenucima, kada je svemir bio manji i topliji nego ikada poslije, morate otkriti način kako se četiri poznate sile prirode – gravitacija, elektromagnetizam, jaka i slaba nuklearna sila – međusobno odnose, kako se objedinjuju i postaju jedinstvena meta-sila. Također, morate nekako i pomiriti dvije trenutno
neusklađene grane fizike: kvantnu mehaniku (znanost o malom) i opću relativnost (znanost o velikom). Potaknuti uspješnim povezivanjem kvantne mehanike i elektromagnetizma sredinom dvadesetoga stoljeća, fizičari su pohitali da spoje kvantnu mehaniku i opću relativnost u jedinstvenu i usklađenu teoriju kvantne gravitacije. Iako su svi dosadašnji pokušaji u ovom smislu zakazali, barem smo ustanovili gdje se nalazi glavna prepreka: u “Planckovoj eri”. Riječ je o svemirskoj eri koja je trajala do 10-43 sekunde (jedan deset milijunti bilijunti bilijunti bilijunti dio sekunde) poslije početka. Kako se informacije ne mogu kretati brže od svjetlosti, a to je okruglo 3 × 108 metara u sekundi, neki hipotetski promatrač smješten bilo gdje u svemiru za vrijeme Planckove ere ne bi mogao vidjeti dalje od 3 × 10–35 metara (tri stotine milijarditi bilijunti bilijunti dio metra). Njemački fizičar Max Planck, po kojem su ovo nepojmljivo malo vrijeme i udaljenost dobili naziv, došao je na zamisao o kvantiziranju energije 1900. godine i danas se smatra utemeljiteljem kvantne mehanike. Svakodnevni život nije, međutim, nimalo ugrožen svime ovime. Sukob kvantne mehanike i gravitacije ne suočava suvremeni svemir ni s kakvim poteškoćama. Astrofizičari primjenjuju pravila i sredstva opće teorije relativnosti i kvantne mehanike na potpuno različite klase problema. Ali u početku, za vrijeme Planckove ere, veliko je bilo malo, tako da je moralo postojati neko prisilno vjenčanje između dva područja. Nažalost, i dalje nam je nepoznato na što su se mladenci tom prigodom zavjetovali, odnosno nikakvi (poznati) zakoni fizike sa sigurnošću ne opisuju kako se svemir ponašao tijekom kratkog medenog mjeseca, prije no što je širenje svemira prisililo vrlo veliko i vrlo malo da se trajno razdvoje. Na kraju Planckove ere, gravitacija se oslobodila od ostalih, još ujedinjenih sila prirode, stekavši nezavisan identitet koji naše sadašnje teorije sasvim dobro opisuju. Kada je svemir prešao starost od 10-35 sekundi, nastavio se i dalje širiti i hladiti, a ostatak nekada ujedinjenih sila razdvojio se na elektroslabu silu i jaku nuklearnu silu. Još kasnije, elektroslaba sila rascijepila se na elektromagnetnu silu i slabu nuklearnu silu, čime su konačno nastale četiri samostalne sile za koje danas znamo – pri čemu slaba sila upravlja radioaktivnim raspadom, jaka sila povezuje čestice u atomskoj jezgri, elektromagnetna sila drži na okupu atome u molekulama, dok gravitacija drži na okupu veće količine materije. U vrijeme kada je svemir dostigao starost od jednog bilijuntog dijela sekunde, njegove prestrukturirane sile, uz još nekoliko ključnih događaja,
već su odredile temeljna svojstva našeg svijeta, od kojih svako zavređuje da se o njemu napiše posebna knjiga. Kako je prolazio prvi bilijunti dio sekunde svemira, već je došlo do međudjelovanja materije i energije. Neposredno prije, za vrijeme i nakon što su se jaka i elektroslaba sila razdvojile, svemir bijaše uskomešani ocean kvarkova, leptona i njihovih antimaterijskih parnjaka, uz bozone koji su omogućavali ovim česticama da stupaju u međudjelovanja. Nijedna od tih čestica, barem koliko nam je poznato, ne može se podijeliti na manje i osnovnije sastojke. Fotoni, uključujući i one koji stvaraju vidljivu svjetlost, pripadaju obitelji bozona. U leptone, od kojih su laicima najpoznatiji elektroni i (možda) neutrini; a najpoznatiji kvarkovi su... e, nema najpoznatijih kvarkova zato što u običnom životu uvijek imamo kvarkove vezane u česticama kao što su protoni i neutroni. Svakoj vrsti kvarkova dodijeljen je apstraktan naziv koji nema nikakav filološki, filozofski ili pedagoški smisao. Nazivi su tu jedino zato da bismo kvarkove razlikovali u govoru/ pisanju: “gore” i “dolje”, “čudan” i “šarmantan”, “vrh” i “dno”. Usput budi rečeno, bozoni su nazvani po indijskom fizičaru Satyendranathu Boseu. Riječ “lepton” potječe od grčkog leptos, što znači “lak” ili “mali”. “Kvarkovi”, međutim, imaju književno i znatno maštovitije porijeklo. Američki fizičar Murray Gell-Mann, koji je 1964. predložio teoriju o postojanju kvarkova i koji je u to vrijeme smatrao da obitelj kvarkova ima samo tri člana, preuzeo je naziv za njih iz jednog tipično složenog ulomka iz romana Jamesa Jojcea Finnegansovo bdijenje: “Three quarks for Muster Mark!” Nazivi kvarkova imaju jednu nesumnjivu vrlinu: svi su jednostavni. Ovom se vrlinom baš ne mogu uvijek podičiti kemičari, biolozi i geolozi pri izboru naziva u svojim područjima. Kvarkovi su neobični. Za razliku od protona, čiji električni naboj iznosi +1, i elektrona, čiji naboj iznosi –1, kvarkovi imaju iznose naboja 1/3 ili 2/3, s pozitivnom ili negativnim predznakom. Osim u najekstremnijim uvjetima, jedan kvark nikada nećete zateći u obliku samostalnog entiteta; uvijek će se javljati zajedno s još jednim ili s još dva kvarka. Štoviše, sila koja drži na okupu dva ili više kvarka postaje snažnija što ih više razdvajate – kao da su povezani nekom subnuklearnom gumenom vrpcom. Ako ipak uspijete dovoljno razdvojiti kvarkove, gumena vrpca među njima će pući. Energija uskladištena u napetoj vrpci tada priziva E = mc2 i stvara nove kvarkove na dva kraja te vas tako vraća na početak.
Tijekom ere kvarkova i leptona u prvom bilijuntom dijelu sekunde svemira, njegova gustoća bila je tolika da se prosječni razmak između nepovezanih kvarkova nije razlikovao od razmaka između povezanih kvarkova. U tim uvjetima, međusobna privrženost među obližnjim kvarkovima nije mogla biti jednoznačno određena te su se oni slobodno kretali. Do eksperimentalne potvrde ovog stanja materije, koje je sasvim prikladno nazvano “kvarkovska juha”, došla je 2002. godine jedna ekipa fizičara iz Nacionalnog laboratorija Brookhaven na Long Islandu. Kombinacija promatračkih rezultata i teorije navodi nas na zaključak da je neka epizoda u vrlo ranom svemiru, možda prilikom nekog od dijeljenja sila na dvije podvrste, imala za posljedicu nastanak važne asimetrije pri kojoj su čestice materije postale brojnije od čestica antimaterije za otprilike jednu na milijardu – što se pokazalo kao dovoljna razlika da mi danas postojimo. Ovo malo nepodudaranje teško da je uopće moglo biti zapaženo usred neprekidnog stvaranja, anihiliranja i ponovnog stvaranja kvarkova i antikvarkova, elektrona i antielektrona (poznatijih kao pozitroni) i neutrina i antineutrina. Tijekom te ere, maleni pretičak materije nad antimaterijom imao je bezbroj prilika da nađe čestice s kojima bi se poništio, kao što su to učinile i sve ostale čestice. Ali takve prilike nisu još dugo potrajale. Kako se svemir nastavio širiti i hladiti, temperatura mu je brzo pala ispod bilijun kelvina. Od početka je protekao milijunti dio sekunde, ali sad već “mlaki” svemir više nije imao dovoljnu ni temperaturu ni gustoću da kuha kvarkove. Svi kvarkovi brzo su se dočepali partnera za ples, stvorivši postojanu novu obitelj teških čestica nazvanih hadroni (od grčke riječi hadros, što znači “gust”). Udruživanje kvarkova u hadrone brzo je dovelo do nastanka protona i neutrona, kao i drugih, manje poznatih vrsta teških čestica koje se sve sastoje od neke kombinacije kvarkova. Mala asimetrija između materije i antimaterije u juhi kvarkova i leptona sada se prenijela na hadrone, što je imalo izuzetne posljedice. Kako se svemir hladio, količina raspoložive energije za spontano stvaranje čestica postojano je opadala. U eri hadrona, fotoni više nisu mogli računati na E = mc2 za pravljenje parova kvarkova i antikvarkova: njihovo E više nije bilo dovoljno za nastanak mc2 parova. Osim toga, fotoni koji su nastajali iz svih preostalih anihilacija nastavili su gubiti energiju u procesu širenja svemira, sve dok ona konačno nije pala ispod praga neophodnog za stvaranje parova hadrona i antihadrona. Svakih milijardu anihilacija ostavljalo je za sobom milijardu fotona – dok je
preživljavao samo jedan hadron, nijemi svjedok maloga pretička materije nad antimaterijom u ranom svemiru. Ti samotni hadroni, ta milijardinka energetske juhe, na kraju će stvoriti sveukupnu materiju: iz njih će nastati galaktike, zvijezde, planeti i ljudi. Da nije bilo te neravnoteže od milijardu prema milijardu i jedan između materije i antimaterije, sveukupna masa u svemiru (s izuzetkom tamne materije čiji je oblik i dalje nepoznat) poništila bi se prije no što bi svemir navršio jednu sekundu postojanja, ostavivši za sobom svijet u kojem bismo vidjeli (kada bi nas bilo) fotone i ništa drugo – konačni scenarij po modelu “Neka bude svjetlost”. Ali sada je protekla prva sekunda. Na temperaturi od milijardu kelvina svemir je i dalje vruć – još može kuhati elektrone koji se, zajedno sa svojim antimaterijskim parnjacima pozitronima sad pojavljuju, a sad nestaju. Ali kako se nastavlja širenje i hlađenje svemira, njihovi dani (točnije, sekunde) bivaju odbrojani. Ono što se prethodno dogodilo s hadronima sada se zbilo i s elektronima i pozitronima: međusobno su se poništili, a samo je jedan na milijardu preživio samoubilački pakt materije i antimaterije. Ostali elektroni i pozitroni stradali su i preplavili svemir pravim morem fotona. Kada se okončala era međusobnog poništavanja elektrona i pozitrona, u svemiru je na svaki proton dolazio po jedan elektron. S nastavkom hlađenja, odnosno kako je temperatura pala ispod 100 milijuna stupnjeva, protoni su se dijelom povezivali s drugim protonima i neutronima, stvarajući atomske jezgre i pripremajući teren za jedan budući svemir u kojem će 90 posto ovih jezgri otpadati na vodik, a 10 posto na helij, uz tek male dodatke u obliku jezgara deuterija, tricija i litija. Protekle su dvije minute od početka. Sljedećih 380.000 godina ništa se značajno nije dogodilo u našoj juhi vodikovih i helijevih jezgri, elektrona i fotona. Tijekom tih stotina milenija temperatura svemira bila je dovoljno visoka da se elektroni slobodno kreću među fotonima. Kao što ćemo uskoro vidjeti u trećem poglavlju, ova sloboda naglo se završila kada se temperatura svemira spustila ispod 3000 kelvina (što je približno polovica temperature na površini Sunca). Tek tada su elektroni zauzeli mjesta na stazama oko jezgri, stvarajući atome. Vjenčanjem elektrona i jezgri, novonastali atomi našli su se usred fotona vidljive svjetlosti, čime je završena priča o nastanku čestica i atoma u
praiskonskom svemiru. Nastavak širenja svemira doveo je do novog slabljenja energije fotona. Danas, u kojem god pravcu astrofizičari pogledali, svuda nailaze na trag mikrovalnih fotona na temperaturi od 2,73 kelvina, što je samo tisućiti dio vrijednosti temperature kojom su oni raspolagali u doba nastanka atoma. Raspodjela ovog zračenja na nebu – ista količina energije stiže iz svih pravaca – čuva sjećanje na raspodjelu materije u svemiru neposredno prije no što su atomi stvoreni. Iz ove raspodjele astrofizičari mogu steći mnoštvo podataka, među kojima su starost i oblik svemira. Iako su atomi danas dio svakodnevnog života svemira, Einsteinovu jednadžbu čeka još puno posla – u akceleratorima, gdje se parovi čestica materije i antimaterije rutinski stvaraju iz energetskih polja; u jezgri Sunca, gdje 4,4 milijuna tona materije biva pretvoreno u energiju svake sekunde; i u središtima svih drugih zvijezda. E = mc2 nalazi primjenu i u blizini crnih jama, tik izvan njihovog događajnog obzora, gdje mogu nastajati parovi čestica i antičestica nauštrb silne gravitacijske energije crne jame. Britanski kozmolog Stephen Hawking prvi je opisao ovu pojavu 1975., pokazavši da cjelokupna masa crne jame može polako ispariti pod djelovanjem ovog procesa. Drugim riječima, crne jame nisu sasvim crne. Pojava je poznata kao Hawkingovo zračenje i služi kao podsjetnik na stalnu upotrebljivost Einsteinove najpoznatije jednadžbe. Ali što se događalo prije sve ove svemirske strke. Što je bilo prije početka? Astrofizičari ne znaju ništa o tome. Odnosno, naše najmaštovitije zamisli su ništa ili vrlo malo utemeljene na eksperimentalnoj znanosti. Ipak, ljudi skloni religijskom pogledu na svijet tvrde, često uz prizvuk samouvjerenosti, da je nešto moralo pokrenuti cijelu stvar: neka sila veća od svih ostalih, izvor iz kojeg je sve proizašlo. Prapokretač. Za ove ljude to nešto je, naravno, Bog, čija se priroda mijenja od vjernika do vjernika, ali i koji je uvijek odgovoran za početak kotrljanja lopte. Ali što ako je svemir oduvijek postojao, u stanju koje tek trebamo odrediti – kao multiverzum, na primjer, u okviru kojega je ono što mi nazivamo svemirom samo mjehurić u zapjenušanom oceanu? Ili što ako je svemir, poput njegovih čestica, odjednom iskočio ni iz čega što bismo mogli vidjeti? Ovakvi odgovori obično ne zadovoljavaju nikoga. No, oni nas
podsjećaju na to da je učeno neznanje prirodno stanje uma istraživačkih znanstvenika na stalno promjenjivoj granici znanja. Ljudi koji su za sebe smatrali da ne znaju ništa nikada se nisu dali u potragu za granicom – niti su na nju naletjeli – između onoga što je poznato i što je nepoznato u svemiru. A tu počiva očaravajuća dihotomija: “Svemir je oduvijek postojao” – ne prihvaća se kao dobar odgovor na pitanje “Što je bilo prije početka?” Ali za mnoge religiozne ljude “Bog je oduvijek postojao” prihvaća se kao očit i sasvim zadovoljavajući odgovor na pitanje “Što je bilo prije Boga?” Kojem god taboru pripadali, kada se upustite u pokušaje davanja odgovora na pitanje kako je sve počelo, obično se javlja emocionalno uzbuđenje – kao da ćete postati sudionikom u onome što je uslijedilo ili čak odgovorni za to. No, ono što vrijedi za život, vrijedi i za svemir: znati odakle potječete nije manje važno nego znati kamo idete.
2. ANTIMATERIJA JE BITNA Fizičari čestica pobijedili su u natjecanju za najneobičniji, ali i najljupkiji žargon u okviru svoje discipline. Gdje još možete naći neutralni vektorski bozon koji se razmjenjuje između negativnog miona i mionskog neutrina? Ili gluonsku razmjenu pri kojoj se spajaju čudni kvark i šarmantni kvark? Također, gdje još možete sresti skvarkove, fotine i gravitine? Osim ovih prividno bezbrojnih čestica neobičnih naziva, fizičari čestica moraju se još nositi s paralelnim svemirom antičestica, zajedno poznatim kao antimaterija. Iako se može učiniti da pripada carstvu znanstvene fantastike, antimaterija je stvarna. Uz to, kao što možete pretpostaviti, teži anihiliranju pri dodiru s običnom materijom. Svemir otkriva čudnu romansa između antičestica i čestica. One mogu nastati zajedno iz čiste energije, kao što se mogu i međusobno uništiti vraćanjem udružene mase u energiju. Godine 1932. američki fizičar Carl David Anderson otkrio je antielektron, pozitivno nabijenog antimaterijskog parnjaka negativno nabijenog elektrona. Tijekom kasnijih godina, fizičari čestica rutinski su pravili antičestice svih vrsta u akceleratorima diljem svijeta, ali tek nedavno su uspjeli dobiti cijeli atom sastavljen od antičestica. Počevši od 1996. godine, međunarodna skupina znanstvenika predvođena Walterom Oelertom s Istraživačkog instituta za nuklearnu fiziku u Jülichu, u Njemačkoj, pravi atome antivodika u kojima antielektroni sretno kruže oko antiprotona. Ove prve antiatome fizičari su napravili u divovskom akceleratoru pri Europskom centru za nuklearna istraživanja (poznatijem po francuskom akronimu CERN) u Ženevi, gdje su ostvareni i mnogi drugi značajni uspjesi u fizici čestica. Fizičari koriste jednostavnu metodu stvaranja: naprave mnoštvo antielektrona i antiprotona, izmiješaju ih pri prikladnoj temperaturi i gustoći, a onda čekaju da se povežu i stvaraju atome. Tijekom prvih pokusa, Oelertova ekipa je izgradio devet atoma antivodika. Ali, u svijetu kojim prevladava obična materija, život jednog atoma antimaterije može biti neizvjestan. Atomi antivodika opstali su nešto manje od 40 nanosekundi (četrdeset milijarditih dijelova sekunde) prije no što su se poništili s običnim atomima.
Eksperimentalno otkriće antielektrona bio je jedan od velikih uspjeha teorijske fizike; njegovo postojanje predvidio je samo nekoliko godina ranije britanski fizičar Paul A. M. Dirac. Za opis materije u najmanjim veličinama – veličinama atomskih i subatomskih čestica – fizičari su razvili novu granu fizike tijekom dvadesetih godina prošlog stoljeća. Svrha nove grane bila je objasniti rezultate eksperimenata s ovim česticama. Oslanjajući se na novopostavljena pravila, sada poznata pod imenom kvantna teorija, Dirac je zaključio iz drugog rješenja svoje jednadžbe da bi se fantomski elektron “s druge strane” mogao povremeno pojaviti u svijetu kao običan elektron, ostavivši za sobom procijep ili jamu u moru negativnih energija. Iako se Dirac nadao da će na ovaj način objasniti protone, drugi fizičari izložili su pretpostavku da će se ova jama eksperimentalno pokazati kao pozitivno nabijen antielektron koji je dobio naziv pozitron po svojoj pozitivnom naboju. Praktično otkriće pozitrona potvrdilo je Diracovu osnovnu zamisao i dalo antimateriji podjednako uvažavanje kao i materiji. Jednadžbe s dvostrukim rješenjem nisu neuobičajene. Jedan od najjednostavnijih primjera je pitanje koji broj pomnožen samim sobom daje devet. Je li to 3 ili –3? Odgovor, naravno, glasi: i jedan i drugi, zato što je 3 × 3 = 9, kao što je i (–3) × (–3) = 9. Fizičari ne mogu jamčiti da će sva rješenja neke jednadžbe odgovarati događajima iz stvarnog svijeta, ali ako je ispravan matematički model neke fizičke pojave, manipuliranje njegovim jednadžbama može biti podjednako korisno kao i manipuliranje cijelim svemirom (a i nešto lakše od toga). Kao u slučaju Diraca i antimaterije, ovakvi postupci često vode do provjerivih predviđanja. Ako se predviđanja pokažu netočna, onda se teorija odbacuje. Ali kakav god bio fizički rezultat, matematički model osigurava da su zaključci koje ste iz njega izveli i logični i unutar sebe dosljedni. Subatomske čestice imaju mnoga mjerljiva svojstva, od koji se masa i naboj ubrajaju u najznačajnija. S izuzetkom mase, koja je uvijek ista kod čestice i antičestice, posebna svojstva svake vrste antičestica uvijek su suprotna od odgovarajućih svojstava čestica. Primjera radi, pozitron ima istu masu kao elektron, ali dok je naboj pozitrona +1, naboj elektrona iznosi –1. U istom smislu, antiproton je negativno nabijena antičestica protona. Vjerovali ili ne, neutron, koji je bez naboja, također ima svoju antičesticu. Njezin naziv je – nije teško pogoditi – antineutron. Antineutron
ima suprotni nulti naboj u odnosu na obični neutron. Ova antimaterijska čarolija proizlazi iz karakteristične trojke trećinski nabijenih čestica (kvarkova) koje stvaraju neutrone. Tri kvarka koja ulaze u sastav neutrona imaju naboje od –1/3, –1/3 i +2/3, dok kod kvarkova antineutrona naboji iznose 1/3, 1/3 i –2/3. Svaki od dva skupa od po tri kvarka ima ukupni nulti naboj ali su zato njihovi odgovarajući sastavni dijelovi suprotno nabijeni. Antimaterija može nastati ni iz čega. Ako fotoni gama zračenja imaju dovoljno visoku energiju, u stanju su pretvoriti se u parove elektrona i pozitrona, čime pretvaraju svoju veliku energiju u malu količinu materije tijekom procesa u kojem se iznosi energije i materije ravnaju prema Einsteinovoj jednadžbi E = mc2. Na jeziku Diracovoga prvobitnoga tumačenja, foton gama zračenja izbacuje elektron iz područja negativnih energija, stvarajući običan elektron i elektronsku jamu. Može se dogoditi i obrnuti proces. Ako se čestica i antičestica sudare, one će se međusobno poništiti tako što će ispuniti jamu i emitirati gama zračenje. Gama zračenje svakako je nešto što treba izbjegavati. Ako nekako uspijete stvoriti grudu antičestica kod kuće, do grla ste u nevoljama. Prije svega, suočit ćete se s problem skladištenja zato što će se vaše antičestice poništiti s bilo kojom uobičajenom vrećicom iz samoposluge (papirnom ili plastičnom, svejedno) u koju biste najprije mogli pomisliti spremiti grudu. Mudriji način skladištenja bio bi smještaj antičestica u jako magnetno polje u kojem bi ih zadržali nevidljivi, ali vrlo djelotvorni magnetni “zidovi”. Ako ovo magnetno polje postavite u vakuum, osigurali biste da ne dođe do dodira antičestica s običnom materijom. Ovaj magnetni ekvivalent boce mogao bi poslužiti i kao vreća koja vam stoji na raspolaganju kad god imate posla s materijalima koji ne trpe uobičajena skladištenja, kao što je, na primjer, plin na temperaturi od 100 milijuna stupnjeva s kakvim se barata u eksperimentima s (kontroliranom) nuklearnom fuzijom. Najveći skladišni problem javio bi se kada biste stvorili cijele antiatome, zato što se antiatomi, kao ni atomi, ne odbijaju od magnetnih zidova. Mudro biste postupili kada biste držali protone i antiprotone u zasebnim magnetnim bocama sve do trenutka kada ih morate dovesti u vezu. Da bi se stvorila antimaterija, potrebno je u najmanju ruku isto onoliko energije koliko se dobije kada se ona poništi s materijom, postajući ponovo energija. Osim ako nemate pun spremnik antimaterijskog goriva
prije lansiranja, uređaj za proizvodnju antimaterije postupno bi isisavao energiju iz vašeg svemirskog broda. Možda se upravo to dogodilo u prvobitnoj televizijskoj seriji i filmskom serijalu Zvjezdane staze; ako nas pamćenje dobro služi, kapetan Kirk stalno je tražio “više snage” iz materija-antimaterija pogona, na što je Scotty uvijek uzvraćao svojim škotskim naglaskom da “motori nemreju to zdržati”. Iako fizičari očekuju da se atomi vodika i antivodika ponašaju isto, ovo predviđanje još nije eksperimentalno potvrđeno, poglavito zbog poteškoća vezanih za duže održavanje atoma antivodika, koji se gotovo trenutno anihiliraju s protonima i elektronima. Znanstvenici bi voljeli potvrditi da se ponašanje pozitrona vezanog za antiproton u atomu antivodika pokorava svim zakonima kvantne teorije, odnosno da se gravitacija antiatoma ponaša upravo onako kako bismo to očekivali kod običnih atoma. Proizvodi li možda antiatom antigravitaciju (koja je odbojna) umjesto obične gravitacije (koja je privlačna)? Teorija upućuje na običnu gravitaciju, ali ako bi se pokazalo da je na snazi ono prvo, to bi pružilo izuzetna nova znanja u prirodi. Na atomskoj razini, sila gravitacije između bilo koje dvije čestice neizmjerno je mala. Umjesto gravitacije, elektromagnetna i nuklearna sila upravljaju ponašanjem tih majušnih čestica zato što su obje znatno jače od gravitacije. Da biste provjerili postoji li antigravitacija, bilo bi vam potrebno dovoljno antiatoma da napravite objekte svakodnevnih veličine, kako biste mogli izmjeriti njihova makroskopska svojstva i usporedite ih s običnom materijom. Ako bi se napravio komplet bilijarskih kugli (kao i, naravno, bilijarski stol i štapovi) od antimaterije, bi li se partija antibilijara mogla razlikovati od partije bilijara? Bi li neka antikugla ušla u kutnu jamu na točno isti način kao obična kugla? Bi li antiplaneti kružili oko antizvijezde na isti način na koji obični planeti kruže oko običnih zvijezda? Filozofski, ta pitanja imaju smisla i bilo bi u suglasnosti sa svim predviđanjima suvremene fizike pretpostaviti da će se za ukupna svojstva antimaterije pokazati da su ista s onima kakva ima obična materija: poznatu nam gravitaciju, poznate sudare, poznatu svjetlost i tako dalje. Nažalost, to znači da ako nam se približava neka antigalaktika i ako prijeti neizbježan sudar s Mliječnom stazom, ona se ne bi mogla razlikovati od obične galaktike sve dok ne bude prekasno da se bilo što poduzme. Ali ova zastrašujuća opasnost ne može biti česta u današnjem svemiru zato što, na primjer, ako bi se samo jedna antizvijezda anihilirala s nekom običnom zvijezdom, pretvaranje njihove materije i antimaterije u gama zračenje bilo
bi brzo, silovito i potpuno. Ako bi se u našoj Galaktici sudarile dvije zvijezde po masama slične Suncu (od kojih bi svaka sadržavala po 1057 čestica), njihovo međusobno poništavanje stvorilo bi sjaj koji bi privremeno nadmašio sveukupnu energiju svih zvijezda iz 100 milijuna galaktika, sprživši nas u trenu. Ne raspolažemo promatranjima da se nešto slično ikada zbilo ma gdje u svemiru. Prema tome, koliko možemo prosuditi, svemirom prevladava obična materija i tako je bilo još od prvih nekoliko minuta poslije Velikog praska. Potpuna anihilacija, dakle, pri sudaru materije i antimaterije ne mora vas previše brinuti kad se sljedeći put otisnete na međugalaktičko putovanje. No, svemir sada izgleda prilično neuravnotežen: očekujemo da čestice i antičestice nastaju u jednakom broju, ali ustanovljavamo da svemirom prevladavaju obične čestice kojima kao da antičestice nimalo ne nedostaju. Može li se ova neravnoteža objasniti postojanjem skrivenih džepova antimaterije u svemiru? Je li neki zakon fizike narušen (ili je možda posrijedi bio neki nepoznati zakon fizike) tijekom ranog svemira, čime je došlo do nesklada u korist materije nad antimaterijom? Možda nikada nećemo doznati odgovore na ova pitanja, ali za svaki slučaj, ako vam se na vratima pojavi neki izvanzemaljac i pruži jedan od pipaka u znak pozdrava, dobacite mu najprije jednu bilijarsku kuglu. Ako pipak i kugla eksplodiraju, onda se zasigurno izvanzemaljac sastoji od antimaterije. (Kako će on i njegovi pratitelji reagirati na to, kao i hoće li vama eksplozija nauditi, o tome ovdje nećemo dalje.) Ako, pak, izvanzemaljac prihvati bilijarsku kuglu, možete bez opasnosti svog novog prijatelja upoznati sa svojim prijateljima.
3. NEKA BUDE SVJETLOST Uvrijeme kada je svemir bio star samo djelić sekunde, temperature od bilijun stupnjeva i ispunjen nepojmljivim sjajem, najviše ga je zanimalo širenje. Sa svakim minulim trenom postajao je sve veći kako se sve više prostora pojavljivalo ni iz čega (ovo nije lako zamisliti, ali činjenice odnose prevagu nad zdravim razumom). Kako se svemir širio, postajao je hladniji i manje sjajan. Stotinama tisućljeća materija i energija postojale su zajedno u svojevrsnoj gustoj juhi u kojoj su brzi elektroni neprekidno razbacivali fotone svjetlosti na sve strane. U to doba, ako vam je namjera bila da bacite pogled kroz svemir, to niste mogli. Svaki foton koji bi vam ušao u oko odbio bi se, samo nekoliko nanosekundi ili pikosekundi ranije, od elektrona tik pred vašim licem. Sve što biste vidjeli bila bi blistava magla u svim pravcima, a sve što bi vas okruživalo – sjajno, prozirno, crvenkastobijele boje – bilo bi jarko poput površine Sunca. Kako se širenja svemira nastavljalo, opadala je energija koju je nosio svaki foton. Konačno, nekako u vrijeme kada je mladi svemir proslavio svoj 380.000. rođendan, temperatura mu je pala ispod 3000 stupnjeva, što je omogućilo da se protoni i jezgre helija trajno domognu elektrona te da na taj način podare svemiru atome. U ranijim razdobljima, svaki foton imao je dovoljno energije da razbije novostvoreni atom, ali sada, zbog širenja svemira, fotoni to više nisu bili u stanju. Sa sve manje slobodnih elektrona koji bi im stajali na putu, fotoni su konačno mogli jurnuti kroz prostor, bez opasnosti da će naletjeti na neku prepreku. Tada je svemir postao proziran, magla se podigla, a oslobođeno je kozmičko pozadinsko zračenje vidljive svjetlosti. Ovo kozmičko pozadinsko zračenje zadržalo se do danas u obliku ostataka svjetlosti iz blještavog, zasljepljujućeg, ranog svemira. Riječ je o sveprisutnom moru fotona koji se ponašaju i kao valovi i kao čestice. Valna dužina svakog fotona jednaka je razmaku između dva susjedna brijega njegovog vala – što biste mogli izmjeriti i ravnalom samo kad biste bili u uhvatiti neki foton za rep. Svi fotoni kreću se istom brzinom u
vakuumu, oko 300.000 kilometara u sekundi (što se, prirodno, naziva brzina svjetlosti), te će tako fotoni kraćih valnih dužina imati veći broj bregova koji prolaze kroz neku točku svake sekunde. Kraće valne dužine, dakle, nose više oscilacija u jedinici vremena, pa će zato imati veću frekvenciju – odnosno veći broj oscilacija u sekundi. Frekvencija svakog fotona je i izravna mjera njegove energije: što je ona viša, to foton nosi više energije. Kako se svemir hladio, fotoni su gubili energiju u širenju svemira. Fotoni nastali na gama području ili rendgenskim dijelovima spektra prelazili su u fotone ultraljubičastoga područja, zatim područja vidljive svjetlosti te infracrvenog područja spektra. Danas, 13,7 milijarda godina od početka, fotoni svemirske pozadinskog zračenja premjestili su se toliko niz spektar da su sada u mikrovalnom području. Zato astrofizičari danas to zračenje nazivaju “svemirska mikrovalna pozadina”, iako je udomaćeniji naziv “kozmičko pozadinsko zračenje” ili KPZ. Za sto milijarda godina, kako se svemir još bude proširio i ohladio, tadašnji astrofizičari koristit će vjerojatno izraz “svemirska radiovalna pozadina”. Temperatura svemira opadala je kako mu je veličina rasla. To je sasvim prirodno. Kako se razni dijelovi svemira razmiču, valne dužine fotona u KPZ-u moraju se povećavati: svemir razvlači ove valove unutar rastezljivog tkiva prostora i vremena. Kako je energija svakog fotona obrnuto razmjerna njegovoj valnoj dužini, svi fotoni koji se slobodno kreću izgubit će polovicu prvobitne energije sa svakim udvostručenjem veličine svemira. Sva tijela temperature iznad apsolutne nule zrače fotone u svim dijelovima spektra. Ali to zračenje uvijek ima negdje vrhunac. Vršna valna dužina energije kod obične kućne žarulje nalazi se na infracrvenom dijelu spektra koji možete osjetiti kao toplinu na koži. Naravno, žarulje emitiraju i puno vidljive svjetlosti, inače ih ne bismo kupovali. Dakle, ne samo da osjećate zračenje žarulje nego ga i vidite. Vršna valna dužina svemirskog pozadinskog zračenja pada na valnu dužinu od oko 1 milimetar, što je tek djelić mikrovalnog dijela spektra. Statički šum koji čujete na voki-tokiju potječe od mikrovalnog zračenja okoline, od čega nekoliko postotaka otpada na KPZ. Ostatak ovog šuma stvaraju Sunce, mobilni telefoni, policijski radari i tako dalje. Osim vršne valne dužine na mikrovalnom području, KPZ se javlja i na radiopodručju (ometajući tako zemaljske radiokomunikacije), dok tek vrlo malo ima
fotona s energijama višim od mikrovalnih. Američki fizičar ukrajinskog porijekla George Gamov i njegove kolege predvidjeli su postojanje KPZ-a tijekom četrdesetih godina dvadesetog stoljeća, o čemu su objavili rad 1948. u kojem su primijenili tada poznate zakone fizike na neobične uvjete koji su vladali u ranom svemiru. Rad se temelji na zamislima Georgesa Edouarda Lemaîtrea, belgijskoga astronoma i isusovca, koji se danas smatra utemeljiteljem kozmologije Velikog praska. Lemaîtreov rad objavljen je 1927.) Ali dvojica američkih fizičara, Ralph Alpher i Robert Herman, koji su prethodno surađivali s Gamovom, prvi su procijenili kolika bi trebala biti temperatura svemirske pozadine. Promatrano unatrag, Alpher, Gamov i Herman pošli su od onoga što danas izgleda kao razmjerno jednostavan argument – isti onaj koji smo i mi istaknuli: prostorvrijeme je bilo manje jučer, a elementarna fizika nalaže da je zbog manjih veličina moralo biti toplije. Fizičari su zato vratili uru unatrag kako bi zamislili razdoblje koje smo opisali, kada je svemir bio toliko topao da su atomske jezgre bile ogoljene zato što su se, pri sudaru s fotonima, elektroni odvajali i slobodno se kretali prostorom. Pod takvim uvjetima, pretpostavili su Alpher i Herman, fotoni nisu mogli neometano juriti kroz svemir, kao što to čine danas. Za sadašnji slobodan tok fotona neophodno je bilo da se svemir dovoljno rashladi i time omogući da se elektroni stabiliziraju na stazama oko atomskih jezgara. Tada su nastali atomi, a svjetlost se sada mogla kretati bez smetnji. Iako je Gamov shvatio ključnu činjenicu da je rani svemir morao biti znatno topliji od suvremenog, Alpher i Herman prvi su izračunali kolika mu temperatura treba biti danas: 5 kelvina. Da, dobili su pogrešan rezultat – danas znamo da je temperatura KPZ 2,73 kelvina. Ali njih trojica ipak su obavili uspješnu ekstrapolaciju unatrag, u dubine davno završenih svemirskih razdoblja – što je pothvat kojem malo ima premca u povijesti znanosti. Osloniti se samo na elementarnu atomsku fiziku na laboratorijskoj razini i odatle izvesti zaključke o najvećoj ikad izmjerenoj pojavi – toplinskoj povijesti svemira – doista je podvig vrijedan divljenja. Evo što je, povodom ovog uspjeha, napisao J. Richard Gott III, astrofizičar s Princetona, u knjizi Putovanje kroz vrijeme u Einsteinovom svemiru: “Predvidjeti da zračenje postoji, a zatim odrediti njegovu temperaturu uz pogrešku od samo faktora 2 bilo je izuzetno postignuće – ravno onome kao da su predvidjeli da će se leteći tanjur od 15 metara u promjeru spustiti na travnjak ispred Bijele kuće, a ono se pokaže da letjelica ima, zapravo, 7,5
metara.” U vrijeme kada su Alpher, Herman i Gamov izložili svoju pretpostavku, fizičari još nisu bili složni oko toga kako je svemir počeo. Godine 1948, iste one kada se pojavio rad Alphera i Hermana, izložena je teorija “stalnog stanja” u dva rada objavljena u Engleskoj. Prvi rad su zajedno potpisali matematičar Hermann Bondi i astrofizičar Thomas Gold, dok je autor drugoga bio astrofizičar Fred Hoyle. Prema teoriji stalnog stanja, svemir je, iako se širi, uvijek izgledao isti – što je bila zamisao koja je privlačila svojom jednostavnošću. Ali kako se svemir širi, a stacionarni svemir ne smije biti nimalo topliji i gušći jučer nego danas, prema scenariju Bondija, Golda i Hoylea materija se neprekidno pojavljuje u našem svijetu upravo za onoliko koliko je potrebno da bi se održala ista prosječna gustoća sve većeg svemira. Nasuprot tome, prema teoriji Velikog praska (ime koje je Fred Hoyle prezrivo smislio) sveukupna materija nastala je u jednom trenu, što nekima izgleda emotivno prihvatljivije. Obratite pažnju na to da teorija stalnog stanja pomiče pitanje nastanka svemira u beskonačnu prošlost – što je baš zgodno za one koji se radije ne bi hvatali u koštac s ovim nezgodnim problemom. Predviđanje kozmičkog pozadinskog zračenja zadalo je ozbiljan udarac pobornicima teorije stalnog stanja. Postojanje KPZ jasno je pokazalo da je svemir jednom bio vrlo različit – znatno manji i topliji – od onoga kako danas izgleda. Kada je KPZ prvi put neposredno zabilježeno, time su zakucani prvi čavli u mrtvački sanduk teorije stalnog stanja (premda Fred Hoyle nikada nije prihvatio da KPZ ruši njegovu elegantnu teoriju, sve do svoje smrti pokušavajući pronaći druge razloge kojima bi se ovo zračenje moglo objasniti). Godine 1964. KPZ su slučajno otkrili Arno Penzias i Robert Wilson iz Laboratorija Bell Telepfone (Bell Lab). Nešto malo više od deset godina kasnije Penzias i Wilson dobili su Nobelovu nagradu za svoj naporan rad i puno sreće. Kako su Penzias i Wilson stigli do Nobelove nagrade? Početkom šezdesetih godina fizičari su znali za mikrovalove, ali gotovo još nitko nije bio u stanju zabilježiti slabašne signale s mikrovalnog dijela spektra. U to vrijeme, glavnina bežičnog komuniciranja (prijemnici, detektori, odašiljači) odvijala se na radiovalovima koji imaju veće valne dužine od mikrovalova. Za ove su znanstvenicima bili potrebni detektor kraćih valnih dužina i osjetljiva antena kojom bi ih primali. U Bel Labu postojala je jedna takva antena, ogromnih veličine, u obliku roga, kojoj nije bilo premca u hvatanju mikrovalova.
Ako šaljete ili primate signale bilo koje vrste, ne želite da vas u tome ometaju drugi signali. Penzias i Wilson pokušavali su otvoriti novi komunikacijski kanal za Bell Lab; željeli su ustanoviti koliko će ovi signali biti ometani “pozadinskom” interferencijom – sa Sunca, iz središta Galaktike, iz zemaljskih izvora, s bilo kojeg mjesta. Poduzeli su zato jedno standardno, važno i potpuno bezazleno mjerenje čija je svrha bila da se ustanovi koliko se lako mogu hvatati mikrovalni signali. Iako su Penzias i Wilson znali ponešto i astronomije, nisu bili kozmolozi već fizičari koji proučavaju mikrovalove; ništa nisu znali o predviđanjima Gamova, Alphera i Hermana. Ono za čim sigurno nisu tragali bilo je - kozmičko pozadinsko zračenje. I tako, izveli su eksperiment i korigirali rezultate, uzevši u obzir sve poznate izvore interferencije. Ali ustanovili su da se uz signal stalno javlja postojan pozadinski šum za koji nisu znali kako da ga otklone. Izgledalo je da šum potječe iz svih pravaca iznad obzorja, kao i da se ne mijenja tijekom vremena. Konačno su zavirili u svoj divovski rog. Pokazalo se da su u unutrašnjosti golubovi svili gnijezda, zaprljavši prostor oko njih bijelom, dielektričnom tvari – golubljim izmetom. Penziasa i Wilsona počeo je obuzimati očaj: bi li ovo, pitali su se, moglo biti objašnjenje pozadinskog šuma? Kad su očistili izmet, šum je stvarno malo opao. Ali i dalje je bio tu. U radu koji su objavili 1965. u časopisu The Astrophysical Journal o ovoj neuklonjivoj zagonetki govore kao o neobjašnjivom “višku antenske temperature”, a ne kao o astronomskom otkriću stoljeća. Dok su Penzias i Wilson uklanjali ptičji izmet iz antene, ekipa fizičara s Princetonskog univerziteta pod vodstvom Roberta H. Dickea počeo je graditi detektor čija je osnovna namjena bila da otkrije upravo KPZ, koje su predvidjeli Gamov, Alpher i Herman. Profesorima su, međutim, nedostajale pogodnosti kojima su raspolagali u Bell Labu, tako da su sporije napredovali. U trenutku kada su Dicke i njegove kolege doznali za nalaze Penziasa i Wilsona, shvatili su da su preduhitreni. Znanstvenicima s Princetona odmah je, naravno, bilo jasno kakav je to “višak antenske temperature”. Sve se uklapalo s teorijom: temperatura, okolnost da signali dolaze iz svih pravaca u istom opsegu, da ne ovise o vrtnji Zemlje i od Zemljinog položaja na stazi oko Sunca. Ali zašto bi netko prihvatio ovo tumačenje kozmičkog pozadinskog zračenja? Ima za to dobrih razloga. Fotonima je potrebno vrijeme da stignu do nas iz dalekih područja svemira, te zato, kad god podignemo pogled prema noćnom nebu neizbježno poniremo njime unatrag kroz vrijeme. To
znači da ako su inteligentni stanovnici neke daleke galaktike i sami mjerili temperaturu kozmičkog pozadinskog zračenja znatno ranije nego mi, ustanovili bi da je veća od 2,73 kelvina zato što bi živjeli u svemiru koji je mlađi, manji i topliji nego što je ovaj danas. Može li se ova hrabra tvrdnja provjeriti? Može. Pokazuje se da spoj ugljika i dušika koji se naziva cijan – i koji imaju prilike udahnuti osuđenici na smrt kao aktivni sastojak plina koji se pušta u plinskoj komori – postaje energetski uzbuđen kad je izložen mikrovalovima. Ako su mikrovalovi topliji od onih kod KPZ, uzbudit će molekulu malo djelotvornije nego današnji KPZ valovi. Cijan je, dakle, svemirski toplomjer. Kada ga promatramo u dalekim i mlađim galaktikama, cijan bi se trebao nalaziti u toplijem okruženju svemirske pozadine nego što je to u našoj Mliječnoj stazi. Drugim riječima, život u tim galaktikama trebao bi biti energetski uzbuđeniji nego u našoj. Tako i je. Spektar cijana u dalekim galaktikama pokazuje da mikrovalovi imaju upravo onu temperaturu koja bi se očekivala u tim ranijim kozmičkim vremenima. Ove stvari ne mogu se izmisliti. Korist KPZ za astrofiziku znatno je veća nego što je ovaj neposredni dokaz o toplom ranom svemiru, odnosno o Velikom prasku. Promatranja pokazuju da fotoni KPZ koji stižu do nas obiluju informacijama o svemiru i prije no što je postao proziran i poslije toga. Rekli smo već da je sve do 380.000 godina poslije Velikog praska svemir bio neproziran, tako da niste mogli vidjeti čin nastajanja materije čak ni iz prvog reda gledališta. Ne biste mogli vidjeti početak oblikovanja galaktičkih jata. Prije no što je bilo tko, bilo gdje i bilo što mogao vidjeti, fotoni još nisu zadobili slobodu nesputanoga putovanja kroz svemir. No, kada je za to došao trenutak, svaki foton otisnuo se na svoje transkozmičko putovanje s mjesta na kojem je udario u posljednji elektron koji mu se ispriječio na putu. Kako se sve više fotona otiskivalo, neometani više elektronima (koji su se, prisjetimo se, povezivali s jezgrama, gradeći atome), stvorili su šireći ljusku koju astrofizičari nazivaju “površina posljednjega raspršenja”. Ta ljuska, koja je nastajala tijekom razdoblja od oko sto tisuća godina, obilježava doba u kojem su nastali gotovo svi atomi u svemiru. Na velikim područjima svemira materija se tada već počela zgušnjavati. Na mjestima gdje se materija okuplja, gravitacija postaje snažnija, težeći sve većem i većem okupljanju materije. Područja bogata materijom bile su zametak stvaranja galaktičkih superjata, dok su ostala
područja ostala razmjerno prazna. Fotoni koji su se posljednji odbili od elektrona na područjima gdje se odvijalo zgušnjavanje razvili su drukčiji, malo hladniji spektar dok su se izvlačili iz sve jačeg gravitacijskog polja koje im je oduzimalo dio energije. I doista, na KPZ-u se mogu uočiti područja koja su malo toplija ili malo hladnija od prosjeka, tipično za jedan sto tisućiti dio stupnja. Ova toplija ili hladnija mjesta označavaju najranije strukture u svemiru, prva okupljališta materije. Znamo kako materija izgleda danas zato što vidimo galaktike, galaktička jata i galaktička superjata. No da bismo ustanovili, kako su ti sustavi nastali, ispitujemo kozmičko pozadinsko zračenje, izuzetne ostatke iz daleke prošlosti koji i dalje ispunjavaju cijeli svemir. Proučavanje rasporeda KPZ odgovara svojevrsnoj svemirskoj frenologiji: u stanju smo čitati udarce po “lubanji” mladog svemira i na temelju toga izvlačiti zaključke o ponašanju našeg svijeta ne samo kada je bio u povoju nego i kada je odrastao. Uzimajući u obzir i ostala promatranja lokalnih i dalekih dijelova svemira, astronomi mogu iz KPZ-a odrediti sve vrste temeljnih svojstava svemira. Na primjer, ako usporedite raspodjelu veličina i temperatura malo toplijih i malo hladnijih područja, doći ćete do jačine gravitacije u ranom svemiru, što će vam onda otkriti brzinu kojom se materija okupljala. Na temelju toga zatim možemo izračunati koliko svemir sadrži obične materije, tamne materije i tamne energije (približno, redom, 4%, 23% i 73%). Odavde je lako ustanoviti hoće li se svemir zauvijek širiti, odnosno hoće li se širenje vremenom usporavati ili ubrzavati. Svi smo mi izgrađeni od obične materije. Ona gravitacijski djeluje i može upijati i emitirati svjetlost, odnosno stupati s njom u druga međudjelovanja. Tamna materija, kao što ćemo vidjeti u četvrtom poglavlju, tvar je nepoznate prirode koja stvara gravitaciju, ali ne stupa u međudjelovanje sa svjetlošću na bilo koji poznati način. A tamna energija, kao što ćemo vidjeti u petom poglavlju, izaziva ubrzanje širenja svemira, goneći ga da se brže širi nego što bi to inače. U duhu uspoređivanja s frenologijom, kozmolozi razumiju kako se rani svemir ponašao, ali i dalje nemaju pojma o glavnini onoga iz čega se on sastojao, odnosno iz čega se sastoji. Ipak, unatoč ogromnih područja neznanja, kozmologija danas, više nego ikada ranije, ima čvrsto uporište. Kozmičko pozadinsko zračenje sadrži otisak ulaznih dveri kroz koje smo svi prošli.
Otkriće kozmičkog pozadinskog zračenja darovalo je novu preciznost kozmologiji, potvrdivši zaključak, prvobitno izveden na temelju promatranja dalekih galaktika, da se svemir širi već milijardama godina. Tek je precizna i detaljna KPZ karta – karta čiji su prvi mali dijelovi načinjeni pomoću instrumenata na balonima i teleskopa na južnom polu, da bi zatim bilo kartografirano cijelo nebo pomoću satelita zvanog Wilkinsonova sonda za mikrovalnu anizotropiju (WMAP) – uvrstila kozmologiju među eksperimentalne znanosti. Do kraja naše kozmološke priče još ćemo se puno puta sretati s WMAP-om, čiji su se prvi rezultati pojavili 2003. Kozmolozi su vrlo samosvjesni ljudi: kako bi inače smogli hrabrosti donositi zaključke o nastanku svemira? Ali nova era promatračke kozmologije mogla bi pozvati skromnije, manje nadobudno držanje onih koji se njome budu bavili. Svako novo promatranje, svaki skup podataka mogao bi potvrditi ili oslabiti teorije. S jedne strane, promatranja pružaju temelje kozmologiji, temelje koji se u drugim disciplinama podrazumijevaju zato što one raspolažu obiljem laboratorijskih podataka. S druge strane, novi rezultati gotovo sigurno će srušiti neke velike zamisli o kojima kozmolozi maštaju u slučajevima kad nema promatračkih podataka na koja bi se oslonili. Ni jedna znanost ne može dostići zrelost bez preciznih podataka. Kozmologija je sada postala precizna znanost.
4. NEKA BUDE TAMA Gravitacija, najpoznatija sila prirode, istovremeno je najbolje i najslabije shvaćena prirodna pojava. Bio je potreban um Isaaca Newtona, najblistavijeg i najutjecajnijeg fizičara drugog tisućljeća, da bi se shvatilo da tajanstveno “djelovanje na daljinu” gravitacije potječe od prirodnih djelovanja svakog komadića materije, kao i da se privlačno djelovanje između bilo koja dva tijela može opisati jednostavnom algebarskom jednadžbom. Bio je potreban um Alberta Einsteina, najblistavijeg i najutjecajnijeg fizičara dvadesetoga stoljeća, da bi se pokazalo da se djelovanje gravitacije na daljinu još točnije može opisati kao deformacija tkiva prostorvremena, izazvana kombinacijom materije i energije. Einstein je pokazao da su potrebne neke preinake Newtonove teorije da bi se precizno opisala gravitacija – da bi se, na primjer, predvidjelo koliko će se svjetlosne zrake saviti pri prolasku pokraj nekog masivnog tijela. Iako su Einsteinove jednadžbe složenije od Newtonovih, one lijepo opisuju materiju koju poznajemo i volimo. Materiju koju možemo vidjeti, dodirnuti, osjetiti i povremeno okusiti. Ne zna se tko je sljedeći u ovom nizu genija, ali čekamo, evo, već više od pola stoljeća da nam netko kaže zašto glavnina gravitacijske sile koju mjerimo u svemiru potječe od tvari koju ne možemo ni vidjeti, ni dodirnuti, ni osjetiti, ni okusiti. Ili možda iza ovog pretička gravitacije uopće ne stoji materija nego nešto potpuno drugo. To u ovom trenutku ne znamo. Ništa nismo bliže rješenju problema “nedostajuće mase” nego što smo bili 1933. kada se ukazao astronomima koji su mjerili brzinu galaktika čija gravitacija djeluje na susjedne galaktike, odnosno 1937., kada ga je podvrgnuo detaljnom proučavanju živopisni bugarsko-švicarsko-američki znanstvenik Fritz Zwicky koji je predavao na Kalifornijskom tehnološkom institutu više od četrdeset godina, spajajući dalekosežne zaključke o svemiru s osobitim načinom izražavanja i upečatljivom nadarenošću da se suprotstavlja kolegama. Zwicky je proučavao gibanja galaktika u jednom divovskom galaktičkom jatu, smještenom daleko od lokalnih zvijezda Mliječ ne staze, koje na nebu u našoj mašti ocrtavaju zviježđe Coma Berenices (Berenikina
kosa). Jato Coma, kako ga nazivaju znalci, izdvojen je i gust skup galaktika udaljen od Zemlje oko 300 milijuna svjetlosnih godina. Mnogo tisuća galaktika kruži oko središta jata, krećući se u svim pravcima poput pčela koje lete oko košnice. Koristeći gibanja nekoliko desetaka galaktika kao repere za gravitacijsko polje koje drži na okupu cijelo jato, Zwicky je ustanovio da im je prosječna brzina zapanjujuće velika. Kako jače gravitacijske sile dovode do većih brzina tijela koja privlače, Zwicky je zaključio da jato Coma mora imati ogromnu masu. Kada zbrojimo procijenjene mase svih njegovih galaktika, pokazuje se da Coma spada među najveća i najmasivnija galaktička jata u svemiru. No, čak i tako, ono ne sadrži dovoljno vidljive materije da bi se objasnile uočene brzine galaktika iz njegovog sastava. Kao da ovdje nedostaje – materija. Ako primijenite Newtonov zakon gravitacije te pretpostavite da se jato ne nalazi u izvanrednom stanju širenja ili urušavanja, možete izračunati kolika bi trebalo biti karakteristična prosječna brzina galaktika. Sve što vam je za to potrebno su veličina jata i procjena njegove ukupne mase. Masa koja djeluje na udaljenosti opisanu veličinom jata određuje i kojom se brzinom galaktike moraju gibati, a da ne krenu prema središtu jata ili se zauvijek odvojile od njega. Sličnim računanjem, kao što je Einstein pokazao, možete doći do brzine kojom se svaki planeti na nekoj udaljenosti od Sunca mora gibati po svojoj stazi. Nije to nikakvo čarobnjaštvo, ove brzine zadovoljavaju gravitacijske okolnosti u kojima se svaki planet nalazi. Kada bi Sunce odjednom postalo masivnije, Zemlji i svim ostalim tijelima u sustavu naše zvijezde bile bi potrebne veće brzine da se zadrže u sadašnjim stazama. Jednako tako, da planeti imaju veće brzine, Sunčeva sila gravitacije ne bi više bila dovoljna da drži planete na sadašnjim stazama. Da je Zemljina brzina kruženja oko Sunca veća od sadašnje za kvadratni korijen iz 2, naš planet dobio bi takozvanu drugu kozmičku brzinu i napustio bi Sunčev sustav. Isto vrijedi i za znatno veće objekte, kakva je naša galaktika, u kojoj se zvijezde kreću u skupnom gravitacijskom polju svih drugih zvijezda, odnosno za galaktička jata gdje svaka galaktika isto tako osjeća gravitaciju svih drugih galaktika. Evo što je tim povodom Einstein jednom prilikom napisao u počast Isaacu Newtonu (to, naravno, znatno bolje izgleda na njemačkom izvorniku nego u bilo kojem prijevodu): U zvijezde gledajte da vidite
učiteljeve misli tajnovite. Svaka se stazom svojom kreće Baš onako kako Newton reče. Kada istražujemo jato Coma, kao što je to Zwicky radio tijekom tridesetih godina, ustanovljujemo da je brzina galaktika u njemu veća od brzine njihova bijega iz jata, ali samo ako tu brzinu izračunamo iz zbroja masa svih galaktika dobivenih na temelju sjaja ovih objekata. Jato bi se, dakle, moralo brzo razletjeti na sve strane, tako da za samo nekoliko stotina milijuna godina, najviše milijardu, uopće više ne bi bilo na okupu. Ali ovo jato staro je već više od 10 milijarda godina, gotovo koliko i sâm svemir. Tako je nastala jedna od najdužih zagonetki u astronomiji. U desetljećima poslije Zwickyjevog pionirskog rada isti problem uočen je i kod drugih galaktičkih jata. Coma, dakle, nije izuzetak. Koga onda okriviti? Newtona? Ne, njegove teorije provjeravane su 250 godina i položile su sve ispite. Einsteina? Ne. Iako velika, gravitacija galaktičkih jata još ne ulazi u područje Einsteinove opće teorije relativnosti. Možda “nedostajuća masa”, neophodna da se održi na okupu galaktičko jato Coma ipak postoji, ali u nekom nepoznatom, nevidljivom obliku. Neko vrijeme astronomi su problem nedostajuće mase nazivali “problem nedostajuće svjetlosti” budući da je na postojanje mase jasno ukazivao višak gravitacije. Danas, uz mogućnosti boljeg određivanja masa galaktičkih jata, astronomi koriste naziv “tamna materija”, iako bi točnije bilo reći “tamna gravitacija”. Problem tamne materije podigao je svoju nevidljivu glavu još jednom. Godine 1976. Vera Rubin, astrofizičarka iz Institucije Carnegie u Washingtonu, otkrila je sličnu nepravilnost s “nedostajućom masom” i kod spiralnih galaktika. Proučavajući brzine kojima zvijezde kruže oko galaktičkih središta, Rubinova je prvo ustanovila ono što je očekivala: u okviru vidljivog diska svake galaktike, zvijezde udaljenije od središta gibaju se većom brzinom od onih koje su bliže središtima. Udaljenije zvijezde imaju više materije (druge zvijezde i plin) između sebe i galaktičkog središta, tako da im je nužna veća brzina da bi održale svoje staze. Osim blistavog diska galaktike, međutim, možemo vidjeti i izdvojene oblake plina i nekoliko sjajnih zvijezda. Koristeći ove objekte kao označivače gravitacijskog polja “izvan” galaktike, gdje vidljiva materija nema značajnijeg udjela u ukupnoj masi, Rubinova je otkrila da su
njihove brzine kruženja, koje su s povećanjem udaljenosti od središta trebale pasti, i dalje visoke. Ovi, uglavnom prazni, prostori – periferija svake galaktike – sadrže premalo vidljive tvari da bi se njome mogle objasniti brzine kruženja tih označivača. Vera Rubin je ispravno zaključila da se u tim zabitim područjima, daleko izvan vidljivog ruba svake spiralne galaktike, mora nalaziti neka tamna materija. Štoviše, tamna materija stvara svojevrstan omotač (“halo”) oko cijele galaktike. Problem omotača postoji i pred našim nosom, kod naše galaktike Mliječne staze. Od galaktike do galaktike i od jata do jata nerazmjer između mase vidljivih objekata i ukupne mase sustava kreće se u rasponu od 2 ili 3 puta pa do više stotina puta. U cijelom svemiru ovaj odnos u prosjeku iznosi 6. Drugim riječima, tamne materije u svemiru ima prosječno šest puta više nego vidljive materije. Tijekom posljednjih dvadeset pet godina nova istraživanja su pokazala da se glavnina tamne materije ne može sastojati od obične materije koja ne sjaji. Prvo, možemo odbaciti s gotovo potpunom sigurnošću sve vjerojatne poznate kandidate. Može li se tamna materija nalaziti u crnim jamama? Ne, jer mnoštvo crnih jama bismo otkrili po njihovom gravitacijskom utjecaju na obližnje zvijezde. Jesu li možda posrijedi tamni oblaci? Ne, oni bi upili svjetlost zvijezda koje se nalaze iza njih, ili već na neki način stupili s njom u međudjelovanje, a to prava tamna materija ne čini. Jesu li to možda međuzvjezdani ili međugalaktički planeti, asteroidi i kometi koji sami ne sjaje? Teško je povjerovati da bi svemir proizveo šest puta više mase u obliku planeta nego u obliku zvijezda. To bi značilo šest tisuća Jupitera na svaku zvijezdu u Galaktici ili, još manje vjerojatno, dva milijuna Zemalja. U sustavu naše zvijezde, na primjer, na sve što nije Sunce otpada ukupno jedva 0,2 posto Sunčeve mase. Shodno tome, prema našim najboljim procjenama, tamna materija ne sastoji se jednostavno od materije koja je tamna. Posrijedi je nešto potpuno drukčije. Tamna materija gravitacijski utječe prema istim pravilima koji vrijede i za običnu materiju, ali to je sve što bi nam pomoglo da je otkrijemo. Dakako, u ovoj analizi sputava nas okolnost da ne znamo što je tamna materija. Poteškoće vezane za otkrivanje tamne materije, koje proizlaze iz toga da ne znamo što je, zapravo, ona, otvaraju sljedeće pitanje: ako sveukupna materija ima masu, a sveukupna masa djeluje
gravitacijski, znači li to da sva gravitacija potječe od materije? Nije nam poznato. Pod nazivom “tamna materija” podrazumijeva se postojanje neke vrste materije koja gravitacijski djeluje i to je sve što znamo o njoj. Ali možda, možda, ne razumijemo gravitaciju. Da bi se tamna materija proučila nešto detaljnije od pukog otkrića da postoji, astrofizičari sada nastoje doznati gdje se ona sakuplja u svemiru. Ako se nalazi samo na vanjskim rubovima galaktičkih jata, na primjer, onda brzine galaktika ne bi ukazale na tamnu materiju, zato što brzine i putanje galaktika ovise samo o izvoru gravitacije unutar njihovih staza. Ako se tamna materija nalazi jedino u središtima jata, onda bi raspon galaktičkih brzina mjerenih od središta jata do njegovog ruba pokazivao samo djelovanje obične materije. Ali brzine galaktika u jatima ukazuju na to da tamna materija ispunjava sav obujam jata. U stvari, raspodjela obične materije i tamne materije uglavnom se poklapa. Prije nekoliko godina, ekipa predvođena američkim astrofizičarom J. Anthony Tysonom, tada s Bell Laba, a sada na UC Davisu, napravila je prvu detaljnu kartu raspodjele gravitacije koja je izazvana tamnom materijom u jednom divovskom galaktičkom jatu i oko njega. Kad god vidimo velike galaktike, također zapažamo veće koncentracije tamne materije u jatima kojima pripadaju. Vrijedi i suprotno: područja bez vidljivih galaktika siromašna su i s tamnom materijom. Odnos između tamne i obične materije značajno varira od jedne astrofizičke sredine do druge. Naglašeniji je kod velikih entiteta kao što su galaktike i galaktička jata. Kod malih objekata, pak, kao što su mjeseci i planeti, nikakav odnos uopće ne postoji. Zemljina površinska gravitacija, na primjer, može se potpuno objasniti onime što nam je pod nogama. Ako, dakle, na Zemlji imate koji kilogram viška, za to vam nije kriva tamna materija. Također, tamna materija nema utjecaja na Mjesečevu stazu oko Zemlje, kao ni na gibanja planeta oko Sunca. Ali bez nje se ne može objasniti gibanje zvijezda oko središta naše Galaktike. Je li na galaktičkoj razini na snazi drukčija vrsta gravitacijske fizike? Vjerojatno nije. Riječ je po svemu sudeći o tome da se tamna materija sastoji od materije čiju prirodu tek trebamo ustanoviti i koja je raspršenija od obične materije. U suprotnom, ustanovili bismo da je sa svakih šest komada tamne materije povezan jedan komad obične. Koliko nam je u ovom trenutku poznato, stvari ne stoje tako. Izlažući se opasnosti da šire pesimizam, astrofizičari ponekad tvrde
da sveukupna materija koju znamo i volimo u svemiru – tvar zvijezda, planeta i života – su samo puke plutače koje plutaju ogromnim kozmičkim oceanom nečega što ne sliči ni na što. Ali što ako je ovaj zaključak potpuno pogrešan? Kada sve zakaže, razumljivo je, i sasvim ispravno, da će neki znanstvenici dovesti u pitanje temeljne zakone fizike na kojima leže pretpostavke drugih znanstvenika koji pokušavaju dokučiti svemir. Tijekom osamdesetih godina prošlog stoljeća izraelski fizičar Mordehai Milgrom iz Weizmannovog znanstvenog instituta u Rehovotu, u Izraelu, predložio je promijenu Newtonovog zakona gravitacije. Teorija je kasnije dobila naziv MOND (MOdificirana Newtonova Dinamika). Prihvativši činjenicu da je standardna Newtonova dinamika uspješna u veličinama manjim od galaktičkih, Milgrom je izložio zamisao da je Newtonu potrebna određena pomoć pri opisivanju gravitacijskih djelovanja na udaljenostima koje se mjere veličinama galaktika i galaktičkih jata, u okviru kojih su pojedinačne zvijezde i zvjezdana jata međusobno toliko razmaknuti da je njihov međusobni gravitacijski utjecaj sasvim mali. Milgron je dodao novu veličinu Newtonovoj jednadžbi, koja je tako podešena da stupa u djelovanje jedino na astronomski velikim udaljenostima. Iako je izumio MOND kao računski alat, Milgrom nije isključio mogućnost da se njegova teorija odnosi na neku novu pojavu u prirodi. MOND se pokazao samo djelomično uspješan. Teorija može objasniti gibanja izdvojenih objekata u vanjskim dijelovima mnogih spiralnih galaktika, ali postavlja više pitanja nego što daje odgovore. MOND ne uspijeva sa sigurnošću predvidjeti dinamiku složenijih konfiguracija, kao što su gibanja galaktika u dvočlanim i višečlanim sustavima. Osim toga, detaljna karta svemirskog pozadinskog zračenja dobivena pomoću sonde WMAP 2003. godine omogućila je kozmolozima da izdvoje i izmjere utjecaj tamne materije u ranom svemiru. Budući da se ovi rezultati poklapaju s dosljednim modelom svemira utemeljenim na konvencionalnim teorijama gravitacije, MOND je izgubio mnoge pristaše. Tijekom prvih pola milijuna godina poslije Velikog praska, što je tek tren u 14 milijarda godina dugoj povijesti svemira, materija je već počela srastati u cjeline koje će postati galaktička jata i superjata. Ali svemir se i dalje širio, a tijekom sljedećih pola milijuna godina veličina će mu se udvostručiti. On se, dakle, morao nositi s dva međusobno suprotstavljena
djelovanja: gravitacija okuplja materiju, dok je širenje raspršuje. Ako se malo pozabavite matematikom, lako ćete ustanoviti da gravitacija obične materije nije mogla sama donijeti premoć u ovom nadmetanju. Bila joj je potrebna pomoć tamne materije bez koje bismo živjeli – u stvari, ne bismo živjeli – u svemiru u kojem ne bi postojale nikakve formacije tvari: ni jata, ni galaktike, ni zvijezde, ni planeti, ni ljudi. Koliko je gravitacije tamne materije bilo potrebno? Šest puta više nego što je pružala obična materija. Ova analiza ne ostavlja mjesta za male korektivne članove koje je MOND uveo u Newtonove zakone. Analiza nam, doduše, ne kaže što je tamna materija, već jedino to da su njezina djelovanja stvarna, kao i da ih – ma koliko se trudili – ne možete pripisati običnoj materiji. Tamna materija igra još jednu važnu ulogu u svemiru. Da biste dobro vrednovali sve ono što je tamna materija napravila za nas, vratite se u prošlost sve do nekoliko minuta poslije Velikog praska, kada je svemir još bio toliko vruć i gust da su se vodikove jezgre (protoni) mogle stopiti u jednu veću jezgru. Ova topionica ranog svemira pretapala je vodik u helij, u neke količine litija i još manje količine deuterija (teža verzija vodikove jezgre koja osim protona sadrži i neutron). Ova mješavina jezgri također je kozmički otisak Velikog praska, relikt koji nam pruža priliku za rekonstrukciju onog što se dogodilo kada je starost svemira iznosila samo nekoliko minuta. U stvaranju tog otiska glavni pokretač je jaka nuklearna sila – sila koja drži povezane protone i neutrone u jezgrama – a ne gravitacija, toliko slaba sila da postaje značajna tek kada se na okupu nađu bilijuni čestica. U vrijeme kada je temperatura pala ispod određenog praga, procesom nuklearne fuzije diljem svemira stvarala se jedna jezgra helija na svakih deset vodikovih jezgri. Svemir je, također, pretvarao jedan tisućiti dio svoje obične materije u jezgre litija, a dva stotisućita dijela u deuterij. Ako se tamna materija nije sastojala od neke tvari koja ne stupa u međudjelovanja već je, naprotiv, bila građena od tamne obične materije – materije s normalnim fuzijskim ponašanjem – onda bi, s obzirom na to da je u malom obujmu ranog svemira bilo šest puta više čestica tamne od obične materije, njezina prisutnost dramatično povećala obilje fuzije vodika. Posljedica bi bila uočljiva hiperprodukcija helija, u odnosu na ono što imamo prilike vidjeti, i nastanak svemira znatno drukčijeg od onoga u kojem stanujemo. Jezgra helija prilično je nezgodna, relativno lako ju je napraviti, ali izuzetno teško fuzijom više njih stvoriti nove, teže jezgre. Budući da su
zvijezde nastavile u svojim središtima proizvoditi helij od vodika, a istodobno uništavati razmjerno malo helija putem složenijih nuklearnih fuzija, moglo bismo očekivati da na mjestima gdje nalazimo najniže količine helija ne bi ga trebalo biti manje od onoga što je svemir proizveo u svojim prvim minutama. I doista, u galaktikama čije su zvijezde samo minimalno preradile svoje sastojke, svaki deseti atom otpada na helij, baš kao što bi se očekivalo u svemiru nastalom Velikim praskom, u kojem prvobitno prisutna tamna materija nije imala udjela u nuklearnoj fuziji kojom su nastajale jezgre. Tamna materija je, dakle, naš prijatelj. Ali astrofizičari se, što je razumljivo, osjećaju neugodno kad god moraju utemeljiti svoje proračune na zamislima koje ne shvaćaju, bez obzira što ne bi bilo prvi put da to čine. Oni su, na primjer, izmjerili tok energije sa Sunca znatno prije no što je itko znao da iza njega stoji termonuklearna fuzija. U devetnaestom stoljeću, prije pojave kvantne mehanike i drugih otkrića koja su omogućila spoznaje o ponašanju materije u najmanjim veličinama, uopće nije postojao pojam fuzije. Nepokolebljivi skeptici mogli bi usporediti današnju tamnu materiju s hipotetskim i sada već odbačenim “eterom” pretpostavljeno stoljećima ranije i za koji se smatralo da je proziran medij bez težine kroz koji svjetlost putuje. Dugo vremena, sve do slavnog pokusa koji su u 1887. u Clevelandu obavili Albert Michelson i Edward Morley, fizičari su pretpostavljali da eter mora postojati, iako baš nikakav dokaz nije podržavao tu pretpostavku. Smatralo se da je svjetlosti, za koju se znalo da je valne prirode, potreban medij kroz koji bi se širila, kao što se zvučni valovi šire kroz zrak. Pokazalo se, međutim, da svjetlost bez ikakvih poteškoća putuje kroz svemirski vakuum bez potrebe za bilo kakvim medijem. Za razliku od zvuka, koji se sastoji od vibracija zraka, svjetlosni valovi samostalno se šire. Ali neznanje o tamnoj materiji bitno se razlikuje od neznanja o eteru. Dok je eter bio puka posljedica našeg nepotpunog znanja, na postojanje tamne materije ukazuju ne samo pretpostavke nego i uočena njena gravitacije na vidljivu tvar svemira. Tamna materija nije tek proizvod naše mašte već se temelji na promatračkim činjenicama. Ona je podjednako stvarna kao i više od stotinu planeta otkrivenih na stazama oko drugih zvijezda – koje su gotovo sve pronađene jedino zahvaljujući njihovom gravitacijskom djelovanju na matično sunce. Najgore što se može dogoditi je da fizičari (ili netko drugi tko pronikne u stvar) ustanove da se tamna
materija uopće ne sastoji od materije već od nečeg drugog, ali se ona ne može poreći. Može li tamna materija biti neka manifestacija sila iz drugih dimenzija? Ili iz nekog usporednog svemira koji se križa s našim? Čak ni to ne bi promijenilo uspješno uključivanje gravitacije tamne materije u jednadžbe koje koristimo da bismo razumjeli nastanak i razvoj svemira. Drugi nepokolebljivi skeptici mogli bi izjaviti da će povjerovati tek kad vide svojim očima. Ovakav stav može biti koristan u mnogim područjima života, poput automobila, pecanja ili ljubavnog sastanka. Ali u znanosti od njega nema puno koristi. Predmet znanosti nije samo ono što se vidi. Ona više vodi računa o onome što se mjeri – po mogućnosti nekom napravom, a ne očima koje su pod ozbiljnim utjecajima mozga: predrasudama, preduvjerenjima, pristranostima i mašti i svemu onome što nema uporište u podacima. Opirući se svim naporima da bude neposredno otkrivena na Zemlji već tri četvrt stoljeća, tamna materija postala je svojevrstan Rorschachov test istraživača. Neki fizičari čestica smatraju da se tamna materija mora sastojati od neke vrste tajnovitih “čestica-duhova” koje stupaju u međudjelovanje s materijom putem gravitacija, dok je svako drugo međudjelovanje s materijom ili svjetlošću sasvim slabo ili ga uopće nema. Ovo možda djeluje nategnuto, ali zamisao nije bez presedana. Neutrini, na primjer, postoje, u to nema svake sumnje, premda su njihova međudjelovanja s običnom svjetlošću i materijom krajnje slabašna. Neutrini sa Sunca – pri nastanku svake novostvorene jezgre helija u središtu naše zvijezde nastaju i dva neutrina – kreću se kroz svemirski vakuum gotovo brzinom svjetlosti, da bi zatim prošli kroz Zemlju kao da ona uopće ne postoji. Tijekom dvadeset četiri sata dnevno sto milijarda neutrina sa Sunca uđe kroz svaki kvadratni centimetar vašeg tijela, pa izađe kroz njega. Neutrini se, međutim, ipak mogu zaustaviti. Ponekad, i to rijetko, oni stupaju u međudjelovanje s materijom putem slabe nuklearne sile. A ako česticu možete zaustaviti, možete je i otkriti. Usporedite nedokučivo ponašanja neutrina s ponašanjem nevidljivog čovjeka (u fazi kada je nevidljiv) – koji je podjednako dobar kandidat za tamnu materiju kao i bilo što drugo. On može prolaziti kroz zidove i vrata kao da ovi uopće ne postoje. Iako takvih sposobnosti, kako to da nije propao kroz pod sve do podruma? Ako bismo mogli napraviti dovoljno osjetljive detektore, čestice
tamne materije o kojima govore fizičari čestica mogle bi se pokazati kroz poznata međudjelovanja. Ili bi se njihova prisutnost mogla otkriti putem neke druge sile osim jake nuklearne, slabe nuklearne i elektromagnetne. Ove tri sile (uz gravitaciju) su posrednice kod sva međudjelovanja među svim poznatim česticama. Izbor je, dakle, jasan. Ili čestice tamne materije moraju pričekati da otkrijemo i upoznamo neku novu silu ili klasu sila putem kojih stupaju u međudjelovanje, ili one međudjeluju putem poznatih nam sila, ali izuzetno slabo. Pristalice MOND-a ne vide egzotične čestice u svojim Rorschachovim testovima. Oni smatraju da treba prepravljati gravitaciju, a ne tražiti čestice. I tako su istupili s donekle prepravljenom Newtonovom dinamikom. Bio je to hrabri pokušaj koji, nažalost, nije urodio plodom, ali nema sumnje da će nadahnuti nova nastojanja da se promjeni naše shvaćanje gravitacije, a ne ono subatomskih čestica. Drugi fizičari usmjerili su se na ono što je poznato pod skraćenicom TOE (“theories of everything” – “teorije svega”). Prema jednoj od ovih teorija, naš svemir nalazi se u blizini jednog usporednog svemira s kojim stupamo u međudjelovanje jedino preko gravitacije. Nikada se nećete sresti s materijom iz tog usporednog svemira, ali mogli biste osjetiti njegovu silu težu koja prelazi u prostorne dimenzije našeg svemira. Zamislite jedan svemir-duh odmah do našeg koji nam se otkriva jedino gravitacijskim djelovanjem. To izgleda egzotično i nevjerojatno, ali vjerojatno ne više nego što je izgledala prva pretpostavka da Zemlja kruži oko Sunca, odnosno da naša Galaktika nije jedina u svemiru. Djelovanja tamne materije sasvim su, dakle, stvarna. Mi samo ne znamo što je ona. Kako se čini, ona ne djeluje putem jake sile, te ne može stvarati jezgre. Nije ustanovljeno da djeluje ni preko slabe nuklearne sile, kao što ponekad čine čak i neuhvatljivi neutrini. Ne koristi ni elektromagnetnu silu, što znači da ne pravi molekule, odnosno ne upija, ne zrači, ne lomi ni ne disperzira svjetlost. Međutim, gravitacijski djeluje, na što obična materija reagira. I to je sve. Poslije svih godina istraživanja, astrofizičari nisu ustanovili ništa drugo što bi ona činila. Detaljna karta svemirskog pozadinskog zračenja pokazala je da je tamna materija morala postojati tijekom početnih 380.000 godina svemira. Tamna materija potrebna nam je i danas u našoj Galaktici, kao i u galaktičkim jatima, da bismo objasnili gibanja tijela u njima. Ali koliko nam je poznato, napredak astrofizike još nije bio izbačen iz kolosijeka ili
spriječen našim neznanjem. Nastavljamo tako što nosimo sa sobom tamnu materiju kao neobičnog prijatelja i pozivamo se na nju gdje god i kad god to svemir traži od nas. U ne predalekoj budućnosti, nadamo se, doći će trenutak iskorištavanja tamne materije – ako prethodno doznamo iz čega se sastoji. Zamislite nevidljive igračke, automobile koji prolaze jedni kroz druge ili nevidljive zrakoplove. Povijest prividno opskurnih i priglupih otkrića u znanosti obiluje primjerima pametnih ljudi koji su se kasnije dosjetili kako da iskoriste to znanje za vlastitu korist i korist sveukupnog života na Zemlji.
5. NEKA BUDE JOŠ TAME Sada znamo da svemir ima i svijetlu i tamnu stranu. Svijetla strana obuhvaća sve poznate nebeske objekte – zvijezde okupljene u galaktikama koje broje na milijarde članova, planete i manja tijela koja ne stvaraju vidljivu svjetlost, ali emitiraju druge oblike elektromagnetnog zračenja, kao što su infracrveni ili radiovalovi. Ustanovili smo da tamna strana svemira obuhvaća zagonetnu tamnu materiju koja se može otkriti samo zbog gravitacijskoga djelovanja na vidljivu materiju, dok su njezin oblik i sastav inače potpuno nepoznati. Mali dio ove tamne materije mogao bi biti obična materija koja ostaje nevidljiva zato što ne emitira zračenje koje se može zabilježiti. Ali kao što je detaljno objašnjeno u prethodnom poglavlju, daleko najveći dio tamne materije vjerojatno se sastoji od neke tvari koja nije obična materija i čija nam priroda izmiče – ako se izuzme to da gravitacijom djeluje na poznatu nam materiju. Potpuno neovisno o tamnoj materiji, tamna strana svemira ima još jednu, sasvim drukčiju osobinu. Ona se ne odnosi ni na kakvu vrstu materije nego na sâm prostor. Ovu spoznaju dugujemo, zajedno s fantastičnim posljedicama koje iz nje proizlaze, ocu moderne kozmologije – nikome drugome do Albertu Einsteinu. Prije devedesetak godina, dok su upravo usavršeni mitraljezi u Prvom svjetskom ratu kosili na tisuće vojnika samo nekoliko stotina kilometara zapadno, Albert Einstein sjedio je u svojoj radnoj sobi u Berlinu i razmišljao o svemiru. Kada je rat počeo, Einstein i jedan njegov kolega sastavili su antiratnu peticiju i ponudili je na potpis u akademskim krugovima u kojima su se kretali, ali uspjeli su naći još samo dvojicu istomišljenika. Ovo ga je izopćilo iz društva ostalih znanstvenika koji su gotovo listom stali iza poziva da se podrže njemački ratni napori, dok mu je kolegi uništilo karijeru. Ali jaka ličnost i znanstvena slava sačuvali su Einsteinov ugled u akademskom svijetu. Nastavio je tragati za jednadžbama koje bi točno opisale svemir. Einstein je ostvario taj naum još prije kraja rata – što mnogi smatraju
njegovim najvećim uspjehom. U studenome 1915. postavio je opću teoriju relativnosti koja opisuje međudjelovanje prostora i materije. Materija nalaže prostoru kako da se savija, dok prostor nalaže materiji kako da se giba. Da bi zamijenio Newtonovo tajanstveno “djelovanje na daljinu”, Einstein je vidio gravitaciju kao lokalno izobličenje tkanja prostora. Sunce, na primjer, izaziva svojevrsno “mreškanje” prostora, najuočljivije ga savijajući na najmanjoj udaljenosti od sebe. Planeti potpadaju pod utjecaj ovog mreškanja, ali inercija im ne dopušta da budu privučeni k Suncu. Samo nekoliko tjedana nakon što je Einstein objavio teoriju, fizičar Karl Schwarzschild, u namjeri da malo skrene misli od užasa života u njemačkoj vojsci (u kojoj će ipak uskoro nasmrt oboljeti), primijenio je Einsteinovu zamisao da pokaže da će tijelo koje ima dovoljno snažnu gravitaciju stvoriti “singularnost” u prostoru. U takvoj singularnosti prostor se potpuno savija oko tijela, onemogućujući da bilo što, računajući i svjetlost, pobjegne s njega. Danas ta tijela zovemo crne jame. Opća teorija relativnosti pružila je Einsteinu ključnu jednadžbu za kojom je tragao, a koja dovodi u vezu sadržaj prostora s njegovim općim ponašanjem. Proučavajući ovu jednadžbu u osami svoje radne sobe, gradeći u umu modele svijeta, Einstein je gotovo otkrio širenje svemira desetak godina prije no što su ga potvrdila promatranja Edwina Hubblea. Einsteinova osnovna jednadžba predviđa da u svemiru, u kojem je materija uglavnom ravnomjerno raspoređena, prostor ne može biti “statičan”. Svemir se ne može samo tu “nalaziti”, kao što nam intuicija govori da bi trebalo i kao što je to proizašlo iz svih dotadašnjih astronomskim promatranja. Umjesto toga, sveukupan prostor mora se uvijek ili širiti ili skupljati: on se, zapravo, ponaša kao površina balona koji se napuhuje ili ispuhuje, ali nikada kao površina balona čija se veličina ne mijenja. Ovo je zabrinulo Einsteina. Hrabri teoretičar, koji nije vjerovao autoritetima i koji se nimalo nije libio suprotstaviti konvencionalnim zamislima u fizici, osjećao je da je otišao predaleko. Nije bilo astronomskih rezultata koji bi upućivali na širenje svemira, jer astronomi su ispitali gibanja samo obližnjih zvijezda, a još nisu izmjerili daleko veće udaljenosti do objekata koje danas zovemo galaktike. Umjesto da objavi svijetu da se svemir mora ili širiti ili skupljati, Einstein se vratio svojoj jednadžbi i smišljao način kako da imobilizira svemir. Ubrzo ga je pronašao. Einsteinova osnovna jednadžba dopuštala je
uvođenje jednog člana stalne, ali nepoznate vrijednosti koja bi izražavala količinu energije sadržane u svakom kubnom centimetru praznog prostora. Kako ništa nije ukazivalo na to koju bi vrijednost trebala imati ova konstanta, Einstein je najprije pretpostavio da je ona ravna nuli. Ali onda je objavio znanstveni rad u kojem je pokazao da ako ova veličina, koju su kozmolozi kasnije nazvali “kozmološka konstanta”, ima jednu određenu vrijednost, onda bi prostor mogao biti statičan. U tom slučaju, teorija nije više proturječila promatračkim rezultatima, te je Einstein mogao zaključiti da mu je jednadžba ispravna. Einsteinovo rješenje suočilo se s ozbiljnim poteškoćama. Godine 1922. ruski matematičar Alexander Friedmann dokazao je da Einsteinov statični svemir mora biti nestabilan, poput olovke koja počiva na zašiljenom vrhu. I najmanji poremećaj izazvao bi ili širenje ili sažimanje svemira. Einstein je najprije izjavio da je Friedmann pogriješio, da bi zatim, na velikodušan način tipičan za njega, objavio tekst u kojem je povukao prethodnu tvrdnju i priznao da je Friedmann bio u pravu. Krajem dvadesetih godina Einstein je s oduševljenjem doznao za Hubbleovo otkriće o širenju svemira. Prema svjedočanstvu Georga Gamova, Einstein je kozmološku konstantu proglasio svojom “najvećom zabludom”. S izuzetkom nekolicine kozmologa koji su se nastavili pozivati na kozmološku konstantu različitu od nule (s vrijednostima različitim od one koju je Einstein koristio) kako bi objasnili izvjesne zagonetne rezultate promatranja, za koja će se u većini slučajeva kasnije pokazati da su nezadovoljavajuća, znanstvenici diljem svijeta s olakšanjem su odahnuli kada se uvidjelo da ta konstanta nije potrebna. Ili su barem tako mislili. Velika kozmološka priča dobila je na kraju dvadesetog stoljeća potpuno neočekivan obrat nakon otkrića objavljenog 1998. godine da kozmološka konstanta ipak nije jednaka nuli. Prazan prostor doista sadrži energiju, nazvanu “tamna energija”, i posjeduje posve neobična svojstva koja određuju budućnost sveukupnog svemira. Da bismo razumjeli ove dramatične tvrdnje, a možda i povjerovali u njih, moramo pratiti ključne teme u kozmološkim razmišljanjima tijekom sedamdeset godina nakon Hubbleovog otkrića širenja svemira. Einsteinova temeljna jednadžba dopušta mogućnost da je prostor zakrivljen. Matematički se ova zakrivljenost opisuje kao pozitivna, nulta ili negativna. Nulta zakrivljenost odnosi se na “ravan prostor” za koji naš um zamišlja da je jedini mogući; on se pruža u beskraj u svim pravcima, nalik na površinu beskonačne ploče. Nasuprot tome, analogija pozitivno zakrivljenog
prostora je površina kugle, dvodimenzioni prostor čiju zakrivljenost možemo vidjeti korištenjem treće dimenzije. Obratite pažnju na to da se središte kugle, točka koja kao da ostaje nepokretna kako se dvodimenzionalna površina širi ili sažima, nalazi u trećoj dimenziji i ne pojavljuje se nigdje na površini koja predstavlja sveukupni prostor. Baš kao što su sve pozitivno zakrivljene površine konačne, konačni su i svi pozitivno zakrivljeni prostori. Pozitivno zakrivljen svemir odlikuje se sljedećim svojstvom: ako krenete sa Zemlje i putujete dovoljno dugo, na kraju ćete se vratiti na polazište, poput Magellana koji je oplovio Zemljin globus. Za razliku od pozitivno zakrivljenih sfernih površina, negativno zakrivljeni prostori pružaju se u beskraj, iako nisu ravnine. Negativno zakrivljena dvodimenziona površina nalikuje na površinu beskonačno velikog sedla: zakrivljuje se “prema gore” u jednom pravcu (naprijednatrag), a “prema dolje” u drugom (bočno). Da je kozmološka konstanta jednaka nuli, mogli bismo opisati sva svojstva svemira sa samo dva broja. Prvi, takozvana Hubbleova konstanta, mjeri brzinu kojom se svemir trenutno širi. Drugi mjeri zakrivljenost prostora. Tijekom druge polovice dvadesetoga stoljeća gotovo svi kozmolozi smatrali su da kozmološka konstanta iznosi nula, te su se tako isključivo usredotočili na mjerenje brzine širenja svemira i zakrivljenosti prostora. Obje ove vrijednosti mogu se ustanoviti na temelju preciznih mjerenja brzina kojima se od nas udaljuju različito udaljene galaktike. Odnos između udaljenosti i brzine – tempo kojim se brzine udaljavanja galaktika povećavaju što su od nas dalje – daje Hubbleovu konstantu, dok mala odstupanja od ovog općeg trenda, koja se javljaju jedino kada promatramo najudaljenije galaktike, ukazuju na zakrivljenost prostora. Kad god astronomi promatraju objekte udaljene mnogo milijarda godina od Mliječne staze, oni gledaju toliko daleko u prošlost da uopće ne vide svemir kakav je sada nego kakav je bio u doba kada je od Velikog praska prošlo znatno manje vremena. Promatranja galaktika dalekih pet ili više milijarda godina omogućuju kozmolozima da rekonstruiraju značajan dio povijesti širećeg svemira. Osobito mogu vidjeti kako se brzina širenja mijenjala s vremenom – što je od ključne važnosti za određivanje zakrivljenosti prostora. Ovo je, barem u načelu, moguće zato što je iznos zakrivljenosti prostora uveo male, ali važne, razlike u brzini širenja svemira tijekom prošlih milijarda godina.
U praksi, međutim, astrofizičari nisu uspjeli provesti ovaj program zato što nisu mogli dovoljno točno procijeniti udaljenosti galaktičkih jata od nas udaljenih više milijarda svjetlosnih godina. Na raspolaganju im, međutim, stoji još jedna mogućnost. Ako bi uspjeli izmjeriti prosječnu gustoću sveukupne materije u svemiru – odnosno, prosječnu količinu tvari po kubnom centimetru prostora – mogli bi usporediti dobivenu vrijednost s “kritičnom gustoćom”. Riječ je o vrijednost koju predviđaju Einsteinove jednadžbe širenja svemira. Kritična gustoća je ona gustoća koja je neophodna da bi u svemiru zakrivljenost prostora bila jednaka nuli. Ako bi se pokazalo da je stvarna gustoća ispod te vrijednosti, onda bi svemir imao pozitivnu zakrivljenost. U tom slučaju, pod pretpostavkom da je kozmološka konstanta jednaka nuli, svemir bi se jednom prestao širiti i počeo bi se skupljati. Ako bi, međutim, stvarna gustoća bila jednaka kritičnoj gustoći ili manja od nje, svemir bi se zauvijek širio. Poklapanje stvarne i kritične vrijednosti gustoće javlja se u svemiru s nultom zakrivljenošću, dok je u negativno zakrivljenom svemiru stvarna gustoća manja od kritične gustoće. Sredinom devedesetih godina kozmolozi su znali da čak i ako se uzme u obzir sva tamna materija koju su otkrili (na temelju njezinog gravitacijskog utjecaja na vidljivu materiju), ukupna gustoća materije u svemiru iznosi jedva jednu četvrtinu kritične gustoće. Ovo nije iznenađujuće, iako odatle slijedi da se svemir nikada neće prestati širiti, odnosno da prostor u kojem svi mi živimo mora biti negativno zakrivljen. Rezultat je, međutim, pogodio teorijski orijentirane kozmologe zato što su smatrali da prostor mora imati nultu zakrivljenost. Ovo uvjerenje temeljilo se na “inflacijskom modelu” svemira koji je, sasvim prikladno, tako nazvan u vrijeme kada je došlo do naglog porasta cijena u trgovinama. Godine 1979. Alan Guth, fizičar koji je radio u Stanfordskom linearnom akceleratorskom centru u Kaliforniji, postavio je tezu da se u najranijim trenutcima svemir širio nevjerojatno brzo – toliko brzo, zapravo, da su se pojedini dijelovi materije međusobno udaljavali brzinama znatno većim od svjetlosne. Ali zar po Einsteinovoj specijalnoj teoriji relativnosti brzina svjetlosti nema neprekoračivu granicu koja vrijedi za sve vrste gibanja? Ne sasvim. Einsteinovo ograničenje odnosi se samo na objekte koji se gibaju unutar prostora, a ne i na širenje samoga prostora. Tijekom “inflacijske ere”, koje je trajalo samo od 10–37 sekunde do 10–34 sekunde poslije Velikog praska, svemir se proširio za oko 1050 puta. Što je izazvalo ovo silno kozmičko širenje? Guth je smatrao da je
cijeli prostor bio podvrgnut “faznom prijelazu” analognom onome koji se događa kad tekuća voda brzo prijeđe u zaleđeno stanje. Nakon nekih važnih dotjerivanja koja su učinile Guthove kolege iz tadašnjeg SSSR-a, Velike Britanije i SAD, njegova zamisao postala je toliko privlačna da je puna dva desetljeća vladala teorijskim modelima sasvim ranog svemira. Po čemu je inflacija tako privlačna teorija? Inflacijska era nudi objašnjenje zašto je svemir, po svojim općim svojstvima, izgleda isto u kojem god pravcu gledali: sve što možemo vidjeti (i još mnogo više od toga) inflacijski se raširilo iz jedinstvenog malog područja prostora, pretvarajući njegove lokalne osobine u opće. Druge prednosti, koje nema potrebe ovdje detaljnije obrazlagati, također idu u prilog teoriji, barem za kozmologe koji se bave modelima svemira. Jedna od njih, međutim, ipak zavređuje spominjanje. Inflacijski model pruža neposredna, provjerljiva predviđanja: prostor u svemiru trebao bi biti ravan, a ne zakrivljen bilo pozitivno bilo negativno, već ravan kako nam to naša intuicija kaže. Prema ovoj teoriji, ravnost svemira proizlazi iz ogromnog širenja koje se zbilo tijekom inflacijskog razdoblja. Zamislite, po analogiji, da se nalazite na površini balona koji se širi takvom brzinom da joj se nule ne mogu izbrojati. Nakon završetka ovog širenja, dio površine balona dostupan vašem pogledu bio bi ravan poput palačinke. Isto bi trebalo vrijediti i za prostor dostupan našem mjerenju – ako inflacijski model doista opisuje stvarni svemir. Ali ukupna gustoća materije iznosi samo jednu četvrtinu vrijednosti količine potrebne da bi svemir bio ravan. Tijekom osamdesetih i devedesetih godina mnogi teorijskim modelima skloni kozmolozi bili su uvjerenja da će se, zato što inflacijski model mora biti ispravan, konačno pojaviti novi podaci koji će popuniti prazninu u svemirskoj masi, razliku između ukupne gustoće materije, koja pretpostavlja negativnu zakrivljenost prostora, i kritične gustoće, koja je, kako izgleda, potrebna za “ravni” svemir. Njihovo uvjerenje nimalo nije izgubilo na snazi, iako su se promatranjima skloni kozmolozi cijelo vrijeme rugali pretjeranom oslanjanju na teorijsku analizu. A onda je ruganje prestalo. Godine 1998. dvije suparničke skupine astronoma objavile su nove promatračke rezultate koji su upućivali na postojanje kozmološke konstante različite od nule – ali ne one vrijednosti koju je odabrao Einstein da mu svemir bude statičan već jedne sasvim različite, koja podrazumijeva da će se svemir zauvijek širiti sve većom brzinom.
Da su ovo predložili teoretičari kao još jedan model svemira, svijet ne bi obratio puno pozornosti na njihove rezultate niti bi ih dugo pamtio. Ovdje su, međutim, ugledni stručnjaci za promatranje stvarnog svemira najprije pokazali međusobno nepovjerenje, upustili se u provjeravanje sumnjivih radova suparnika, da bi na kraju zaključili da se slažu glede podataka i njihovih tumačenja. Promatrački podatci ne samo da su potvrđivali da se kozmološka konstanta razlikuje od nule nego su joj i pripisivali vrijednost koja svemir čini ravnim. Što to govorite? Da kozmološka konstanta izravnava prostor? Zar se time ne kaže, po uzoru na Crvenu Kraljicu iz Alice u zemlji čuda, da svatko od nas povjeruje u šest nemogućih stvari prije doručka? Zrelije razmišljanje moglo bi vas, međutim, uvjeriti da ako prividno prazan prostor sadrži energiju (!), onda ta energija mora pridonijeti masi svemira, kako to slijedi iz slavne Einsteinove jednadžbe E = mc2. Ako imate neko E, onda ga možete zamisliti kao odgovarajuću količinu m koja je jednaka E podijeljeno s c2. Stoga ukupna gustoća mora biti jednaka zbroju gustoće koju daje materija i gustoće koju daje energija. Novu ukupnu gustoću moramo usporediti s kritičnom gustoćom. Ako su one jednake, onda je prostor ravan. Ovo bi zadovoljilo predviđanje inflacijskog modela da je prostor ravan, pri čemu je svejedno potječe li ukupna gustoća od gustoće materije, od ekvivalenta materije sadržane u energiji praznog prostora ili od kombinacije jednog i drugog. Ključni rezultat koji je ukazao na kozmološku konstantu različitu od nule, te tako i na postojanje tamne materije, došao je iz astronomskih promatranja jedne posebne vrste zvijezda u stanju eksplozije, takozvanih supernova, nebeskih tijela koje završe svoj vijek spektakularnim vatrometom. Ove supernove, koje se nazivaju tip Ia ili SN Ia, razlikuju se od ostalih supernova koje inače nastaju kada jezgre masivnih zvijezda kolabiraju nakon što su iscrpile sve mogućnosti proizvodnje energije nuklearnom fuzijom. Nasuprot tome, supernove tipa Ia zahvaljuju svoj nastanak zvijezdama bijelim patuljcima unutar dvojnih zvjezdanih sustava. Dvije zvijezde, koje su nastale na maloj međusobnoj udaljenosti, provest će životni vijek kružeći oko zajedničkog središta mase. Ako je jedna zvijezda masivnija od druge, brže će proživjeti svoju mladost i u većini slučajeva tada će izgubiti vanjske slojeve plina, ogolivši jezgru i izloživši ga svemiru; ovo degenerirano tijelo, ne veće od Zemlje, ali mase ravne Sunčevoj, naziva se “bijeli patuljak”. Fizičari opisuju materiju u bijelom patuljku kao “degeneriranu” zato što ima tako veliku gustoću – više od
tisuću puta veću od gustoće željeza ili zlata – da se učinci kvantne mehanike očituju na njoj kao cjelini, sprečavajući je da kolabira pod ogromnom vlastitom gravitacijom. Bijeli patuljak, na bliskoj stazi s nekom ostarjelom zvijezdom u paru, privlači plinoviti materijal koji odlazi s nje. Ova materija, još razmjerno bogata vodikom, sakuplja se na bijelom patuljku, postajući sve gušća i toplija. Konačno, kad temperatura dostigne 10 milijuna stupnjeva, na čitavoj zvijezdi aktivira se nuklearna fuzija. Dolazi do eksplozije – po fizikalnom procesu slično hidrogenskoj bombi, samo bilijunima puta jača – koja potpuno razara bijelog patuljka i stvara supernovu tipa Ia. Ove supernove pokazale su se posebno korisne za astronome zbog dva zasebna svojstva. Prije svega, to su najjače eksplozije supernova u svemiru, vidljive na udaljenosti od više milijarda svjetlosnih godina. Drugo, priroda postavlja ograničenje glede toga koliko najviše mase može imati bijeli patuljak: poznato nam je do je to približno 1,4 Sunčeve mase. Materija se naime može sakupljati na površini bijelog patuljka samo dok mu masa ne dostigne kritičnu vrijednost. U tom trenutku nuklearna fuzija razara bijeli patuljak – a iste se eksplozije zbivaju kod tijela iste mase i istog sastava diljem svemira. Kao posljedica ove okolnosti, sve supernove nastale od bijelih patuljaka imaju približno istu maksimalnu emisiju energije (apsolutni sjaj) i sve se gase gotovo istom brzinom nakon što dostignu najveću sjajnost. Ove dvije osobine supernova Ia čine ih vrlo sjajnim, lako prepoznatljivim “standardnim svijećama”, objektima za koje se zna da imaju isti najviši sjaj ma gdje se pojavili. Dakako, udaljenost supernove utječe na to koliko će nam ona sjajna izgledati na nebu, što astronomi zovu “prividni sjaj”. Dvije supernove Ia iz dvije daleke galaktike izgledat će nam kao da imaju isti najveći sjaj samo ako su na istoj udaljenosti od nas. Ako je, pak, jedna dvostruko udaljenija od druge, njezin najveći sjaj dostići će samo četvrtinu najvećeg sjaja one bliže, zato što prividni sjaj nekog objekta opada kvadratom udaljenosti. Kad su jednom astronomi naučili kako prepoznavati supernove tipa Ia, na temelju detaljnog proučavanja spektra svjetlosti prispjela sa svakog ovakvog objekta, dobili su dragocjeni “metar” pomoću kojeg su mogli utvrditi točne svemirske udaljenosti. Izmjerivši (i na druge načine) udaljenosti do nekih nama najbližih supernova tipa Ia, sada su mogli odrediti znatno veće udaljenosti do drugih supernova ovoga tipa
jednostavnim uspoređivanjem sjaja razmjerno bliskih i dalekih objekata. Tijekom devedesetih godina, dvije ekipe stručnjaka za supernove, jedna s Harvarda, a druga s Kalifornijskog instituta u Berkeleyu, poboljšale su ovu tehniku time što su ustanovile kako da uzmu u obzir male, ali ipak razlike među supernovama tipa Ia koje se mogu uočiti preko pojedinosti u njihovim spektrima. Da bi istraživači mogli koristiti ovaj novi ključ za određivanje udaljenosti do dalekih supernova, bio im je potreban instrument kojim bi vrlo precizno mogli promatrati daleke galaktike. Takav instrument dobili su kada je 1993. zamijenjeno neispravno ogledalo na Svemirskom teleskopu Hubble. Stručnjaci za supernove prvo su putem zemaljskih teleskopa otkrili na desetine supernova tipa Ia u galaktikama udaljenim više milijarda svjetlosnih godina od Mliječne staze, a zatim su obavili pažljivo promatranje ovih objekata teleskopom Hubble, čiji im je tek mali dio od ukupnog promatračkog vremena dan na raspolaganje. Krajem devedesetih godina, dvije ekipe promatrača supernova oštro su se nadmetale u tome koja će prva doći do novog i proširenog “Hubbleovog dijagrama”, ključnog kozmološkog grafikona koji zacrtava odnos između udaljenosti galaktika i brzina kojima se one udaljuju od nas. Astrofizičari su izračunali ove brzine na temelju Dopplerovog efekta (o čemu će biti riječi u 13. poglavlju) koji izaziva male promjene boje svjetlosti galaktika, ovisno o brzinama kojima se one udaljuju od nas. Udaljenost i brzina udaljavanja svake galaktike povezane su u jednu točku na Hubbleovom dijagramu. Kod razmjerno bliskih galaktika, ove točke skladno idu naviše i udesno, budući da se galaktika dvostruko udaljenija od neke druge udaljava dvostruko brže. Ovaj linearan odnos između udaljenosti i brzine udaljavanja galaktika algebarski je izražen Hubbleovim zakonom, jednostavnom jednadžbom koja opisuje temeljno ponašanje svemira: v = Ho × d. Ovdje v označava brzinu udaljavanja, d udaljenost, a Ho univerzalnu konstantu, nazvanu Hubbleova konstanta, koja opisuje cijeli svemir u bilo kojem trenutku. Izvanzemaljski promatrači diljem svemira, koji ga proučavaju 14 milijarda godina poslije Velikoga praska, ustanovit će da se galaktike udaljuju brzinama u skladu s Hubbleovom zakonu i svi će doći do iste vrijednosti Hubbleove konstante, premda će je, dakako, drukčije nazivati. Ova pretpostavka svemirske demokracije temelj je sveukupne kozmologije. Ne možemo dokazati da se cijeli svemir drži ovog demokratskog načela. Možda se negdje, daleko izvan našeg vidokruga, svemir ponaša potpuno drukčije od onoga što mi vidimo. Ali kozmolozi ne misle da je tako, barem kada je riječ o vidljivom
dijelu svemira. Za njih, v = Ho × d je univerzalan zakon. Tijekom vremena, međutim, vrijednost Hubbleove konstante može se promijeniti – i mijenja se. Novi i poboljšani Hubbleov dijagram kojim su obuhvaćene i galaktike udaljene više milijarda svjetlosnih godina otkrit će ne samo današnju vrijednost Hubbleove konstante Ho (oličene na dijagramu u uzlaznoj crti koja povezuje točke što predstavljaju udaljenosti galaktika i brzine njihovoga udaljavanja) nego i koliko se današnja brzina širenja razlikuje od one od prije više milijarda godina. Na ovu drugu brzinu ukazat će pojedinosti u gornjem dijelu grafikona; točke koje se tu nalaze opisuju najudaljenije galaktike koje su ikada promatrane. Hubbleov dijagram koji obuhvaća udaljenosti od više milijarda svjetlosnih godina otkriva nam, dakle, povijest širenja svemira, odnosno promjenu brzine širenja. Zajednica astrofizičara imala je puno sreće što su na istom zadatku bile dvije ekipe promatrača supernova koje su se nadmetale. Rezultati do kojih su došli i koji su izvorno objavljeni u veljači 1998. bili su izuzetno dalekosežni. Da je iza njih stajala samo jedna ekipa, nikako ne bi uspjela preživjeti prirodnu skeptičnost kozmologa suočenih s obaranjem svojih široko prihvaćenih modela svemira. Budući da su dvije promatračke ekipe usmjerile svoju skeptičnost ponajprije jedna na drugu, posvetile su se pažljivoj potrazi za pogreškama konkurenata, provjeravajući i njihove prikupljene podatke i njihovoga tumačenja. Kako su obje ekipe objavile da su se uvjerile, unatoč svim ljudskim predrasudama, da su im suparnici obavili detaljan i stručan posao, svijetu kozmologa nije preostalo drugo već da prihvati – uz određenu suzdržanost, doduše – vijest s granice prostora. Kakve je to bila vijest? Samo to da se za najudaljenije supernove tipa Ia ustanovilo da su slabijega sjaja nego što se očekivalo. Ovo je podrazumijevalo da su te supernove nešto udaljenije nego što bi trebale biti, što je značilo da je nešto nagnalo svemir da se širi brže nego što je trebalo. Što je izazvalo ovo dodatno širenje? Jedini vinovnik toga koji je u skladu s činjenicama je “tamna energija” koja ispunjava prazan prostor – energija čije je postojanje u suglasnosti s vrijednošću kozmološke konstante različitom od nule. Mjereći vrijednosti za koju su daleke supernove manje sjajne nego što bismo očekivali, dvije ekipe astronoma izmjerile su oblik i sudbinu svemir. Kad su se dvije ekipe istraživača supernova složile u rezultatima, pokazalo se da je svemir ravan. Da bismo to shvatili stvar, moramo se
malo poslužiti nekim grčkim slovima. Svemiru s kozmološkom konstantom različitom od nule potreban je još jedan broj koji bi ga opisao. Hubbleovoj konstanti, koju označavamo kao H0 kad računamo njenu vrijednost u sadašnjem vremenu, te prosječnoj gustoći materije, koja jedina određuje zakrivljenost prostora ako je kozmološka konstanta ravna nuli, sada moramo dodati ekvivalent gustoće koji potječe od tamne energije (shodno Einsteinovoj formuli E = mc2, energija, E, ekvivalentna je masi, m). Kozmolozi izražavaju gustoće materije i tamne energije simbolima ΩM i ΩΛ, dok Ω (veliko grčko slovo omega) označava omjer gustoće svemira i kritične gustoće; ΩM označava omjer prosječne gustoće cjelokupne materije u svemiru i kritične gustoće; također, ΩΛ izražava omjer ekvivalenta gustoće proizašle iz tamne energije i kritične gustoće. Ovdje je Ω (veliko grčko slovo lambda) kozmološka konstanta. U ravnom svemiru, s nultom zakrivljenošću prostora, zbroj ΩM i ΩΛ uvijek je jednak 1 zato što je ukupna gustoća (stvarne materije plus one koja je ekvivalent tamne energije) jednaka kritičnoj gustoći. Promatranjima dalekih supernova tipa Ia mjeri se razlika između ΩM i ΩΛ. Materija nastoji usporiti širenje svemira, budući da gravitacija privlači sve prema svemu ostalom. Što je veća gustoća materije, to će ovo privlačenje više usporavati stvari. Tamna energija, međutim, čini nešto potpuno drukčije. Za razliku od dijelova materije, čije međusobno privlačenje usporava širenje svemira, tamna energija ima jedno neobično svojstvo: ona goni prostor na širenje, čime ubrzava širenje. Kako se prostor širi, nastaje nova tamna energija, te je tako svemir koji se širi konačni besplatni ručak. Nova tamna energija goni svemir na još brže širenje, što za posljedicu ima to da tijekom vremena besplatni ručak postaje sve veći. Vrijednost ΩΛ mjera je veličine kozmološke konstante, odnosno širenja pod djelovanjem tamne energije. Kada su astronomi izmjerili odnos između udaljenosti galaktika i brzine njihovog udaljavanja, ustanovili su koji je rezultat u nadmetanju između djelovanja gravitacije, koja međusobno privlači stvari, i djelovanja tamne energije koja ih raspršuje. Mjerenja su pokazala da je ΩΛ – ΩM = 0,46 plus ili minus oko 0,03. Budući da su astronomi već ustanovili da ΩM približno iznosi 0,25, odavde slijedi da je ΩΛ oko 0,71. Zbroj ΩM i ΩΛ iznosio bi, dakle, 0,96, što je sasvim blizu vrijednosti koju predviđa inflacijski model. Noviji mjerni rezultati pokazali su da je ova vrijednost još bliža jedinici. Unatoč složnosti dvije rivalske skupine stručnjaka za supernove, neki kozmolozi ostali su suzdržani. Ne događa se svakoga dana da znanstvenici
odustanu od nečega za što su dugo smatrali da je ispravno, kao što je to bilo vjerovanje da kozmološka konstanta treba biti ravna nuli, i da ga zamijene nečim potpuno različitim, kao što je zaključak da tamna energija ispunjava svaki kubični centimetar praznog prostora. No, gotovo svi skeptici koji su pratili ovaj razvoj događaja konačno su prihvatili novo stanje stvari nakon što su razmotrili rezultate dobivene sa satelita čiji je zadatak bio da promatra kozmičko pozadinsko zračenje detaljnije nego što je to ikada ranije bilo postignuto. Taj satelit, slavni WMAP o kojem je bilo riječi u trećem poglavlju, počeo je promatrati svemir 2002., da bi već početkom 2003. sakupio kozmolozima dovoljno podataka da naprave kartu cijelog neba u mikrovalnom području na kojem nam dolazi većina kozmičkog pozadinskog zračenja. Iako su ranija promatranja već bila nagovijestila što će nam ova karta otkriti, ona su obuhvaćala samo male dijelove neba, uz znatno manje pojedinosti. Karta cijelog neba dobivena pomoću satelita WMAP bila je kruna svih prijašnjih nastojanja i njome su konačno utvrđena najznačajnija svojstva kozmičkog pozadinskog zračenja. Najuočljivija značajka ove karte – a isto je vrijedilo i za promatranja obavljana iz balona, kao i za prethodnika WMAP, satelit COBE (COsmic Background Explorer – istraživač kozmičke pozadine) – je njezina gotovo potpuna ujednačenost odnosno homogenost. Nisu se uočavale nikakve razlike u snazi kozmičkoga pozadinskoga zračenja iz raznih pravaca, sve dok nismo dostigli točnost od jednog tisućitog dijela u mjerenjima. Čak i tada, jedina uočljiva razlika javljala se kao malo povećana snaga zračenja iz jednog smjera, koja je odgovarala razmjerno manjoj snazi iz nasuprotnog smjera. Ove razlike nastaju zbog gibanja naše Galaktike među susjednim galaktikama. Zbog Dopplerovog efekta primamo nešto jače zračenje iz smjera ovog gibanja, ne zato što je zračenje tu stvarno jače nego zato što naše gibanje prema kozmičkom pozadinskom zračenju (KPZ) malo pojačava energije fotona koje bilježimo. Kada odbijemo utjecaj tog Dopplerovog efekta, kozmičko pozadinsko zračenje postaje savršeno ujednačeno – sve dok ne dođemo do točnosti mjerenja od jednog sto tisućitog dijela. Na toj razinu točnosti uočavaju se mala odstupanja od potpune homogenosti. Ukazuju se mjesta s kojih KPZ stiže nešto malo jače, odnosno nešto malo slabije. Kao što je prethodno istaknuto, ove razlike u jačini označavaju položaje mjesta u kojima je materija bila ili malo toplija i gušća ili malo hladnija i rjeđa u odnosu na prosječnu vrijednost u vrijeme 380.000 godina poslije Velikog praska. Satelit COBE prvi je uočio ove razlike; instrumenti na balonima i
promatranja s Južnog pola poboljšali su naša mjerenja; no satelit WMAP pružio je još bolju točnost u snimanju cijeloga neba, što je kozmolozima omogućilo da naprave detaljnu kartu snage kozmičkoga pozadinskoga zračenja promatranog uz dosad najveću kutnu rezoluciju od oko jednog stupnja. Mala odstupanja od ujednačenosti, koja su otkrili COBE i WMAP, bila su od prvorazredne važnosti za kozmologe. Prije svega, pokazala su sjeme ustroja svemira u vrijeme kad je kozmičko pozadinsko zračenje prestalo stupati u međudjelovanje s materijom. Područja za koja je nađeno da su bila malo gušća od prosjeka u to doba imala su premoć u kasnijim zgušnjavanjima materije, te se tako u njima, zahvaljujući gravitaciji, nalazi više tvari. U tom smislu, glavna osobina nove karte s ucrtanim intenzitetima KPZ-a u raznim područjima neba potvrda je kozmoloških teorija da ogromne razlike u gustoći od mjesta do mjesta diljem svemira, koje sada uočavamo, potječu od malih nehomogenosti koje su postojale nekoliko stotina tisuća godina poslije Velikoga praska. No, kozmolozi mogu iskoristiti rezultate novih promatranja kozmičkoga pozadinskoga zračenja da dokuče i jednu još temeljniju činjenicu o svemiru. Pojedinosti karte raspodjele snage KPZ-a od mjesta do mjesta otkrivaju i samu zakrivljenost prostora. Ova nevjerojatna pogodnost proizlazi iz činjenice da zakrivljenost prostora utječe na putovanje zračenja kroz njega. Ako je, na primjer, prostor pozitivno zakrivljen, onda smo pri promatranju kozmičkoga pozadinskoga zračenja u praktično istom položaju kao neki promatrač sa Sjevernog pola koji gledanjem duž Zemljine površine proučava zračenje koje nastaje blizu ekvatora. Kako se crte zemljopisnih dužina konvergentno sakupljaju prema polu, izvor zračenja kao da zatvara manji kut nego što bi to bilo da je prostor ravan. Da bi se razumjelo kako zakrivljenost prostora utječe na kutnu veličinu sitnih detalja u kozmičkom pozadinskom zračenju, zamislite vrijeme u kojem je ovo zračenje bilo prestalo međudjelovati s materijom. U to doba, najveća odstupanja od ujednačenosti koja su mogla postojati u svemiru imala su veličine koje kozmolozi mogu izračunati: starost svemira u to vrijeme pomnožena brzinom svjetlosti – oko 380.000 svjetlosnih godina u promjeru. Ovo je najveća udaljenost na kojoj su čestice mogle utjecati jedne na druge, a da izazovu neke nehomogenosti. Do većih udaljenosti “vijesti” od drugih čestica ne bi još stigle, te tako one ne mogu biti odgovorne za odstupanje od ujednačenosti.
Koliko bi lučnih stupnjeva ta najveća odstupanja iznosila na današnjem nebu? To ovisi o zakrivljenosti prostora do kojeg dolazimo zbrajanjem ΩM i ΩΛ. Što je ovaj zbroj bliži jedinici, to će i zakrivljenost prostora biti bliža nuli, odnosno veći će biti kut pod kojim vidimo danas na nebu širinu najvećeg odstupanja od homogenog kozmičkog pozadinskog zračenja. Zakrivljenost prostora ovisi jedino o zbroju dvije Ω zato što se pod utjecajem ove vrste gustoće prostor zakrivljuje na isti način. Promatranja kozmičkoga pozadinskoga zračenja pružaju zato priliku da se neposredno izmjeri ΩM + ΩΛ, za razliku od promatranja supernova koje mjere razliku između ΩM i ΩΛ. Podaci dobiveni satelitom WMAP pokazuju da najveća odstupanja unutar kozmičkog pozadinskog zračenja zatvaraju kut od oko jednog stupnja, što podrazumijeva da ΩM + ΩΛ ima vrijednost od 1,02, s pogreškom ± 0,02. Prema tome, u granicama eksperimentalne točnosti, možemo zaključiti da je ΩM + ΩΛ = 1, odnosno da je prostor ravan. Iz promatranja dalekih supernova tipa Ia vidjeli smo da je ΩΛ – ΩM = 0,46. Ako ovaj rezultat dovedemo u vezu sa zaključkom da je ΩM + ΩΛ = 1, ustanovit ćemo da je ΩM = 0,27, a ΩΛ = 0,73, uz mogućnost pogreške od postotak ili dva u oba slučaja. Kao što je već primijećeno, riječ je o zasad najtočnijoj astrofizičkoj procjeni vrijednosti ovih dvaju ključnih svemirskih parametara, što nam govori da od materije – kako obične tako i tamne – potječe 27 posto ukupne energetske gustoće svemira, dok ostatak od 73 posto pruža tamna energija. (Ako nam se više sviđa promatrati masu kao ekvivalent energije, u smislu E/c2, onda tamna energija osigurava 73 posto ukupne mase.) Kozmolozima je već odavno poznato da ako je kozmološka konstanta različita od nule, onda se relativan utjecaj materije i tamne energije mora značajno mijenjati protokom vremena. S druge strane, ravan svemir ostaje ravan zauvijek, od nastanka u Velikom prasku do beskonačne budućnosti koja je pred nama. U ravnom svemiru zbroj ΩM i ΩΛ uvijek je jednak jedinici, odnosno ako se jedna Ω promjeni, druga to također mora razmjerno učiniti za kompenzaciju. Tijekom epoha koje su uslijedile ubrzo poslije Velikoga praska, tamna energija gotovo da nije imala nikakvog utjecaja na svemir. Tada je postojalo toliko malo prostora, u usporedbi s onim što će biti u kasnijim erama, da je vrijednost ΩΛ bila tek malo iznad nule, dok je ΩM bila tek malo ispod 1. U to rano doba svemir se ponašao gotovo kao da je bez kozmološke konstante. Tijekom vremena, međutim, ΩM je postojano
opadala, dok je ΩΛ također postojano rasla, čime se osiguravalo da njihov zbroj stalno iznosi 1. U konačnici, stotine milijarda godina u budućnosti, ΩM će pasti gotovo do nule, dok će ΩΛ porasti gotovo do jedinice. Prema tome, povijest ravnoga prostora s kozmološkom konstantom različitom od nule podrazumijeva prijelaz iz ranog doba, kada tamna energija nije igrala gotovo nikakvu ulogu, preko “sadašnjeg” razdoblja, kada ΩM i ΩΛ imaju sličnu vrijednost, do beskrajno daleke budućnosti kada će materija biti toliko razasuta po prostoru da će se ΩM asimptotski sasvim približiti nuli, premda će zbroj dvije Ω i dalje biti 1. Na temelju promatranja može se zaključiti koliko se mase nalazi u galaktičkim jatima i iz toga se dobije vrijednost ΩM od oko 0,25, dok proučavanja kozmičkog pozadinskog zračenja i dalekih supernova daju vrijednost blizu 0,27. S obzirom na marginu pogreške koja se pri tim promatranjima mora uzeti u obzir, ove dvije vrijednosti praktički se slažu. Ako je u svemiru u kojem živimo kozmološka konstanta različita od nule i ako ta konstanta (zajedno s materijom) dovodi do toga da prostor bude ravan, kako to predviđa inflacijski model, onda vrijednost kozmološke konstante mora biti takva da ΩΛ bude nešto malo više od 0,7, odnosno dva i po puta veća od vrijednosti ΩM. Drugim riječima, ΩΛ je glavni čimbenik koji zbroj ΩM + ΩΛ čini jednakim 1. Ovo znači da je već iza nas svemirsko doba kad su materija i kozmološka konstanta podjednako doprinosile (s vrijednošću od po 0,5) održavanju ravnosti prostora. Za samo jedno desetljeće, ono što smo doznali o supernovama tipa Ia i kozmičkom pozadinskom zračenju promijenilo je status tamne energije koja se iz nategnute zamisli, kojom se Einstein jednom poigrao, pretvorila u temeljnu kozmičku činjenicu. Osim ako se za mnoštvo promatračkih rezultata ne pokaže da su pogrešno protumačeni, neprecizni ili jednostavno netočni, moramo prihvatiti činjenicu da se svemir nikada neće početi skupljati, odnosno reciklirati. Budućnost, naprotiv, izgleda jednolična: za stotinu milijarda godina, kada većina zvijezda izgori, sve osim nama najbližih galaktika nestat će izvan našeg obzora vidljivosti. Do tada će se Mliječna staza već stopiti s najbližim susjedima, stvorivši divovsku galaktiku usred ničega u doslovnom smislu. Na našem noćnom nebu moći će se vidjeti zvijezde (mrtve i žive) i ništa drugo. Bit će to vrlo oskudan svemir za buduće astrofizičare. Bez galaktika preko kojih bi se pratilo širenje prostora, oni bi pogrešno zaključili, kao i Einstein, da živimo u statičnom svemiru. Kozmološka konstanta i njena tamna energija proširit će svemir do tolikog opsega da se više ne mogu ni izmjeriti ni
zamisliti. Uživajte u kozmologiji dok još možete.
6. JEDAN SVEMIR ILI MNOŠTVO NJIH? Otkriće da živimo u svemiru koji se sve brže širi uzdrmalo je svijet kozmologije 1998. godine, kada su prvi put objavljeni rezultati proučavanja supernova koji su ukazali na ovo ubrzanje. Sada, kada su pretpostavku o svemiru koji se sve brže širi potvrdila detaljna promatranja kozmičkoga pozadinskoga zračenja, a kozmolozi imali na raspolaganju nekoliko godina za analizu posljedice ovog ubrzanog širenja, izronila su dva velika pitanja koja su im zagorčala dane, a uljepšala snove. Što to tjera svemir u ubrzano širenje? I zašto to ubrzanje ima baš onu vrijednost koja ja sada na snazi u svemiru ? Jednostavan odgovor na prvo pitanje pripisuje svu odgovornost za ubrzanje postojanju tamne energije, odnosno kozmološkoj konstanti različitoj od nule. Iznos ubrzanja izravno ovisi o količini tamne energije po kubnom centimetru. Što je više energije, veće će biti ubrzanje. Prema tome, ako bi kozmolozi uspjeli objasniti odakle potječe tamna energija i zašto je ima u količini koliku danas nalazimo, mogli bi izjaviti da su otkrili jednu od temeljnih tajni svemira – svemirski “besplatni ručak”, energiju u praznom prostoru koja neprekidno pogoni svemir prema vječnom, sve bržem širenju i dalekoj budućnosti u kojoj će postojati nepojmljivo ogroman prostor i razmjerno ogromna količina tamne energije, dok gotovo uopće neće biti materije po kubnoj svjetlosnoj godini. Što je uopće tamna energija? Kozmolozi mogu ponuditi odgovor koji potječe iz najvećih dubina carstva fizike čestica: tamna energija nastaje iz događaja koji se vjerojatno zbivaju u praznom prostoru, ako se možemo pouzdati u ono što smo doznali iz kvantne teorije materije i energije. Cjelokupna fizika čestica temelji se na ovoj teoriji koja je tako često i tako temeljito provjerena na submikroskopskom području da gotovo da nema fizičara koji nije uvjeren u njezinu ispravnost. Iz kvantne teorije proizlazi da ono što nazivamo praznim prostorom vrvi, zapravo, od “virtualnih čestica” koje toliko brzo nastaju i nestaju da ih nikada ne možemo izravno zamijetiti, već možemo samo promatrati njihove učinke. Neprekidno nastajanje i nestajanje ovih virtualnih čestica – pojava koju oni koji se drže precizne terminologije fizike nazivaju “kvantne fluktuacije vakuuma” –
daje energiju praznom prostoru. Štoviše, fizičari čestica mogu, bez mnogo poteškoća, izračunati količinu energije koja počiva u svakom kubnom centimetru vakuuma. Iz neposredne primjene kvantne teorije na ono što nazivamo vakuumom proizlazi da kvantne fluktuacije mogu stvoriti tamnu energiju. Kada ovako postavimo stvari, veliko pitanje o tamnoj energiji glasi ovako: “Zašto je kozmolozima trebalo toliko dugo vremena do shvaćanja da ova energija mora postojati?” Nažalost, postojeće okolnosti donekle mijenjaju ovo pitanje, tako da ono glasi: “Kako to da su fizičari čestica do sada griješili?” Proračuni količine tamne energije u svakom kubnom centimetru daju vrijednost koja je oko 10120 puta veća od vrijednosti do koje su kozmolozi došli na temelju promatranja supernova i kozmičkog pozadinskoga zračenja. U ekstremnim astronomskim uvjetima, proračuni koji se razlikuju za faktor 10 mogu se, barem privremeno, ocijeniti kao prihvatljivi, ali razlika za faktor 10120 nikako se ne može gurnuti pod tepih. Ako prazan prostor stvarno sadrži tamnu energiju makar i približno u iznosu o kojem govore fizičari čestica, svemir bi se već odavno trebao raširiti u tako veliki obujam da se nikakvo okupljanje materije ne bi moglo dogoditi, budući da bi se ona za samo djelić sekunde silno razrijedila. Teorija i promatranja slažu se oko toga da prazan prostor mora sadržavati tamnu energiju, ali razlikuju se za faktor bilijun na desetu potenciju glede količine te energije. Nikakva zemaljska analogija, pa čak ni svemirska, ne može nam ilustrirati veličine ovoga neslaganja. Udaljenost do najdalje galaktike za koju trenutno znamo veća je od protona 1040 puta. Čak i ovaj ogroman broj samo je kubni korijen faktora za koji se teorija i promatranja razilaze glede vrijednosti kozmološke konstante. Fizičarima čestica i kozmolozima odavno je poznato da iz kvantne teorije proizlazi neprihvatljivo velika vrijednost količine tamne energije, ali u vrijeme kada se smatralo da je kozmološka konstanta jednaka nuli nadali su se da će doći do nekog objašnjenja koje će dovesti do poništavanja pozitivnih i negativnih elemenata u teoriji, te samim tim i ukinuti problem. Slično poništavanje svojevremeno je riješilo jedan drugi problem: koliko energije virtualne čestice daju česticama koje možemo promatrati? Sada kada se pokazalo da se kozmološka konstanta razlikuje od nule, smanjene su nade da će se doći do takvog poništavanja. Ako ono postoji, onda mora nekako ukloniti gotovo cijelu mamutsku teorijsku vrijednost koju imamo danas. Za sada, u nedostatku bilo kakvog valjanog objašnjenja veličine kozmološke konstante, kozmolozi moraju nastaviti suradnju s fizičarima
čestica u nastojanju da izmire teoriju o tome kako svemir stvara tamnu energiju s vrijednošću obujma tamne energije po kubnom centimetru dobivenom na temelju promatranja. Neki od najboljih umova kozmologije i fizike čestica uložili su puno truda da dođu do objašnjenja vrijednosti dobivene promatranjem, ali bez uspjeha. Neuspjeh je silno razljutilo teoretičare djelomično zato što su svjesni da Nobelova nagrada – da se i ne spominje ogromno ushićenje zbog otkrića – čeka one koji objasne što je priroda učinila da bi svemir bio ovakav kakvim ga vidimo. No, još jedno pitanje bez objašnjenja silno je uznemirilo duhove. Zašto je količina tamne energije, izražena kao ekvivalentna joj masa, više-manje jednaka količini energije koju sadrži sveukupna materija u svemiru? Ovo pitanje može se postaviti i preko dvije Ω koje koristimo da bismo izmjerili gustoću materije i gustoću ekvivalentnu onoj tamne energije. Zašto su ΩM i ΩΛ slične po veličini, umjesto da jedna bude daleko veća od druge? Tijekom prve milijarde godina poslije Velikoga praska ΩM bila je gotovo točno jednaka jedinici, dok je ΩΛ praktički bila ravna nuli. U tom razdoblju, ΩM bila je najprije milijunima, zatim tisućama, a onda stotinama puta veća od ΩΛ. Danas, kada je ΩM = 0,27, a ΩΛ = 0,73, one su, grubo uzevši, za naše razmatranje jednake, premda je ΩΛ već znatno veća od ΩM. U dalekoj budućnosti, za više od pedeset milijarda godina, ΩΛ bit će najprije stotinama, pa tisućama i napokon milijunima i milijardama puta veća od ΩM. Samo tijekom kozmičkoga razdoblja u rasponu od 3 milijarde do 50 milijarda godina poslije Velikoga praska (a mi u njemu živimo), ove dvije veličine imaju makar približno jednaku vrijednost. Za one koji se ne udubljuju u to pitanje, raspon od 3 milijarde do 50 milijarda godina vrlo je dugo razdoblje. U čemu je onda problem? No, promatrano s astronomskog gledišta, ovo razdoblje praktično je beznačajnog trajanja. Astronomi se često odlučuju za logaritamsku skalu vremena, dijeleći ga na razdoblja koja se povećavaju za faktor 10. Svemir je prvo bio nešto star; zatim je postao deset puta stariji; pa deset puta stariji od toga; i tako, sve dalje prema beskonačnom vremenu koje nalaže beskonačan broj ovakvih desetostrukih povećanja. Pretpostavimo da počnemo računati vrijeme u najranijem trenutku poslije Velikoga praska, a koje ima smisla u kvantnoj teoriji: to je 10–43 sekunde. Kako svaka godina ima oko 30 milijuna (3 × 107) sekunda, potrebno je 60 udeseterostručenja da od 10–43 sekunde dođemo do 3 milijarde godina poslije Velikoga praska. Nasuprot tome, dovoljno je samo nešto malo više od jednog množenja s 10
da bi se od 3 milijarde stiglo do 50 milijarda godina, a to je jedino razdoblje kada su ΩM i ΩΛ približno jednaki. Poslije toga, beskonačan broj povećanja za faktor od 10 otvara put prema beskonačnoj budućnosti. Promatrano iz ove logaritamske perspektive, zanemarivo su mali izgledi da živimo upravo u onom razdoblju svemira kada ΩM i ΩΛ imaju makar i grubo slične vrijednosti. Vodeći američki kozmolog Michael Turner nazvao je ovu neobičnost – činjenicu da postojimo baš u doba kada su ΩM i Ω? približno jednake – “problem Nancy Kerrigan” po uzoru na poznatu olimpijsku klizačicu na ledu koja je pitala, kada ju je napao mladić njezine suparnice, “Zašto mene? Zašto sada?” Iako nisu u stanju izračunati kozmološku konstantu čija bi vrijednost iole bila blizu one dobivene mjerenjem, kozmolozi ipak imaju odgovor na Kerriganin problem, ali im se mišljenja vrlo razlikuju glede njegovog značaja i posljedica. Neki ga rado prihvaćaju; drugi to čini nevoljko; treći ga izbjegavaju; a četvrti ga odbacuju. Ovo objašnjenje dovodi u vezu vrijednost kozmološke konstante s činjenicom da mi postojimo na planetu koji kruži oko obične zvijezde u običnoj galaktici. Budući da mi postojimo, tvrdi se, parametri koji opisuju svemir, a posebno vrijednost kozmološke konstante, moraju biti takvi kakvi jesu da naše postojanje bude moguće. Razmotrimo, na primjer, što bi se dogodilo u svemiru sa znatno većom kozmološkom konstantom od naše. Znatno veća količina tamne energije dovela bi do toga da ΩΛ daleko nadmaši ΩM ne za 50 milijarda godina već poslije samo nekoliko milijuna. U to vrijeme, u svemiru kojim bi prevladavala djelovanja ubrzanja tamne energije, materija bi se tako brzo raspršila prostorom da uopće ne bi stigle nastati galaktike, zvijezde ili planeti. Ako pretpostavimo da od trenutka kada dođe do prvog nakupljanja materije pa do nastanka i razvoja života mora proći barem milijardu godina, možemo zaključiti da naše postojanje ograničava kozmološku konstantu na raspon od nule pa do samo nekoliko njenih trenutnih vrijednosti, a isključuje cijelo ono mnoštvo većih vrijednosti. Ovo zaključivanje dodatno dobiva na snazi ako zamislimo, kao što to čine mnogi kozmolozi, da sve ono što nazivamo svemirom ili univerzumom pripada znatno većem “multiverzumu” koji sadrži beskonačan broj svemira, pri čemu nijedan ne stupa u međudjelovanja s nekim drugim. Zamisao o multiverzumu utemeljena je na postojanju viših dimenzija u kojima leže bezbrojni svemiri, pa prostor u našem svemiru ostaje potpuno nedostupan bilo kojem drugom svemiru – i obrnuto. Ovo nepostojanje makar i teorijske mogućnosti međudjelovanja svrstava teoriju
o multiverzumu u kategoriju naizgled neprovjerivih hipoteza – barem do trenutka kada netko mudriji od nas ne nađe način da nekako ipak provjeriti model multiverzuma. U multiverzumu, novi svemiri rađaju se na potpuno nasumičan način, u stanju su proširiti se inflacijom u ogromne obujme prostora, pri čemu nemaju nikakvog dodira s beskonačnim brojem drugih svemira. U multiverzumu, svaki novi svemir iskače u postojanje opskrbljen sa svojim osobitim zakonima fizike koji određuju veličinu kozmološke konstante. Mnogi drugi svemiri imaju kozmološku konstantu daleko veću od naše, te tako vrlo brzo dostižu stanje gustoće bliske nuli koje nije pogodno za život. Samo mali, možda sićušni, dio svih svemira u multiverzumu obdaren je uvjetima koji omogućuju nastanak života, zato što su samo kod njih na snazi parametri koji dopuštaju materiji okupljanje u galaktike, zvijezde i planete te njihovo trajanje milijardama godina. Kozmolozi nazivaju ovaj način objašnjavanja vrijednosti kozmološke konstante antropskim načelom, premda bi vjerojatno bilo prikladnije nazvati ga antropskim pristupom. Ovaj pristup tumačenju ključnoga pitanja kozmologije djeluje vrlo privlačno: ljudi ga vole ili mrze, ali rijetko su ravnodušni prema njemu. Kao i mnoge intrigantne zamisli, antropsko načelo može se tako predstaviti da ide u prilog, ili se čini da ide u prilog, raznim teološkim i teleološkim mentalnim konstrukcijama. Neki religijski fundamentalisti smatraju da antropsko načelo podupire njihova vjerovanja, jer čovječanstvu pripisuje središnju ulogu: bez nekoga tko bi ga promatrao, svemir – barem onaj koji poznajemo – uopće ne bi postojao niti bi mogao postojati; prema tome, neka viša sila morala je posložiti stvari baš onako kako nama odgovara. Oni koji se ne slažu s ovim zaključkom primijetili bi da on baš ne slijedi iz antropskog pristupa. Na teološkoj razini, ovaj argument u prilog postojanja Boga pretpostavlja svakako najrasipnijeg tvorca koji se može zamisliti: on stvara bezbrojne svemire da bi u malom području samo jednog od njih mogao nastati život. Zašto onda ne odstraniti ovog posrednika i držati se starijih mitova o postanku u čijem je središtu čovječanstvo? S druge strane, ako odlučite u svemu vidjeti Boga, kao što je to činio Spinoza, ne možete se ne diviti multiverzumu koji neprekidno rađa nove svemire. Kao i većina vijesti s graničnih područja znanosti, zamisao o multiverzumu i antropski pristup lako se mogu zloupotrijebiti kao potpora ovog ili onog sustava vjerovanja. No, kako trenutno stoje stvari, mnogi kozmolozi prihvaćaju multiverzum bez dovođenja u vezu s nekim
sustavom vjerovanja. Stephen Hawking, koji drži (baš kao i Isaac Newton prije njega) Lucasovu katedru za astronomiju na sveučilištu Cambridge, smatra da je antropsko načelo izvrsno rješenje problema Kerrigan. Stephen Weinberg, koji je dobio Nobelovu nagradu za postignuća na području fizike čestica, ne voli to načelo, ali ga ipak prihvaća, barem privremeno, u nedostatku nekog boljeg rješenja. Konačno, povijest može pokazati da su, sada, kozmolozi koncentrirani na pogrešan problem – pogrešan u smislu da naše znanje još nije dovoljno da bismo ga kako treba napali. Weinbergu se sviđa analogija s Johannesom Keplerom koji je pokušao objasniti zašto Sunce ima šest planeta (kako su to astronomi onda vjerovali) i zašto se oni gibaju baš po takvim stazama. Četiri stotine godina poslije Keplera, astronomi i dalje znaju premalo o nastanku planeta da bi objasnili točan broj i staze članova Sunčeve obitelji. Poznato nam je da je netočna Keplerova pretpostavka da je razmak planetnih staza oko Sunca upravo takav da se između dvije susjedne staze može smjestiti i po jedno od pet savršenih tijela; ta tijela se, naime, ne uklapaju baš dobro, ali još je značajnije to što ne raspolažemo dobrim objašnjenjem zbog čega bi se planeti pokoravali takvom pravilu. Budućim generacijama, sadašnji kozmolozi mogu nalikovati Kepleru u svojim hrabrim nastojanjima da objasne nešto što je neobjašnjivo na temelju današnjeg razumijevanja svemira. Nisu svi blagonakloni prema antropskom načelu. Neki kozmolozi napadaju ga kao defetističko, suprotno onome što nas uči povijest znanosti (ovo načelo, naime, proturječi mnogim primjerima kada je fizika uspjela objasniti, ranije ili kasnije, prethodno tajanstvene pojave) i opasan zato što djeluje iskonstruirano. Štoviše, za mnoge kozmologe nije prihvatljiva, kao temelj teorije svemira, pretpostavka da živimo u multiverzumu koji sadrži bezbroj svemira s kojima nikada ne možemo stupiti u međudjelovanje, čak ni u teoriji. Rasprava o antropskom načelu ističe skepticizam koja stoji u temelju znanstvenoga pristupa razumijevanju svemira. Teorija koja se sviđa jednom znanstveniku, uglavnom onome koji ju je postavio, nekom drugom može izgledati smiješna ili jednostavno pogrešna. Obojica su svjesni da teorije opstaju i imaju uspjeha kada drugi znanstvenici ustanove da se pomoću njih najbolje može objasniti većina promatračkih rezultata. (Kao što je jedan slavni znanstvenik svojevremeno primijetio, čuvajte se teorije koja objašnjava sve podatke – za neke od njih vrlo je vjerojatno da će se ustanoviti da su pogrešni.)
Budućnost možda neće donijeti brzo rješenje ove rasprave, ali u njoj ćemo nesumnjivo vidjeti nove pokušaje objašnjenja onoga što vidimo u svemiru. Primjera radi, Paul Steinhardt sa Sveučilišta Princeton, koji je vješt u smišljanju neobičnih naziva, izgradio je teorijski “ekpirotski model” svemira u suradnji s Neilom Turokom sa Sveučilišta Cambridge. Nadahnut dijelom fizike čestica koji se naziva teorija struna, Steinhardt je zamislio svemir od jedanaest dimenzija, od kojih je većina “sabijena”, smotana nalik na čarape, tako da zauzimaju samo infinitezimalni dio prostora. Ali neke od njih imaju stvarnu veličinu i značaj, jedino što ih ne možemo opažati zato što smo začahureni u naše poznate četiri. Ako zamislite da se sveukupni prostor našeg svemira nalazi na beskonačnom listu (u ovoj usporedbi, tri dimenzije svemira svedene su na dvije), onda možete predočiti jedan drugi, usporedni list, a zatim sebi dočarati prizor kako se dva lista međusobno približavaju i sudaraju. Ovaj sudar dovodi do Velikog praska, a kada se listovi odbiju jedan od drugoga, povijest svakog od njih nastavlja se utabanim stazama, u smislu da nastaju galaktike i zvijezde. Konačno, dva lista prestaju se razmicati i opet se počinju približavati, što dovodi do novog sudara i novoga Velikoga praska na svakom listu. Svemir tako ima cikličnu povijest, ponavlja se, barem u najširim okvirima, u razmacima od više stotina milijarda godina. Budući da “ekpirosis” znači “požar” na grčkom (sjetite se poznatije riječi “piroman”), “ekpirotski svemir” podsjeća sve one kojima grčki nije sasvim stran na veliku vatru iz koje je nastao svemir kakvog poznajemo. Ovaj ekpirotski model svemira djeluje emotivno i intelektualno privlačno, premda ipak ne toliko da zadobije srca i umove mnogih Steinhardtovih kolega kozmologa. Barem još ne. Nešto približno slično ekpirotskom modelu, ako ne i on sâm, moglo bi jednoga dana omogućiti proboj kojem se današnji kozmolozi nadaju u nastojanjima da objasne tamnu energiju. Čak i oni kojima je antropsko načelo vrlo blisko teško da bi pružili otpor novoj teoriji koja bi ponudila dobro objašnjenje kozmološke konstante, a da pri tom ne uvede u igru beskonačan broj svemira, među kojima je upravo naš onaj koji je sretniji od drugih. I da, kako reče Voltaireov Candide, “živimo u najboljem od mogućih svjetova.”
DRUGI DIO Nastanak galaktika i građa svemira
7. OTKRIĆE GALAKTIKA Prije dva i pol stoljeća, malo prije nego li je engleski astronom sir William Herschel napravio prvi pravi veliki teleskop, poznati svemir uglavnom se sastojao od nešto malo zvijezda, uz Sunce, Mjesec, planete, malen broj Jupiterovih i Saturnovih satelita, nekoliko mutnih objekata i tako zvane Galaktike u obliku trake mliječne boje preko noćnog neba. Naziv “galaktika” zapravo i potječe od grčke riječi galaktos što znači “mlijeko”. Mutni objekti na nebu dobili su pak znanstveni naziv nebule, odnosno maglice, prema latinskoj riječi za maglu. To su nebeski objekti neodređenog oblika, poput maglice Rak u zviježđu Bika i maglice Andromeda u istoimenome zviježđu. Zrcalo Herschelovog teleskopa, sagrađenog 1789. godine, imalo je promjer 122 centimetra, što je bilo znatno veće od svega dotad napravljenog. Instrument je djelovao prilično neugledno zbog složene mreže nosača na kojima je počivao i u kojima se pokretao, ali kada ga je Herschel usmjerio prema nebu, ugledao je nebrojene zvijezde unutar Mliječne staze. Pomoću glavnog teleskopa, kao i jednog manjeg i pokretnijeg, Herschel i njegova sestra Caroline napravili su prvi sveobuhvatni, “dubinski” katalog maglica sjevernog neba. Sir John – Herschelov sin – nastavio je obiteljsku tradiciju, povećavajući očev i tetin popis objekata na sjevernom nebu. Također, tijekom dugog boravka na Rtu Dobre Nade, najjužnijoj točki Afrike, katalogizirao je oko 1700 mutnih objekata koji su vidljivi s južne polukugle. Godine 1864. sir John objavio je knjigu o svim poznatim dalekim objektima: Opći katalog maglica i zvjezdanih jata – koji je obuhvatio više od pet tisuća odrednica. Unatoč velikom opsegu sakupljenih podataka, nitko u to vrijeme nije znao što su, u stvari, maglice, koliko su daleko niti po čemu se međusobno razlikuju. No, katalog iz 1864. omogućio je morfološko klasificiranje maglica – prema obliku, naime. U duhu tradicije bejzbolske terminologije koja je uvedena nekako u vrijeme kada je Herschelov Opći katalog izvorno objavljen i čije bi glavno načelo moglo glasiti “nazovimo stvari onako kako ih vidimo”, astronomi su nazvali maglice spiralnoga oblika “spiralne maglice”, one čiji je oblik bio približno eliptičan “eliptične maglice”, a
razne druge maglice nepravilnoga oblika – ni spiralnoga ni eliptičnoga – “nepravilne maglice”. Konačno, one maglice koje su izgledale male i okrugle, poput teleskopske slike nekog planeta, dobile su (potpuno pogrešan) naziv “planetne maglice”, što od tada nije prestajalo zbunjivati sve koji su se tek počeli zanimati astronomiju. Tijekom najvećega dijela svoje povijesti astronomija se temeljila na opisnim metodama u istraživanjima, koji su vrlo sličili onima što se primjenjuju u botanici. U okviru sve opsežnijeg kompendija zvijezda i mutnih objekata, astronomi su tragali za pravilnostima i razvrstavali objekte prema njima. Bilo je to sasvim prirodno. Većina ljudi još od najranijega djetinjstva razvrstava stvari po izgledu i obliku, a da ih nitko tome nije naučio. Herschelovi su smatrali da se sve maglice nalaze na istoj udaljenosti od Zemlje, budući da je većina ovih mutnih objekata bila približno iste veličine. Podvrgavanje svih maglica istim pravilima razvrstavanja za njih je zato bio uzoran znanstveni postupak. Međutim, kasnije se pokazalo da je pretpostavka da se sve maglice nalaze na sličnoj udaljenosti od nas potpuno pogrešna. Neke maglice, koje su Herschelovi klasificirali, udaljene su koliko i zvijezde te su tako razmjerno malene (ako bilijun kilometara može biti označeno kao “razmjerno malo”). Za druge se pokazalo da su znatno dalje, te zato moraju biti mnogo veće od mutnih objekata koji su nam razmjerno blizu da bi na nebu izgledale istih veličine. Pouka koju je odavde valjalo izvući je da je jednog trenutka treba zanemariti kako nešto nama izgleda i upitati se kakvo je stvarno. Srećom, krajem devetnaestoga stoljeća napredak znanosti i tehnologije omogućio je astronomima da učine upravo to – da se prestanu baviti samo klasificiranjem onoga što se nalazi u svemiru. Iz pomaka koji je uslijedio rođena je astrofizika, primjena zakona fizike na astronomske pojave. U isto doba kada je sir John Herschel objavio opsežan katalog maglica, u potrazi za njima uključio se jedan novi znanstveni instrument – spektroskop. Jedini zadatak spektroskopa je da razloži svjetlost na dugu sastavnih boja. Te boje i crtice koje su u njima kao utkane, otkrili su ne samo pojedinosti o kemijskom sastavu izvora svjetlosti nego i, zahvaljujući pojavi koja se naziva Dopplerov efekt, približava li se izvor svjetlosti Zemlji ili se udaljuje od nje. Spektroskopija je otkrila nešto izuzetno: spiralne maglice, koje prevladavaju u području izvan dohvata Mliječne staze, gotovo sve se
udaljuju od Zemlje, i to izuzetno velikim brzinama. Za razliku od njih, sve planetne maglice, kao i većina onih nepravilnih, gibaju se razmjerno malim brzinama – neke prema nama, druge od nas. Zar se to u središtu Mliječne staze dogodila neka katastrofalna eksplozije koja je izbacila van samo spiralne maglice? Ako je tako, zašto se nijedna od njih ne vraća? Jesmo li svjedoci katastrofe u nekom posebnom trenutku? Unatoč razvoju fotografskih tehnika koje su donijele brže emulzije, što je omogućilo astronomima da mjere spektre maglica sve slabijega sjaja, njihov bijeg nije prestajao, a pitanja su ostajala bez odgovora. Do većine znanja u astronomiji, kao i u drugim znanostima, došli smo uvođenjem sve bolje tehnologije. Početkom dvadesetih godina prošlog stoljeća pojavio se još jedan ključni uređaj: izuzetan teleskop Hooker, promjera dva i pol metra, na zvjezdarnici Mount Wilson blizu Pasadene, u Kaliforniji. Godine 1924. američki astronom Edwin P. Hubble koristio je ovaj teleskop – najveći na svijetu u to vrijeme – u potrazi za posebnim tipom zvijezda promjenjivog sjaja, takozvanim cefeidama, u Andromedinoj maglici. Kod svakog tipa promjenjivih zvijezda sjaj se mijenja prema dobro poznatom uzorku; cefeide, nazvane tako po prvoj zvijezdi tog tipa, jednoj zvijezdi u zviježđu Cefeja, sve su izuzetno sjajne te se mogu vidjeti na ogromnim udaljenostima. Kako im se sjaj mijenja u prepoznatljivim ciklusima, strpljiv i uporan promatrač može ih otkrivati u sve većem broju. Hubble je našao nekoliko cefeida u Mliječnoj stazi i procijenio njihove udaljenosti; no, prilično se iznenadio kada se pokazalo da je jedna cefeida pronađena u Andromedinoj maglici mnogo slabijega sjaja negoli bi to trebala biti, uzevši u obzir izmjereni period promjene njenog sjaja. Najvjerojatnije objašnjenje ove pojave bilo je da se ta cefeida, a s njom i Andromedina maglica kojoj pripada, nalazi na mnogo većoj udaljenosti u odnosu na cefeide iz Mliječne staze. Hubble je shvatio da je Andromedina maglica toliko daleko da se nikako ne može nalaziti među zvijezdama zviježđa Andromeda niti uopće u Mliječnoj stazi – kao i da nije mogla biti izbačena, zajedno sa svojim spiralnim sestrama, tijekom nekog katastrofalnog prolijevanja “mlijeka”. Od ovog zaključka staje dah. Hubbleovo otkriće pokazalo je da su spiralne maglice zapravo čitavi posebni zvjezdani sustavi, podjednako veliki i bogati zvijezdama kao i naša Mliječna staza. Da upotrijebimo jedan izraz filozofa Immanuela Kanta, Hubble je pokazao da se na desetke “otoka-svemira” nalazi izvan našeg zvjezdanog sustava, budući da je objekt u Andromedi bio samo prvi na popisu poznatih spiralnih maglica.
Andromedina maglica bila je, u stvari, galaktika Andromeda. Do 1936. godine dovoljno je ovih otoka-svemira uočeno i fotografirano pomoću Hookera i drugih velikih teleskopa da se i Hubble odlučio okušati u morfologiji. Njegova analiza tipova galaktika temeljila se na neprovjerenoj pretpostavci da razlike u oblicima galaktika označavaju razvojne stupnjeve od njihova postanka do nestanka. U svojoj knjizi Carstvo maglica, objavljenoj 1936, Hubble je klasificirao galaktike tako što je smjestio različite tipove na dijagram nalik na glazbenu viljušku, čija drška predstavlja eliptične galaktike, s tim da su kružnici sličnije elipse na slobodnom kraju drške, a one oblika izduženije elipse blizu mjesta gdje se viljuška račva. Duž jednog kraka nalaze se obične spiralne galaktike: one bliže dršci imaju čvrsto pripijene spiralne krakove, dok one bliže kraju imaju sve razvijenije spiralne krakove. Duž drugoga kraka viljuške nalaze se spiralne galaktike koje po sredini imaju svojevrsnu “prečku”, ali su inače slične običnim spiralnima, no zbog svog oblika nazivaju se prečkaste galaktike. Hubble je zamišljao da galaktike nastaju kao blago eliptične, zatim postaju sve spljoštenije kako se uobličuju, da bi na kraju prešle u spiralni oblik s krakovima koji se lagano razmotavaju tijekom vremena. Blistavo. Lijepo. Čak elegantno. Ali i potpuno pogrešno. Ne samo da shemom nisu bile obuhvaćene cijele klase nepravilnih galaktika nego će i astrofizičari kasnije doznati da su najstarije zvijezde u svim galaktika približno iste starosti, što je značilo da su sve galaktike nastale tijekom iste ere u povijesti svemira. Tri desetljeća (pri čemu je nešto istraživačkih prilika propušteno zbog Drugog svjetskog rata), astronomi su promatrali i katalogizirali galaktike kao eliptične, spiralne i prečkaste u skladu s Hubbleovom dijagramu glazbene viljuške, pri čemu su nepravilne bile mali podskup, potpuno izvan dijagrama zbog neobičnih oblika. O eliptičnim galaktikama moglo bi se reći, po uzoru na ono što je Ronald Reagan rekao o kalifornijskim sekvojama, da kada vidite jednu, vidjeli ste ih sve. Eliptične galaktike sliče jedna drugoj, jer nemaju spiralne krakove koje su značajke spiralnih i prečkastih galaktika, a nemaju ni divovskih oblaka međuzvjezdanoga plina i prašine iz kojih se rađaju nove zvijezde. U tim je galaktikama prestao nastanak zvijezda prije mnogo milijarda godina, ostavivši za sobom sferne ili elipsoidne skupine zvijezda. Najveće eliptične galaktike, kao i najveće spiralne, sadrže po mnogo stotina milijarda zvijezda – možda čak i preko bilijun – dok im je promjer stotinu tisuća
svjetlosnih godina. S izuzetkom profesionalnih astronoma, nitko drugi još nije bio očaran fantastičnim oblicima eliptičnih galaktika i povijestima nastanka zvijezda u njima jer su, barem u usporedbi sa spiralnim galaktikama, to galaktike jednostavnih oblika i jednostavnog nastanka zvijezda: u svima njima plin i prašina pretvaraju se u zvijezde sve dok plina i prašine ima. Srećom, spiralne i prečkaste galaktike nadoknađuju vizualnu uzbudljivost koja nedostaje eliptičnima. Najuzbudljiviji od svih galaktičkih prizora koji bismo ikada mogli vidjeti, Mliječna staza gledana izvana, uzburkao bi nam kako osjećaje tako i razum, a to će se dogoditi čim uspijemo poslati kameru nekoliko stotina tisuća svjetlosnih godina iznad ili ispod središnje ravnine naše Galaktike. Danas, kada su naše najdalje svemirske letjelice prešle tek milijarditi dio spomenute udaljenosti, ovaj pothvat može izgledati neizvodljiv; čak bi i letjelici gotovo svjetlosne brzine bilo potrebno vrlo dugo – znatno duže od trajanja cjelokupne zabilježene povijesti – da stigne do tog položaja. Za sada, astronomi se moraju zadovoljiti kartografiranjem Mliječne staze iznutra, crtanjem galaktičke šume tako što će se skicirati njezina zvjezdana i magličasta stabla. Ova istraživanja otkrila su da je Mliječna staza vrlo slična našem najbližem galaktičkom susjedu, velikoj spiralnoj galaktici u Andromedi, zvanoj i Andromedina maglica. Na pogodnoj udaljenosti od oko 2,2 milijuna svjetlosnih godina, Andromedina maglica pružila je obilje podataka o osnovnom sklopu spiralnih galaktika, kao i o različitim vrstama zvijezda i njihovom razvoju. Kako su sve zvijezde iz Andromedine maglice praktički na istoj udaljenosti od nas (plus ili minus nekoliko postotaka), astronomi znaju da je prividni sjaj zvijezda razmjeran njihovom pravom, astronomi bi rekli apsolutnom, sjaju odnosno ukupnoj količini energije koju zrače svake sekunde. Ova okolnost, kakva ne vrijedi kad proučavate objekte u Mliječnoj stazi, ali i koja vrijedi za sve druge galaktike osim naše, omogućila im je da izvedu vrlo važne zaključke o razvoju zvijezda, znatno lakše nego što bi to bilo moguće za zvijezde Mliječne staze. Dvije eliptične satelitske galaktike koje kruže oko Andromedine galaktike, od kojih svaka sadrži samo po nekoliko postotaka od ukupnog broja zvijezda u matičnoj galaktici, također su pružile važne informacije o životima zvijezda i općem ustroju eliptičnih galaktika. Za neke vedre noći, daleko od svjetlosti gradova, osoba dobrog vida koja zna gdje treba gledati može uočiti mutnu mrljicu svjetla – Andromedinu maglicu – najudaljeniji svemirski objekt vidljiv golim okom. Njezina
današnja svjetlost krenula je na putovanje prema nama još dok su naši preci tumarali po afričkim klisurama u potrazi za korijenjem i bobicama. Kao i Mliječna staza, Andromedina maglica nalazi se na sredini jednog od krakova glazbene viljuške s Hubbleovoga dijagrama, budući da njezini spiralni kraci nisu ni previše primaknuti ni previše odmaknuti. Kada bi galaktike bile životinje u zoološkom vrtu, postojao bi samo jedan kavez s eliptičnim galaktikama, ali više staništa za veličanstvene spiralne galaktike. Proučavati sliku dobivenu Hubbleovim teleskopom jedne od ovih zvjerki (one bliže su od nas udaljene 10 do 20 milijuna svjetlosnih godina) znači zakoračiti u svijet tako bogat mogućnostima, toliko temeljno različit od života na Zemlji i tako složenoga ustroja da nepripremljeni um može ustuknuti ili podići oko sebe obrambeni zid tako što će se utješiti mišlju da to ne služi kao sredstvo za mršavljenje, a niti to može biti od koristi pri zacjeljenju slomljene kosti. Na nepravilne galaktike, siročiće sustava klasificiranja, otpada oko 10 posto od broja svih galaktika, dok je 90 posto podijeljeno između spiralnih i eliptičnih, pri čemu spiralnih ima znatno više. Za razliku od eliptičnih, nepravilne galaktike sadrže veću količinu plina i prašine nego spiralne, te se zato u njima nalaze najživlja rodilišta zvijezda. Mliječna staza ima dvije velike satelitske galaktike, obje nepravilne, koje nose zbunjujuće nazive Magellanovi oblaci zato što su prvi bijeli ljudi koji su ih vidjeli, mornari s Magellanovih brodova koji su oplovili svijet 1520., pomislili za njih da su pramenovi oblaka na nebu. Počast je pripala Magellanovom pohodu zato što se Magellanovi oblaci nalaze tako blizu južnoga nebeskoga pola (točke ravno iznad Zemljinoga južnoga pola) da se nikada ne dižu iznad obzora za promatrače znatno naseljenijih sjevernih geografskih širina koje obuhvaćaju Europu i glavninu SAD. Svaki Magellanov oblak sadrži mnogo milijarda zvijezda, premda ne i na stotine milijarda koliko ih ima u Mliječnoj stazi i drugim galaktikama; u njima se mogu vidjeti ogromna područja gdje nastaju zvijezde, među kojima je najpoznatija “maglica Tarantula” u Velikom Magellanovom oblaku. Ova nepravilna galaktika također je imala čast da u njoj zablista najbliža i najsjajnija supernova u posljednjih tri stoljeća, 1987A, koja je, zapravo, eksplodirala oko 160.000 godina p. n. e. da bi njezina svjetlost stigla do Zemlje 1987. Do šezdesetih godina prošloga stoljeća astronomi su se zadovoljavali time da klasificiraju gotovo sve galaktike kao spiralne, prečkaste spiralne, eliptične i nepravilne. Imali su pravo na to zato što je preko 99 posto
galaktika pripadalo nekoj od tih skupina. (Kada među skupinama galaktika imate i jednu skupinu koja se zove “nepravilne”, onda ste, zapravo, obuhvatili svih 100 posto.) Ali tijekom tog izuzetnog desetljeća, američki astronom Halton Arp proslavio se proučavanjem galaktika koje se nisu uklapale u jednostavnu klasifikacijsku shemu oblika glazbene viljuške. U duhu znamenite maksime “Dajte mi svoje umorne, siromašne, zbunjene mase”, Arp je koristio najveći teleskop na svijetu, Hale, promjera pet metara, na zvjezdarnici Palomar blizu San Diega, u Kaliforniji, da fotografira 338 sustava koji su izgledali vrlo neobično. Arpov Atlas neobičnih galaktika, objavljen 1966, postao je prava riznica istraživačkih mogućnosti o tome što se sve može dogoditi kako ne treba u svemiru. Iako “neobične galaktike” – definirane kao galaktike tako čudnoga oblika da je čak i pridjev “nepravilne” tu nedovoljan – stvaraju tek malu manjinu galaktika, one sadrže važne informacije o tome što se može dogoditi s galaktikama u kojima je nešto pošlo naopako. Pokazuje se, na primjer, da mnoge čudne galaktike iz Arpovog atlasa predstavljaju sadašnji izgled dviju nekada razdvojenih galaktika koje su se sudarile. Ovo znači da te “neobične” galaktike nisu uopće neka posebna vrsta galaktika, u istom smislu u kojem slupani automobil nije nova vrsta automobila. Da biste rekonstruirali kako se ovaj sudar odigrava, potrebno vam je znatno više od papira i olovke zato što svaka zvijezda u oba galaktička sustava ima vlastitu gravitaciju koja istovremeno djeluje na sve ostale zvijezde u dva sustava. Ono što vam je neophodno je računalo. Sudari galaktika su veličanstvene drame koje traju stotinama milijuna godina. Pomoću računalne simulacije možete početi, pa onda zaustaviti kad god poželite, sudar dviju galaktika, praveći na taj način presjeke stanja poslije 10, 50, 100 milijuna godina. Na svakom presjeku stvari izgledaju drukčije. A kada otvorite Arpov atlas, na jednoj strani vidite ranu fazu sudara, na drugom kasnu. Na jednoj su se dvije galaktike samo okrznule, na drugoj su imale frontalni sudar. Iako su prve računalne simulacije rađene početkom šezdesetih godina (a još prije toga, u četrdesetim godinama, švedski astronom Erik Holmberg domišljato je pokušao rekonstruirati sudar galaktika na plohi stola, pri čemu je svjetlost bila analogna gravitaciji), tek su 1972. braća Alar i Juri Toomre, koji su predavali na MIT-u, napravili prvi uvjerljiv portret “namjerno pojednostavljenog” sudara dviju spiralnih galaktika. Model braće Toomre otkrio je da, u stvari, plimne sile – razlika u gravitacija od mjesta do mjesta – razaraju galaktike. Kako se jedna galaktika približava
drugoj, gravitacijska sila brzo postaje sve jača na mjestima najbližim sudaru, rastežući i iskrivljujući obje galaktike koje prolaze jedna pokraj druge ili jedna kroz drugu. Ovo rastezanje i iskrivljenje odgovorno je za neobičnosti koje se mogu vidjeti u Arpovom atlasu neobičnih galaktika. Kako nam još računalne simulacije mogu pomoći u razumijevanju galaktika? Hubbleova glazbena viljuška razlikuje “normalne” spiralne galaktike i prečkaste spiralne koje po sredini spaja prečka gustih zvijezda. Simulacije pokazuju da bi ova prečka mogla biti samo privremena formacija, a ne neka značajka zasebne galaktičke vrste. Današnji promatrači prečkastih spiralnih možda su samo snimili ove galaktike za vrijeme jedne faze njihova razvoja, iz koje će one izaći za sto ili tako nekako milijuna godina. No kako u stvarnom životu ne možemo toliko čekati da prečka nestane, moramo njezino pojavljivanje i nestajanje pratiti preko računala, u kojem se milijardu godina može sažeti u nekoliko minuta. Pokazalo se da su Arpove neobične galaktike tek vrh ledenoga brijega, čudan svijet nepotpunih galaktika o kojima su astronomi prve podatke počeli skupljati u šezdesetim godinama, a razumjeti nekoliko desetljeća kasnije. Prije no što se bliže pozabavimo ovim sve bogatijim galaktičkim zoološkim vrtom, moramo se vratiti priči o razvoju svemira tamo gdje smo je prekinuli. Moramo istražiti postanak svih galaktika – normalnih, gotovo normalnih, nepravilnih, neobičnih i krajnje egzotičnih – vidjeti kako se rađaju i kako smo imali puno sreće da se nađemo u ovom razmjerno mirnom kraju svemira, u predgrađu jedne divovske spiralne galaktike, na udaljenosti od oko 30.000 svjetlosnih godina od njezinoga središta, odnosno 20.000 svjetlosnih godina od njenog rastresitog vanjskog ruba. Zahvaljujući općem poretku stvari u spiralnoj galaktici, nekadašnjem golemom oblaku plina iz kojeg nastaju zvijezde, naše Sunce giba se gotovo kružnom stazom oko središta Mliječne staze, pri čemu jedan puni obilazak završi za oko 240 milijuna godina (što se ponekad naziva “svemirska godina”). Danas, nakon dvadeset obilazaka otkako je nastalo, Sunce će napraviti još dobrano toliko prije negoli mu dođe kraj. U međuvremenu, dok se to ne dogodi, imamo vremena razmotriti ovdje kako su galaktike nastale.
8. POSTANAK STRUKTURE Kad istražujemo povijest materije u svemiru od njegovog nastanka prije 14 milijarda godina, brzo uočavamo jednu pojavu koja jednostavno vapi za objašnjenjem. Diljem svemira materija se uporno okupljala u neke strukture. Počevši od gotovo savršeno ravnomjerne raspodjele odmah nakon Velikog praska, svemirska tvar se okupljala u neke sklopove na svim redovima veličina, stvarajući divovska jata i još veća superjata galaktika, zatim pojedinačne galaktike unutar tih jata, te milijarde zvijezda u svakoj galaktici, i, posve moguće, i znatno manja tijela – planete, njihove pratitelje, asteroide i komete – koji kruže oko mnogih, ako ne i svih zvijezda. Da bismo razumjeli nastanak objekata u sadašnjem vidljivom svemiru, moramo obratiti pažnju na mehanizme koji su pretvorili prethodno raspršenu materiju u visoko organizirane strukture. Potpuni opis kako su nastale strukture u svemiru zahtijevao bi povezivanje dvaju oblika opisivanja fizičkog svijeta – kvantne mehanike i teorije relativnost - čiji nam spoj za sada izmiče. Kao što smo vidjeli u prethodnim poglavljima, kvantna mehanika opisuje ponašanje molekula, atoma i čestica iz kojih su oni građeni, a opća teorija relativnosti opisuje kako vrlo velike količine materije i prostora djeluju jedni na druge. Prvih pokušaja utemeljenja jedinstvene teorije koja bi objedinila naše znanje o subatomski malom i astronomski velikom latio se Albert Einstein. Nastojanja su nastavljena, uz razmjerno malo uspjeha, sve do naših dana, a znanstvenici će se i dalje baviti ovim problemom sve dok, u neodređeno dalekoj budućnosti, ne budu ostvarili “veliko ujedinjenje”. Među mnogim nepoznanicama koje ljute suvremene kozmologe upravo je to nepostojanje teorije koja bi slavodobitno povezala kvantnu mehaniku i opću teoriju relativnosti. Do tada, ove prividno nespojive grane fizike – znanost o malom i znanost o velikom – nimalo ne mare za naše neznanje; one sasvim uspješno postoje usporedo u istom svemiru, izrugujući se našim naporima da ih shvatimo kao koherentnu cjelinu. Galaktika koja broji sto milijarda zvijezda ne obraća nimalo pažnje na fiziku atoma i molekula iz kojih su izgrađeni njeni zvjezdani sustavi i plinoviti oblaci. Podjednako su
ravnodušne još veće nakupine tvari koje nazivano galaktička jata i superjata, koja sadrže na stotine, ponekad i tisuće galaktika. No čak i ove najveće strukture u svemiru ipak duguju sâmo svoje postojanje nemjerljivo malim kvantnim fluktuacijama iz prapočetnog svemira. Da bi se razumjelo kako su ove strukture nastale, moramo se potruditi najbolje što znamo na našoj sadašnjoj razini neznanja; bit će to put od malih područja kojima upravlja kvantna mehanika i u kojima se skriva ključ nastanka struktura, pa do tako velikih područja da kvantna mehanika više nema nikakvog utjecaja, a materija se pokorava zakonima koje propisuje opća teorija relativnosti. Moramo, dakle, pokušati objasniti današnju građu svemira kao razvojnu posljedicu mladog svemira bez ikakve strukture, kakav je bio neposredno poslije Velikog praska. Svako nastojanje da se objasni nastanak strukture mora uzeti u obzir svemir u sadašnjem obliku. Čak i ovaj umjeren zadatak suočio je astronome i kozmologe s nizom loših početaka i pogrešaka; no, sada smo – barem se nadamo tome – ipak izbili na blistavu čistinu točnoga opisa svemira. Tijekom najvećega dijela povijesti moderne kozmologije astrofizičari su pretpostavljali da se raspodjela materije u svemiru može opisati kao homogena i izotropna. U homogenom svemiru, svako mjesto izgleda slično svakome drugome, poput sadržaja čaše homogeniziranoga mlijeka. Izotropni svemir izgleda isti u svim pravcima u bilo kojoj točki prostora i vremena. Ova dva opisa možda izgledaju ista, ali nije tako. Primjera radi, crte zemljopisne dužine na Zemlji nisu homogene zato što su razmaknutije na nekim mjestima, a primaknutije na drugim; izotropne su samo na dva mjesta: na sjevernom i južnom polu, gdje se spajaju svi meridijani. Ako stojite na “vrhu” ili na “dnu” svijeta, mreža meridijana izgledala bi vam ista koliko god lijevo ili desno okrećete glavu. Evo jednog fizičkoga primjera. Zamislite da se nalazite na vrhu planine oblika savršenog stošca, te da osim te planine nema ničeg drugog na svijetu. Onda bi svaki pogled na površinu Zemlje iz tog kuta izgledao isti. Isto bi vrijedilo i ako biste bili u središtu mete koju koriste streličari, odnosno ako ste pauk u središtu savršeno ispredene mreže. U svim ovim primjerima, vaš svijet bio bi izotropan, ali ne i homogen. Primjer homogenog, ali ne i izotropnog, prizora je zid od istih pravokutnih opeka postavljenih, prema zidarskoj tradiciji, tako da gornja opeka naliježe na dvije susjedne polovice donjih. U odnosima koje obuhvaćaju nekoliko susjednih opeka i žbuke koja ih povezuje, zid će biti
isti svuda – opeke – ali različite doglednice duž zida različito će presijecati žbuku, što će potpuno uništiti izotropnost. Zanimljivo je (za one koji vole zanimljivosti ove vrste) da nam matematička analiza govori da će prostor postati homogen jedino ako je svuda izotropan. Jedan drugi formalni matematički teorem izriče pak da ako je prostor izotropan na samo tri mjesta, onda mora biti izotropan svuda. No, ima među nama i takvih koji odbacuju matematiku kao nezanimljivu i beskorisnu! Iako su estetski motivi naveli kozmologe na pretpostavku da je tvar u prostoru razmještena homogeno i izotropno, zamisao im se toliko sviđala da su je unaprijedili u temeljno kozmološko načelo. Mogli bismo ga također nazvati načelom prosječnosti: zašto bi jedan dio svemira bio zanimljiviji od nekog drugog? Na najmanjoj skali veličina i udaljenosti lako zamjećujemo da je ova tvrdnja pogrešna. Živimo na čvrstom planetu prosječne gustoće oko 5,5 grama po kubnom centimetru. Naše Sunce, tipična zvijezda, ima gustoću od oko 1,4 grama po kubnom centimetru. Međuplanetni prostor između dva nebeska tijela ima, međutim, bitno manju prosječnu gustoću – manju za faktor milijardu bilijuna (10-21). Međugalaktički prostor, koji čini glavnina svemirskog prostora, sadrži manje od jednog atoma na deset kubnih metara. Ovdje prosječna gustoća u odnosu na međuplanetni prostor pada još za faktor milijardu – toliko je mala da je na prvi pogled smiješno upotrebljavati za nju izraz “gustoća”. Kako su se širila obzori astrofizičara, postajalo im je jasno da se galaktika poput naše Mliječne staze sastoji od zvijezda koje putuju gotovo praznim međuzvjezdanim prostorom. A galaktike se također okupljaju u jata, što se kosi s pretpostavku o homogenosti i izotropnosti. Da bi homogenost i izotropnost bile na snazi u nekom području prostora, ono mora biti dovoljno veliko da nikakva struktura (ili nepostojanje strukture) ne bude zamjetna u njemu. Ako uzmete uzorak u obliku lopte takvog područja, homogenost i izotropnost nalažu da opća svojstva područja moraju u svemu biti slična prosječnim svojstvima bilo kojeg drugog uzorka iste veličine. Bilo bi baš nezgodno kada bi lijeva polovica svemira bila različita od desne. No, koliko veliko područje moramo zahvatiti da bismo ustanovili da je svemir homogen i izotropan? Promjer našega planeta Zemlje je 0,04 svjetlosne sekunde. Promjer Neptunove staze je 8 svjetlosnih sati. Naša Galaktika je disk promjera oko 100.000 svjetlosnih godina. A superjato
galaktika u zviježđu Djevica, kojem pripada i naša Mliječna staza, proteže se na 60 milijuna svjetlosnih godina. Prema tome, poželjan obujam koja može pružiti homogenost i izotropnost mora biti veći od superjata u Djevici. Kako su astronomi ispitali raspodjelu galaktika u prostoru, ustanovili su da se čak i u tim razmjerima veličine, koje dostižu 100 milijuna svjetlosnih godina, u svemiru javljaju ogromna, razmjerno prazna područja, omeđena galaktikama koje kao da su se oko njih rasporedile u prepletene listove i niti. Umjesto da sliči na uskomešani, homogeni mravinjak, raspodjela galaktika u ovim razmjerima slična je šupljikavoj spužvi. I na kraju su, međutim, astrofizičari napravili karte još većih omjera, da bi tek tu našli dragocjenu im homogenost i izotropnost. Pokazalo se da sadržaj uzorka svemira koji u promjeru ima oko 300 milijuna svjetlosnih godina doista odgovara sadržaju bilo kojega drugoga uzorka svemira iste veličine, čime je zadovoljen dugo traženi estetski kriterij za svemir. Ali, naravno, u manjim razmjerima, sve se rastače u nehomogenu i neizotropnu raspodjelu tvari. Prije tri stoljeća Isaac Newton razmatrao je pitanje kako je tvar zadobila strukturu u kojoj je organizirana. Njegov stvaralački um lako je pojmio zamisao o izotropnom i homogenom svemiru, ali je odmah i postavio pitanje koje većini nas nikada ne bi palo na pamet: kako se uopće bilo kakav sklop može napraviti u svemiru, a da se pri tom sveukupna materija ne sakupi na jednom mjestu, stvorivši divovsku masu? Newton je zaključio da, kako nigdje ne vidimo takvu masu, onda svemir mora biti beskrajan. Godine 1692. Newton je napisao u pismu Richardu Bentleyu, upravitelju učilišta Trojstvo na sveučilištu Cambridge: ... da je sveukupna materija u svemiru ravnomjerno raspoređena, a svaka čestica gravitacijski djeluje na sve druge, a sveukupni prostor, ispunjen ovom materijom, konačan, materija s rubnih područja bi pod utjecajem gravitacije težila približiti se materiji bližoj središtu, da bi napokon, neizbježno, došla do ovog središta gdje bi stvorila jednu ogromnu kuglastu masu. Ali ako bi materija bila ravnomjerno raspoređena u beskonačnom prostoru, nikada se ne bi okupila u jedinstvenu masu; no, okupila bi se u odvojene mase, te bi tako nastao beskonačan broj velikih masa raspršenih na ogromne udaljenosti kroz taj beskrajan prostor. Newton je pretpostavljao da ovaj beskonačan svemir mora biti statičan, u smislu da se niti širi niti sažima. U takvom svemiru objekte bi
držale na okupu gravitacijske sile – privlačenje kojim svaka masa djeluje na sve druge mase. Njegov zaključak o središnjoj ulozi gravitacije u izgradnji struktura i danas je na snazi, premda osuvremenjen, i kozmolozi stoje pred znatno težim zadatkom od Newtonovog. Daleko od toga da možemo uživati u blagodatima statičnoga svemira, moramo se pomiriti s činjenicom da se svemir širio još od Velikoga praska, prirodno se protiveći svakoj težnji materije da se sva skupi na jednu hrpu. Ovaj problem širenja svemira, koje onemogućava materiji okupljanje, postaje još naglašeniji ako uzmemo u obzir da je širenje bilo najbrže odmah poslije Velikoga praska, baš u doba kada su se počele oblikovati prve strukture. Na prvi pogled, kao da više ne možemo uporabiti gravitaciju kao silu koja stvara masivne objekte iz raspršenog plina, baš kao što ne možemo uporabiti lopatu da premještamo buhe po seoskom dvorištu. Pa ipak, gravitacija je nekako obavila posao. Svemir se u svojim ranim trenutcima toliko brzo širio da kad bi svemir bio potpuno homogen i izotropan na svim skalama veličina, gravitacija ne bi imala nikakvih izgleda za pobjedu. Danas ne bi bilo galaktika, zvijezda, planeta ni ljudi; postojali bi samo atomi raštrkani diljem svemira. Bio bi to jednoličan i dosadan svijet, bez onih koji su u stanju diviti se i divnih predmeta njihovoga divljenja. Naš današnji svemir vrlo je uzbudljiv i zanimljiv samo zato što su se nehomogenost i neizotropnost pojavile još u njegovoj najranijoj povijesti, posluživši kao začetak sveukupnog okupljanja materije i energije do kojeg će kasnije doći. Bez obje pogodnosti, svemir u brzom širenju spriječio bi gravitaciju u izgradnji poznatih nam struktura koje danas uzimamo kao nešto zdravo za gotovo. Što je uzrokovalo ova narušavanja homogenosti i izotropnosti iz kojih su niknuli svi ustroji u svemiru? Odgovor stiže s područja kvantne mehanike o kojoj Isaac Newton ništa nije znao, ali i koja se ne može izbjeći ako želimo razumjeti naš postanak. Kvantna mehanika govori nam da na najmanjoj skali veličina, u mikrosvijetu, raspodjela materije nikako ne može biti homogena i izotropna. Umjesto toga, pojavljivat će se, nestajati, pa opet pojavljivati u različitim iznosima slučajne fluktuacije raspodjele materije, kako ona postaje uskomešana masa čestica koje nestaju i rađaju se. U bilo kojem trenutku, u nekim područjima prostora bit će malo više čestica, te će zato i gustoća tu biti veća nego na drugim mjestima. Iz ove kontraintuitivne, čudne slike izvodimo sve što postoji danas. Malo gušća područja imala su priliku gravitacijom privući malo više
čestica, a vremenom je svemir pretvorio ta gušća područja u strukture. Prateći rast strukture u vremenu ubrzo nakon Velikoga praska, od koristi nam mogu biti dva ključna razdoblja s kojima smo se već susreli – “inflacijska era”, kada se svemir širio nevjerojatno brzo, i “doba razdvajanja”, približno 380.000 godina poslije Velikoga praska, kada je kozmičko pozadinsko zračenje prestalo međudjelovati s materijom. Inflacijska era trajala je od oko 10–37 sekunde pa do 10–33 sekunde poslije Velikoga praska. Tijekom tog razmjerno kratkog razdoblja tkanje prostora i vremena širilo se brže od svjetlosti, povećavši se za milijarditi bilijunti bilijunti dio sekunde od veličine sto milijarda milijarda puta manje od protona do približno 10 centimetara. Da, cijeli vidljivi svemir nekada je mogao stati u naranču. Ali što je izazvalo kozmičku inflaciju? Kozmolozi su uprli prst u krivca: “fazni prijelaz” koji je ostavio osobit i uočljiv trag na kozmičkom pozadinskom zračenju. Fazni prelazi ne javljaju se samo u kozmologiji; oni se zbivaju i u vašem domu. Zamrzavamo vodu u hladnjaku da bismo napravili kocke leda ili zagrijavamo vodu da bismo dobili paru. U zašećerenoj vodi hvataju se kristali šećera na vlaknu spuštenom u posudu. A vlažan, umućen maslac pretvara se u kolač kad je ispečen. U svemu ovome uočava se jedna pravilnost. U svim primjerima stvari izgledaju vrlo različito na dvije strane faznog prijelaza. Prema inflacijskom modelu, kad je svemir bio mlad, prevladavajuće energetsko polje podleglo je faznom prijelazu, jednom od nekoliko koji će se zbiti u tim ranim vremenima. Upravo ova epizoda ne samo što je izazvala brzo širenje nego je i uvela u svemir posebnu shemu fluktuacija područja s visokom i niskom gustoćom. Ove fluktuacije ugradile su se u šireće tkanje prostora, stvorivši svojevrstan plan o tome gdje će konačno nastati galaktike. U duhu Pu-Baa, junaka dijela Mikado Gilberta i Sullivana, koji je hrabro tragao za svojim korijenima sve do “praiskonske atomske globule”, možemo naš postanak, kao i začetak svih struktura, pripisati fluktuacijama na subatomskoj razini koje su se pojavile tijekom inflacijskoga razdoblja. Kojim bismo zapravo činjenicama mogli potkrijepiti ovu hrabru tvrdnju? Budući da astrofizičari nikako ne mogu zaviriti u prvi 0,000000000000000000000000000000000001 dio sekunde, preo staje im da se oslone na znanstvenu logiku kojom dovode u vezu ovo rano razdoblje s vremenom koje mogu promatrati. Ako je inflacijska teorija točna, početne fluktuacije nastale u toj eri, neumitna posljedica kvantne
mehanike – koja nam govori da će se uvijek javiti male varijacije od mjesta do mjesta u inače homogenom i izotropnom fluidu – imale su priliku postati područja visoke i niske koncentracije materije i energije. Možemo se nadati da ćemo pronaći tragove tih varijacija tu i tamo u kozmičkom pozadinskom zračenju koje predstavlja proscenij, predpozornicu razdvajanja sadašnjeg razdoblja od prvih trenutaka novorođenoga svemira, ali i njihovoga spajanja. Kao što smo već vidjeli, kozmičko pozadinsko zračenje sastoji se od fotona nastalih u prvim minutama poslije Velikoga praska. U ranoj povijesti svemira, ovi fotoni stupali su u međudjelovanje s materijom, udarajući tako silovito u svaki atom koji bi nastao da nijedan nije mogao dugo opstati. Ali širenje svemira smanjilo je energiju fotona tako da u vrijeme razdvajanja oni više nisu raspolagali dovoljnom energijom da spriječe zarobljavanje elektrona na stazama oko protona i jezgara helija. Od tog vremena, 380.000 godina poslije Velikoga praska, ništa više nije ugrožavalo atome – osim ponekog lokalnog poremećaja, kao što je zračenje neke obližnje zvijezde – dok su fotoni, sa sve manjom količinom energije, nastavili lutati svemirom, zajednički tvoreći kozmičko pozadinsko zračenje (KPZ). KPZ, dakle, sadrži trag povijesti, snimku izgleda svemira iz doba razdvajanja. Astrofizičari su naučili kako istražiti tu snimku sa sve većom točnošću. Prije svega, već sama činjenica da KPZ postoji znači da je njihovo temeljno razumijevanje svemira ispravno. Zatim, kako su godinama poboljšavali točnost mjerenja kozmičkoga pozadinskog zračenja pomoću novijih uređaja smještenih na balonima i satelitima, dobili su kartu sitnih odstupanja KPZ od homogenosti. Ova karta je svjedočanstvo o sićušnim fluktuacijama koje su se povećavale kako se svemir širio tijekom prvih nekoliko stotina tisuća godina poslije razdoblja inflacije i koje su, tijekom sljedećih oko milijardu godina, prerasle u raspodjelu tvari u najvećim razmjerima. Iako sasvim slabašno, KPZ nam omogućava da kartografiramo ostatke davno nestalog ranog svemira, kao i da lociramo – na udaljenosti od četrnaest milijarda svjetlosnih godina u svim pravcima – područja malo veće gustoće iz kojih su nastala galaktička jata i superjata. Područja s nešto malo većom gustoćom od prosječne ostavile su za sobom nešto malo više fotona nego područja s manjom gustoćom. Kada je svemir postao proziran, zahvaljujući tome što se smanjila energija fotona, pa oni nisu mogli stupati u međudjelovanja s novonastalim atomima, svaki je foton krenuo na
putovanje koje će ga odvesti daleko od polazišta. Fotoni iz naše blizine prevalili su 14 milijarda svjetlosnih godina u svim pravaca, čineći dio KPZ-a kojeg daleke civilizacije na rubu vidljivog svemira možda sada ispituju, a “njihovi” fotoni, koji su stigli u naše instrumente, govore kako su stvari izgledale vrlo daleko i vrlo davno, u doba kada su strukture tek počeli nastajati. Tijekom više od četvrt stoljeća nakon otkrića kozmičkoga pozadinskoga zračenja 1965. astrofizičari su tragali za anizotropijom u njemu. Promatrano iz teorijskog kuta, očajnički im je bilo potrebno da je pronađu, jer bez KPZ anizotropije reda veličine nekoliko stotisućitih dijelova, njihov osnovni model o nastanku struktura srušio bi se kao kula od karata. Bez klica materije na koje anizotropija ukazuje, ne bismo imali objašnjenje zašto postojimo. Srećom, anizotropija se pojavila u svemu po planu. Čim su kozmolozi napravili uređaje sposobne da otkrivaju anizotropiju odgovarajućeg reda veličine, ovu je pronašao najprije satelit COBE 1992, a zatim još precizniji instrumenti postavljeni na balone i na satelit WMAP, o čemu je bilo riječi u trećem poglavlju. Male, mjestimične fluktuacije količine fotona koji stvaraju KPZ, i o kojima nas je dojmljivo precizno obavijestio WMAP, svjedočanstvo su o kozmičkim fluktuacijama iz razdoblja od 380.000 godina poslije Velikoga praska. Tipične fluktuacije odstupaju samo nekoliko sto tisućitih dijelova stupnja iznad ili ispod prosječne temperature kozmičkoga pozadinskoga zračenja. Njihovo otkriće bilo je ravno pronalaženju sićušnih mrlja od ulja na vodenoj površini promjera jedan kilometar samo zahvaljujući tome što je gustoća ulja nešto malčice veća od gustoće vode. Koliko god ova anizotropija bila minijaturna, pokazalo se da je dovoljna da započne građenje sklopova materije. Na karti kozmičkoga pozadinskoga zračenja, dobivenoj satelitom WMAP, veća toplija mjesta ukazuju na to gdje je gravitacija nadvladala raspršenje tvari u širećem svemiru i uspjela okupiti dovoljno materije za izgradnju superjata. Ta područja danas sadrže oko tisuću galaktika, a svaka od njih oko 100 milijarda zvijezda. Kada takvom superjatu dodamo i tamnu materiju, njegova ukupna masa dostiže 1016 Sunčevih. I obratno, veća hladnija područja, u kojima se ništa nije moglo suprotstaviti širenju svemira, ostala su gotovo sasvim bez masivnijih nakupina materija. Astrofizičari nazivaju ta područja “praznine”, u smislu da ih okružuje nešto što nije prazno. Prema tome, divovski listovi i nîti od galaktika koje vidimo na nebu ne samo da ocrtavaju jata i njihova sjecišta nego i “zidove” i druge
geometrijske oblike kojima su omeđena prazna područja svemira. Dakako, galaktike se nisu jednostavno pojavile, potpuno oblikovane, iz materije koja je bila nešto malo gušća od prosjeka. Tijekom razdoblja koje je trajalo od 380.000 godina poslije Velikoga praska pa do otprilike 200 milijuna godina kasnije, materija se nije prestajala okupljati, ali ništa još nije zasvijetlilo u svemiru, budući da se prve zvijezde još nisu rodile. Tijekom tog mračnog doba svemira, on je sadržavao samo ono što je bilo stvoreno u prvih nekoliko minuta – vodik i helij, uz nešto malo litija. Bez težih elemenata – bez ugljika, dušika, kisika, natrija, kalcija i onih još težih – u tadašnjem svemiru nije bilo sada rasprostranjenih atoma i molekula koji mogu apsorbirati svjetlost kada zvijezda jednom počne sjati. Danas, kad postoje ti atomi i molekule, svjetlost s neke novonastale zvijezde otpuhivat će tlakom velike količine plina, koji bi inače pao na zvijezdu. Ovo odbacivanje plina čimbenik je koji ograničava masu novonastale zvijezde ne manje od stotinu Sunčevih masa. Ali u doba nastajanja prvih zvijezda, kada nije bilo atoma i molekula koji bi upili svjetlost, plin koji je padao na njih sastojao se gotovo isključivo od vodika i helija na koje zračenje kao da uopće nije djelovalo. Stoga su u to doba nastajale zvijezde znatno veće mase, od više stotina, čak i nekoliko tisuća Sunčevih. Vrlo masivne zvijezde prožive život vrlo brzo, a one najmasivnije najbrže. One pretvaraju materiju u energiju nevjerojatno brzo, proizvodeći teške elemente, i umiru eksplozivnom smrću kao još mlade. Njihov životni vijek je tek nekoliko milijuna godina, što je tek tisućiti dio Sunčevoga vijeka. Ne očekujemo da ćemo naći ijednu od najmasivnijih zvijezda još dandanas na životu, jer one rane su odavno nestale, dok danas, s obiljem teških elemenata diljem svemira, uopće ne mogu nastati zvijezde masivne poput onih iz davnine. I doista, nijedna takva hipermasivna zvijezda nikada nije primijećena. Ali njima se pripisuje u zaslugu to što su darovale svemiru gotovo sve poznate elemente s kojima se srećemo danas, uključujući ugljik, kisik, dušik, silicij i željezo. Možete to nazvati obogaćenjem svemira. Možete nazvati zagađenjem svemira. Ali sjeme života posijale su te davno nestale, vrlo masivne zvijezde prve generacije. Tijekom nekoliko prvih milijarda godina postojanja svemira, gravitacija je okupljala materiju na gotovo svim razinama, poput pastirskih pasa koji sakupljaju raspršeno stado. Jedna od prirodnih posljedica djelovanja gravitacije bio je nastanak supermasivnih crnih jama, svaka s masama koje su milijunima ili milijardama puta masivnije od Sunca. Ovakve crne jame velike su koliko i Neptunova staza i uništavaju svoju
okolinu. Plinoviti oblaci koje crne jame privlače sebi povećavaju brzinu, ali smeta im materija na njihovom putu. Sudaraju se s njom, ponirući u silovitom vrtlogu prema glasu svoga gospodara, crne jame. Tik prije no što će oblaci zauvijek iščeznuti u crnoj jami, sudari u toj izuzetno zagrijanoj materiji oslobađaju titanske količine energije koja sjaji milijardama puta jače od Sunca, a sve to u obujmu poput našeg Sunčevog sustava. Šikljaju čudovišni mlazovi materije i zračenja, koji se protežu stotinama tisuća svjetlosnih godina iznad i ispod uzburkanog plina, kako se energija probija iz vrtložnog lijevka na svaki raspoloživ način. Dok jedan oblak plina ulazi u crnu jamu, a drugi još kruži na stazi oko nje, emisija energije iz sustava varira, opadajući i rastući u razmacima koji se mjere satima, danima ili tjednima. Kad bi mlazovi bili usmjereni točno prema vama, sustav bi izgledao još sjajniji, a odljev bi se još izrazitije mijenjao nego kada biste mlazove promatrali sa strane. Viđene s neke veće udaljenosti, ove kombinacije crne jame i materije koja upada u nju izgledale bi izuzetno sjajne, ali male veličine u usporedbi s galaktikama koje vidimo danas. Ono što je svemir ovdje stvorio – objekte čijem smo verbalnom rođenju upravo bili nazočni – jesu kvazari. Kvazari su otkriveni početkom šezdesetih godina kada su astronomi počeli koristiti teleskope opremljene detektorima osjetljivim na nevidljiva područja zračenja, kao što su radiovalovi i rendgenske zrake. Portreti galaktika koje smo tada mogli dobivati obuhvaćali su i informacije o tome kako one izgledaju i na tim drugim područjima elektromagnetnog spektra. Dodamo li tome znatna poboljšanja fotografskih emulzija, iz dubina svemira izronio je novi zoološki vrt galaktičkih vrsta. Najuočljiviji među njima bili su objekti koji su na fotografijama sličili na jednostavne zvijezde, ali su – za razliku od zvijezda – proizvodili izuzetne količine radiovalova. Radni opis ovih objekata glasio je “kvazizvjezdani radioizvori” – što je ubrzo skraćeno u kvazari. Još neobičnije od radioemisija s ovih objekata bile su njihove udaljenosti: ustanovilo se da su to najudaljeniji poznati objekti u svemiru. Da bi bili tako mali, ali ipak vidljivi na tako ogromnim udaljenostima, morali su pripadati potpuno novoj vrsti objekata. Koliko su mali? Nisu veći od Sunčevoga sustava. Koliko su sjajni? Čak i oni najmanjeg sjaja nadmašuju sjaj prosječne galaktike. Početkom sedamdesetih godina astrofizičari su se složili glede toga da su pogonski strojevi kvazara zapravo supermasivne crne jame koje gravitacijski gutaju sve što im je u dosegu. Model crne jame pruža
objašnjenje malih dimenzija, a golemog sjaj kvazara, ali ništa ne govori o tome čime se one napajaju. Astrofizičari su tek u osamdesetim godinama počeli razumijevati u kojoj su sredini smješteni kvazari; silni sjaj iz središnjih područja kvazara nije dopustio nikakav pogled u ono što ih okružuje. Konačno, međutim, pomoću novih tehnika zaklanjanja svjetlost iz središta, astrofizičari su mogli proučiti mutno okruženje nekih kvazara slabijeg sjaja. S novim poboljšanjem promatračkih tehnika, mutno okružje otkriveno je oko svih kvazara; kod nekih je čak zapažen spiralni ustroj. Pokazalo se da kvazari ipak nisu nova vrsta objekata već prije nova vrsta galaktičkih jezgri. Travnja 1991. NASA je lansirala jedan od najskupljih astronomskih instrumenata ikad napravljenih: svemirski teleskop Hubble. Velik poput kakvog autobusa i upravljan daljinski sa Zemlje, teleskop Hubble imao je ogromnu prednost jer se nalazio na stazi izvan turbulentnog zračnog mora atmosfere. Nakon što su astronauti kasnije postavili leće za korekciju slike netočno napravljenog glavnog zrcala, teleskop je konačno mogao usmjeriti pogled prema ranije neispitanim područjima običnih galaktika, uključujući i njihova središta. Tu je ugledao zvijezde koje se kreću neočekivano brzo, uzme li se u obzir gravitacija drugih vidljivih zvijezda u okolini. Hmmm, snažna gravitacija, malo područje... to je vjerojatno crna jama. Kod jedne galaktike za drugom – na desetine njih – uočavane su sumnjivo brze zvijezde u jezgrama. U stvari, gdje god se teleskopu Hubble otvarao čist pogled na galaktičko središte, one su bile ondje. Danas smatramo da se vrlo vjerojatno u svakoj divovskoj galaktici nalazi po jedna supermasivna crna jama koja je mogla poslužiti kao gravitacijsko sjeme oko kojega se druga materija sakupljala, ili je pak nastala kasnije iz građe koja je pritjecala iz drugih područja galaktike. Ali nisu sve galaktike bile u mladosti kvazari. Sve duži popis običnih galaktika za koje je ustanovljeno da imaju crnu jamu u središtu počeo je navoditi istraživače da nabiru obrve: supermasivna crna jama koja nije kvazar? Kvazar okružen galaktikom? Teško je ne pomisliti na jedan potpuno novi scenarij. U tom scenariju, neke galaktike počinju život kao kvazari. Da bi uopće postojao kvazar, koji je, zapravo, samo blistavo vidljivo središte inače obične galaktike, nužno je da sustav ima ne samo masivnu, gladnu crnu jamu nego i ogromne zalihe plina koji upada u nju. Kad supermasivna crna jama jednom proguta svu raspoloživu hranu, ostavivši nepojedene zvijezde i plin na udaljenim, sigurnim stazama, kvazar se jednostavno isključuje. Tada imate
dobroćudnu galaktiku sa zaspalom crnom jamom u središtu. Astronomi su otkrili i druge vrste objekata koje su klasificirali kao prijelazni oblik između kvazara i normalnih galaktika i čija svojstva također ovise o halapljivom ponašanju supermasivnih crnih jama. Ponekad je dotok materijala u crnu jamu u središtu galaktike spor i postojan. U drugim slučajevima je povremen. Ovi sustavi pripadaju skupini galaktika čije su jezgre aktivne, ali ne prekomjerno. Tijekom godina napravljena je čitava nomenklatura različitih objekata: LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Regions – područja s emisionim linijama iz slabo ionizirane jezgre), Seyfertove galaktike, N galaktike, blazari. Svi ovi objekti dobili su skupni naziv AGN; to je astrofizička kratica koja označava galaktike s “aktivnim” jezgrama. Za razliku od kvazara koji postoje samo na ogromnim udaljenostima, AGN nalazimo i na velikim udaljenostima i razmjerno blizu. To znači da su AGN vrsta galaktika koje se nepravilno ponašaju. Kvazari su davno potrošili svu svoju hranu, tako da ih sada vidimo jedino kada gledamo duboko u prošlost, odnosno na ogromne udaljenosti. Za razliku od njih, AGN imaju umjereniji tek, te tako neke od njih još raspolažu zalihama hrane čak i nakon puno milijarda godina. Klasificirati AGN samo na temelju njihovog vizualnog izgleda dalo bi nepotpunu sliku te ih zato astrofizičari razvrstavaju prema spektrima i prema punom opsegu elektromagnetnih emisija. U drugoj polovici devedesetih godina istraživači su poboljšali model crne jame i ustanovili da mogu odrediti gotovo sve članove AGN zvjerinjaka mjerenjem samo nekoliko parametara: mase crne jame danoga objekta, brzine kojom se ona hrani i kuta pod kojim vidimo akrecijski disk i mlazove što šikljaju iz njega. Ako, na primjer, gledamo “ravno u cijev”, odnosno ako je mlaz koji niče iz blizine supermasivne crne jame usmjeren ravno prema nama, onda vidimo znatno sjajniji objekt nego ako bi nam se na mlaz pružao pogled pod nekim bitno drukčijim kutom. Varijacije ova tri parametra mogu dati objašnjenje gotovo sveukupne upečatljive raznovrsnosti koju astrofizičari opažaju, što im je od pomoći pri utvrđenju vrsta galaktika i omogućuje dublje razumijevanje njihovog nastanka i razvoja. Činjenica da se toliko toga može zaključiti – o razlikama u obliku, veličini, sjaju i boji – iz samo nekoliko paametara nedovoljno je priznati trijumf astrofizike s kraja dvadesetoga stoljeća. Kako se ovaj uspjeh temelji na radu mnoštva istraživača na koji je utrošeno, tijekom godina, puno teleskopskih sati, to nije vrsta otkrića koja je sadržaj udarnih vijesti u medijima – ali ipak je golem uspjeh.
Nemojmo iz toga zaključiti da supermasivne crne jame mogu dati objašnjenje za sve. Iako su im mase milijunima ili milijardama puta veće od Sunčeve, to je sasvim zanemarivo u odnosu na ukupnu masu galaktika u kojima su smještene – po pravilu znatno manje od jedan posto. U nastojanjima da se objasni postojanje tamne materije ili drugih nevidljivih izvora gravitacije u svemiru, crne jame su posve beznačajne i mogu se zanemariti. Ali kada izračunamo koliko energije daju – energije, naime, koja se oslobađa pri njihovom nastajanju – ustanovljavamo da su u crne jame i te kako važne u energetici stvaranja galaktika. Ukupna energija svih staza svih zvijezda i plinovitih oblaka iz kojih se sastoji galaktika nije ništa u usporedbi s onim što stvara crna jama. Bez supermasivnih crnih jama, galaktike kakve poznajemo nikada ne bi nastale. Nekada blistave, ali sada nevidljive crne jame koje počivaju u središtu svake divovske galaktike su skrivena karika, fizičko objašnjenje okupljanja materije u složen sustav milijarda zvijezda koje kruže oko zajedničkoga središta. Šire objašnjenje nastanka galaktika obuhvaća ne samo gravitaciju koju stvaraju supermasivne crne jame nego i onu koja potječe iz konvencionalnijih astronomskih izvora. Što je to što je napravilo milijarde zvijezda u jednoj galaktici? Iza toga također stoji gravitacija koja je izgradila na stotine tisuća zvijezda samo u jednom oblaku. Većina zvijezda u galaktici rođena je u razmjerno labavim “asocijacijama”. Zbijenija područja na kojima su nastale zvijezde označavaju se kao “zvjezdana jata” u okviru kojih svako sunce kruži oko središta jata, putujući kroz prostor kao u nekom kozmičkom baletu čiju koreografiju pišu gravitacijske sile svih ostalih zvijezda u jatu, dok se samo jato giba stazom ogromnog promjera oko galaktičkog središta, sigurno od razorne sile središnje crne jame. Unutar jata, zvijezde se gibaju vrlo različitim brzinama, neke toliko brzo da su u stanju i napustiti sustav. To se doista povremeno i događa: brze zvijezde oslobađaju se gravitacijskog stiska jata i nastavljaju slobodan let galaktikom. Ove slobodne zvijezde, zajedno s “kuglastim jatima” od kojih svako sadrži na stotine tisuća zvijezda, pripadaju skupini zvijezda koje stvaraju tako zvane “haloe” oko galaktika. U početku sjajni, ali danas bez onih najsjajnijih, kratkovječnih zvijezda, galaktički haloi su najstariji vidljivi objekti u svemiru nastali u vrijeme kada su se oblikovale i same galaktike. Posljednji koji su kolabirali, odnosno posljednji koji su se pretvorili u zvijezde bili su plin i prašina privučeni u galaktičku ravninu i tu zarobljeni.
Kod eliptičnih galaktika takva ravnina ne postoji, tako da se u njima sav plin već pretvorio u zvijezde. No kod spiralnih galaktika materija je razmještena po vrlo spljoštenom disku, sa središnjom ravninom unutar koje nastaju najmlađe i najsjajnije zvijezde, stvarajući spiralni oblik koji je svjedočanstvo o velikim, vibrirajućim valovima izmjenično gustog i rijetkog plina koji kruži oko galaktičkog središta. Poput zagrijanog bijelog sljeza koji se pri dodiru skuplja, cijeli plin u spiralnoj galaktici, koji nije brzo sudjelovao u stvaranju zvjezdanih jata, spustio se na galaktičku ravninu, držeći se na okupu, i izgradio disk materije koji sporo malopomalo proizvodi zvijezde. Kao i tijekom prošlih milijarda godina, tako će i tijekom budućih zvijezde nastaviti nastajati u spiralnim galaktikama, pri čemu će svaka nova generacija biti od prethodne bogatija teškim elementima. Ovi teški elementi (a takvima astrofizičari smatraju sve elemente teže od helija) razbježali su se u međuzvjezdani prostor s ostarjelih zvijezda ili kao ostaci eksplozija vrlo masivnih sunaca, odnosno neke od vrsta supernova. Zahvaljujući postojanju ovih elemenata, galaktika – a samim tim i svemir – još je pogodnija za kemiju života kakav je nama poznat. Opisali smo nastajanje normalne spiralne galaktike u razvojnom tijeku koji se odigravao desetke i desetke milijarda puta, pri čemu su se galaktike okupljale u raznim većim grupacijama: u jata, u dugačke niti i u listove. Budući da gledamo u prošlost kad god pogledamo u svemir, u stanju smo proučiti galaktike ne samo kakve su sada nego i kakve su izgledale prije više milijarda godina. No pretvaranje ove povoljne okolnosti u promatračku stvarnost nije jednostavno budući da su galaktike udaljene više milijarda svjetlosnih godina pa su to sitni objekti slabašnoga sjaja, tako da čak i najjačim teleskopima možemo jedva vidjeti njihove obrise. Unatoč tome, astrofizičari su tijekom posljednjih godina postigli veliki napredak. Do ključnog napretka došlo je 1995. kada je Robert Williams, tada direktor Znanstvenog instituta za svemirski teleskop, pri Sveučilištu John Hopkins, omogućio da svemirski teleskop Hubble bude usmjeren na jedno mjesto na nebu, u blizini Velikih Kola, tijekom punih deset dana. Williamsova zasluga velika je zato što je odbor za dodjelu vremena, tijelo koje procjenjuje prijedloge za korištenje tog vrijednog instrumenta, zaključio da ovaj projekt ne zavređuje podršku. Uostalom, područje neba namjerno je izabrano zato što u njemu nema ničeg zanimljivog; to je posve jednolično područje. Nijedan projekt koji je u tijeku ne bi mogao imati
neposredne koristi od tako dugotrajnog korištenja teleskopa za čije dragocjeno vrijeme postoji velika lista čekanja. Srećom, Williams, na funkciji direktora Instituta, raspolagao je malim postotkom – direktorsko diskreciono pravo – ukupnog radnog vremena teleskopa Hubble, te je tako omogućio da dobijemo ono što će postati poznato kao “Hubbleovo duboko područje”, jedna od najslavnijih astronomskih fotografija koje su ikada snimljene. Desetodnevna ekspozicija, koja se igrom slučaja poklopila sa stankom u radu američke vlade iz 1995, pružila nam je snimku koja je najdetaljnije istražena u povijesti astronomije. Prepuno galaktika i objekata nalik na galaktike, duboko područje predstavlja svemirski palimpsest na kojem su objekti na različitoj udaljenosti od Mliječne staze ispisali svoj trenutni svjetlosni potpis u različitim vremenima. Na dubokom području vidimo objekte onako kako su izgledali prije, recimo, 1,3 milijarde godine, 3,6 milijarda, 5,7 milijarda ili 8,2 milijarde, pri čemu je epoha svakog objekta određena na temelju njegove udaljenosti od nas. Na stotine astronoma bacilo se na obilje podataka sadržanih u toj jednoj slici kako bi pribavili nove informacije o tome kako su se galaktike razvijale, odnosno kako su izgledale ubrzo nakon što su nastale. Godine 1998. dobili smo parnjaka ove fotografije, “Hubbleovo duboko područje jug”. Ponovo je deset dana teleskop bio usmjeren prema dijelu neba nasuprot prethodnom, koje se, viđeno sa Zemlje, nalazi na južnoj nebeskoj polutci. Usporedbom dvije slike astronomi su ustanovili da prva snimka dubokog područja nije bila anomalija (primjera radi, da su dvije snimke bile potpuno iste ili statistički potpuno različite, moglo bi se zaključiti da je vrag upleo prste u cijelu stvar). Također su došli do novih spoznaja o tome koliko različitih vrsta galaktika nastaje. Poslije uspješnog pothvata servisiranja, pri čemu je teleskop Hubble opremljen još boljim (osjetljivijim) detektorima, Institut za svemirski teleskop nije mogao odoljeti iskušenju i 2004. osigurao je da se dobije “Hubbleovo ultraduboko područje” koje nam je omogućilo uvid u još dalji svemir. Nažalost, najranije faze nastanka galaktika, koje bi nam otkrili objekti na najvećoj udaljenosti, ostale su nedostupne čak i teleskopu Hubble, između ostalog i zato što se širenjem svemira pomakla glavnina zračenja na infracrveno područje spektra, nedostupno instrumentima na teleskopu. Za te najudaljenije galaktike astronomi čekaju izgradnju i lansiranje nasljednika teleskopa Hubble, a to je svemirski teleskop James Webb (JWST), nazvan po direktoru NASA iz doba projekta Apollo. (Cinici
kažu da je ovo ime, a ne ime nekog slavnog znanstvenika koji daleko više zaslužuje tu počast, izabrano zato da se osigura novac za projekt.) JWST će imati zrcalo veće od onoga na teleskopu Hubble i bit će projektiran tako da se otvara poput složenog mehaničkog cvijeta, čime će se dobiti površina znatno veća od one koja bi mogla stati u bilo koju raketu kojom trenutno raspolažemo. Novi svemirski teleskop imat će i komplet instrumenata daleko savršeniji od onih koji se nalaze pri teleskopu Hubble, a koji su projektirani u šezdesetim godinama, napravljeni u sedamdesetim, lansirani 1991, i premda su značajno poboljšani tijekom devedesetih godina, slijepi su za infracrveno zračenje. Sada to zračenje može snimiti samo SIRTF (Spitzer InfraRed Telescope Facility – Infracrveni teleskop Spitzer). On je lansiran 2003. i kruži oko Sunca na znatno većoj udaljenosti od Zemlje nego teleskop Hubble, te ga tako ne ometa široko infracrveno (toplinsko) zračenje koje isijava naš planet. Iz istog razloga će i JWST također biti na stazi znatno udaljenijoj od Zemlje nego što je to staza teleskopa Hubble, što će ga zauvijek učiniti nedostupnim za servisiranja kakva se danas obavljaju na Hubbleu – te je zato vrlo važno da NASA ovaj put obavi posao kako treba. Ako se novi teleskop uvede u upotrebu 2011., kako se trenutno planira, trebao bi nam dati spektakularne nove spoznaje o svemiru, računajući i slike galaktika na udaljenosti većoj od deset milijarda svjetlosnih godina. One bi se nalazile znatno bliže vremenu kada su nastale negoli galaktike koje vidimo na snimkama Hubbleovog dubokog područja. Radeći u zajedništvu s novim svemirskim teleskopom, kao što su radili i sa starim, veliki instrumenti s površine Zemlje moći će vrlo detaljno proučavati mnoštvo objekata koje ćemo otkriti pri našem sljedećem velikom koraku u korištenju astronomskih instrumenata u svemirskom prostoru. Iako nam budućnost otvara neslućene nove mogućnosti, ne bismo trebali podcijeniti upečatljiva postignuća koja su astrofizičari ostvarili tijekom prethodna tri desetljeća. Ona su se temeljila na njihovom umijeću pravljenja novih instrumenata za promatranje svemira. Carl Sagan je volio reći da biste trebali biti građeni od kamena ako vas ne ispunjava strahopoštovanje pred prizorom građe svemira. Zahvaljujući poboljšanim promatranjima sada znamo i više nego što je u Saganovo vrijeme bilo poznato o čudesnom slijedu događaja koji su doveli do našeg postojanja: kvantne fluktuacije u raspodjeli materije i energije u razmjerima manjim od veličine protona iznjedrile su galaktička superjata promjera trideset milijuna svjetlosnih godina. Od kaosa do kozmosa, ovaj uzročno-
posljedični odnos prešao je u prostoru trideset i osam redova veličina (1038) te u vremenu četrdeset i dva reda veličina (1042). Poput mikroskopskih nîti DNK, koje predodređuju identitet neke makroskopske vrste i jedinstvene osobine njezinih pripadnika, sadašnji izgled svemira bio je upisan u tvar tih najranijih trenutaka, da bi se zatim neumoljivo prenosio kroz prostor i vrijeme. Osvjedočujemo se u to kada podignemo pogled. Osvjedočujemo se i kada ga spustimo. Osvjedočujemo se i kada zavirimo u unutrašnjost.
TREĆI DIO Postanak zvijezda
9. PRAH PRAHU Ako za neke vedre noći, podalje od gradskih svjetala, podignete pogled prema nebu, lako ćete uočiti traku blijedog sjaja, nalik na kakav oblak, mjestimično prekinutu tamnim potezima, koja se pruža od obzora do obzora. Davno poznata kao Mliječna staza na nebu, ova mliječno-bijela maglica objedinjuje svjetlosti nevjerojatnog broja zvijezda i plinovitih maglica. Oni koji promatraju Mliječni put dvogledom ili amaterskim teleskopom vidjet će kako tamna i jednolična područja ostaju nepromijenjena, dok se svijetla područja difuznog sjaja pretvaraju u bezbroj zvijezda i maglica. U svojoj knjižici Siderius Nuncius (Zvjezdani glasnik), objavljenoj u Veneciji 1610. godine, Galileo Galilej dao je prvi izvještaj o nebu viđenom kroz teleskop, u kojem se javlja i opis pruge svjetlosti Mliječne staze. Nazivajući svoj uređaj dogledom, jer naziv teleskop (“daleko vidjeti” na grčkom) još nije bio uveden u upotrebu, Galilej nije mogao zaustaviti oduševljenje: I sâma Mliječna staza može se dogledom tako dobro vidjeti da sve rasprave koje su generacijama vodili filozofipostaju bespredmetne pred ovom očitošću, te se tako više nema oko čega sporiti. Pokazuje se da Galaktika nije ništa drugo do skupina bezbroj zvijezda okupljenih u jata. Možete usmjeriti dogled prema bilo kojem njezinom području i pred očima će vam se odmah ukazati mnoštvo zvijezda od kojih su mnoge vrlo velike i uočljive, dok je broj malih doista nepojmljiv. Galilejeva “skupina bezbroj zvijezda” koje tvore najgušća područja Mliječne staze svakako su od ključnoga zanimanja za astronome. Zašto bi bilo koga zanimala tamna područja bez vidljivih zvijezda? Sudeći po njihovom izgledu, ova područja vjerojatno su svemirske rupe kroz koje zjapi beskrajan prazan prostor što se pruža s druge strane. Proći će tri stoljeća prije no što se ustanovi da potezi tame u
Mliječnoj stazi ne samo što nisu rupe nego da se sastoje od gustih oblaka plina i prašine koji zaklanjaju udaljenija zvjezdana polja i koji duboko u sebi sadrže obitelji zvijezda. Pošavši od ranije sumnje američkog astronoma Georgea Caryja Comstocka, koji se upitao zašto su daleke zvijezde znatno prigušenijeg sjaja nego što bi to samo na temelju njihove udaljenosti trebalo biti, nizozemski astronom Jacobus Cornelius Kapteyn otkrio je 1909. godine uzročnika ove pojave. U dva istraživačka rada, oba istog naslova “O apsorpciji svjetlosti u svemiru” (J. C. Kapteyn, Astrophysical Journal 29, 46, 1909; 30, 284. 1909) Kapteyn je iznio dokaze da tamni oblaci – njegov novopronađeni “zvjezdani medij” – ne samo da zaklanjaju svjetlost zvijezda nego to čine neravnomjerno u okviru njihovoga spektra: djelotvornije apsorbiraju i raspršuju, te time i oslabljuju, svjetlost na ljubičastom kraju nego na crvenom kraju vidljivog dijela spektra. Zbog ove selektivne apsorpcije koja uklanja više ljubičaste nego crvene svjetlosti daleke zvijezde izgledaju crvenije od bližih. Iznos ovog povećanja crvenog sjaja zvjezdane svjetlosti upravo je razmjeran ukupnom opsegu materijala na koji svjetlost nailazi na putu do nas. Obični vodik i helij, glavni sastojci svemirskih plinovitih oblaka, ne zacrvenjuju svjetlost. Ali molekule izgrađene od više atoma to čine – osobito one koje sadrže elemente ugljik i silicij. Kada međuzvjezdane čestice postanu prevelike da bi se mogle nazvati molekulama, sa stotinama tisuća ili milijunima atoma u svakoj od njih, onda ih nazivamo prašinom. Gotovo svi poznajemo prašinu iz vlastitih domova, iako su rijetki oni koji znaju da se, u zatvorenim domovima, prašina poglavito sastoji od mrtvih, otpalih stanica ljudske kože, kao i s tijela kućnih životinja. Koliko nam je poznato, međutim, u svemirskoj prašini nema nimalo epiderme. No, u njoj se nalazi izuzetan skup složenih molekula koje, pobuđene sjajem okolnih zvijezda, emitiraju fotone prvenstveno na infracrvenom i mikrovalnom području spektra. Astrofizičari nisu raspolagali dobrim mikrovalnim teleskopima sve do sedamdesetih godina. Kad su napravljeni ovi promatrački instrumenti, mogli su istraživati pravo kemijsko bogatstvo tvari koja postoji u međuzvjezdanom prostoru. Tijekom kasnijih desetljeća posložila se očaravajuća, uzbudljiva slika nastanka zvijezda. Zvijezde ne nastaju neprekidno iz sveukupnog plina. Prilično često, oblak kao da je zbunjen, ne znajući što bi sa sobom. I astrofizičari su tu zbunjeni. Znamo da međuzvjezdani oblak “želi” kolabirati pod djelovanjem vlastite gravitacije praveći time jednu ili više zvijezda. Ali tome se suprotstavlja vrtnja oblaka, kao i djelovanja turbulentnih gibanja
plina unutar njega. Prepreka je i tlak plina o kojem ste učili na srednjoškolskim satovima kemije. I magnetna polja protive se kolabiranju. Ona se probijaju u oblak i ograničavaju kretanja svih slobodnih, pobuđenih čestica koje se tu nalaze, odupirući se sabijanju i tako djeluju protiv težnje oblaka da podlegne kliještima svoje gravitacije. Neugodan oblik ovog misaonog vježbanja proizlazi iz shvaćanja da kad netko ne bi već unaprijed znao da zvijezde postoje, u najnovijim istraživanjima našao bi obilje uvjerljivih razloga da nikad ne mogu ni nastati. Poput više stotina milijardi zvijezda u Mliječnoj stazi, nazvanoj po vrpci svjetlosti koju najgušći dijelovi galaktike iscrtavaju po našem nebu, divovski plinoviti oblaci također kruže oko galaktičkoga središta. Zvijezde su samo trunčice, promjera svega poneku svjetlosnu sekundu, koje se gibaju ogromnim oceanom gotovo praznog prostora, povremeno prolazeći jedna blizu druge poput brodova u noći. Za razliku od njih, plinoviti oblaci su ogromni. U promjeru imaju stotine svjetlosnih godina te sadrže masu od čak milijun Sunčevih masa. Kružeći galaktikom, ovi divovski plinoviti oblaci često se međusobno sudaraju, miješajući svoju unutrašnjost bogatu plinom i prašinom. Ponekad, već u ovisnosti od njihove relativne brzine i kuta pod kojim se sudaraju, oblaci se spajaju; povremeno, pak, sudari za posljedicu imaju raspadanje oblaka. Ako se oblak ohladi do odgovarajuće niske temperature (na manje od 100 stupnjeva iznad apsolutne nule), atomi iz koji se sastoji međusobno će se povezati prilikom sudara, umjesto da se odbiju jedan od drugoga kako to biva na višim temperaturama. Ovaj kemijski prijelaz ima dalekosežne posljedice. Srasle čestice – koje sadrže na desetine atoma – počinju raspršivati vidljivu svjetlost, vrlo slabeći svjetlost zvijezda iza oblaka. Kada čestice lijepljenjem jedna na drugu izrastu do veličine zrnaca prašine, u njima se nalaze milijarde atoma. Ostarjele zvijezde proizvode slična zrnca prašine i blago ih otpuhuju u međuzvjezdani prostor tijekom faze “crvenoga diva”. Za razliku od manjih čestica, zrnca prašine s milijardama atoma ne raspršuju fotone vidljive svjetlosti zvijezda iza oblaka; umjesto toga, ona apsorbiraju ove fotone, da bi zatim odaslale njihovu energiju u obliku infracrvenoga zračenja koje lako prolazi kroz oblak. Tom prilikom, tlak fotona, prenijet na molekule koje ih apsorbiraju, gura oblak u smjeru suprotnom od onoga u kojem leži izvor svjetlosti. Oblak je sada vezan za zvjezdanu svjetlost. Do rođenja zvijezde dolazi onda kada sile koje oblak čine sve gušćim konačno izazovu njegov gravitacijski kolaps tijekom kojega svaki dio
oblaka privlači k sebi sve ostale dijelove. Budući da se topao plin odupire sabijanju i kolabiranju djelotvornije od hladnog plina, suočavamo se s neobičnom situacijom. Moramo ohladiti oblak prije no što će se zagrijati proizvodeći zvijezdu. Drugim riječima, da bi nastala zvijezda u čijoj će jezgri temperatura dostići 10 milijuna stupnjeva, što je dovoljno da otpočne proces termonuklearne fuzije, oblak se prvo mora ohladiti. Samo na izuzetno niskoj temperaturi, od samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule, oblak može kolabirati i time otpočeti nastajanje zvijezde. Što se događa unutar oblaka, te on kolabira postavši novorođena zvijezda? Astrofizičari mogu samo širiti ruke. Iako bi silno željeli dokučiti dinamiku velikih, masivnih međuzvjezdanih oblaka, stvaranje računalnoga modela koji bi uzeo u obzir zakone fizike, sve vanjske i unutrašnje utjecaje na oblak i sve bitne kemijske reakcije koje se mogu odigrati u njemu i dalje nije u okvirima naših mogućnosti. Dodatna poteškoća je u otežavajućoj činjenici da je početni oblak milijardama puta veći od zvijezde koju iz njega pokušavamo napraviti – dok ona ima gustoću 100 trilijarda (1021) puta veću od prosječne gustoće oblaka. Pod takvim okolnostima, ono što je od presudnog značaja glede veličine sasvim je beznačajno glede gustoće, i obratno. No, na temelju onoga što imamo prilike vidjeti diljem svemira, sigurno je da u najdubljim, najtamnijim i najgušćim područjima međuzvjezdanog oblaka, gdje temperatura iznosi jedva 10 stupnjeva iznad apsolutne nule (10 K), gravitacija dovodi do kolabiranja džepova plina, lako savladavajući pritom otpor koji pružaju magnetno polje i drugi čimbenici što se tome protive. Sabijanje pretvara gravitacijsku energiju džepova oblaka u toplinsku. Temperatura u svakom od tih područja – koje će uskoro postati jezgra novorođene zvijezde – brzo raste tijekom kolabiranja, mrveći sva zrnca prašine koja se sudaraju. I na kraju, temperatura u središnjem dijelu kolabirajućeg džepa plina dostiže kritičnu vrijednost od oko 10 milijuna Kelvina. Na toj čarobnoj temperaturi neki protoni (a to su jednostavno ogoljene vodikove jezgre oko kojih više ne kruže elektroni) gibaju se dovoljno brzo da nadvladaju međusobno odbijanje. Ove visoke brzine omogućuju da se protoni toliko međusobno približe da ih “jaka nuklearna sila” može vezati zajedno. Ova sila, koja djeluje samo na vrlo malim udaljenostima, drži na okupu protone i neutrone u svim jezgrama. Termonuklearna fuzija protona – “termo” zato što se zbiva pri visokim temperaturama, a “nuklearna fuzija” zato što tom prilikom dolazi do
spajanja (“fuzije”) čestica u jedinstvenu jezgru – stvara jezgru helija, od kojih svaka ima masu nešto malo manju od zbroja čestica iz kojih je izgrađena. Ta masa koja nestaje tijekom fuzije pretvorila se u energiju prema slavnoj Einsteinovoj jednadžbi E = mc2. Energija utjelovljena u masi (uvijek u količini jednakoj masi pomnoženoj kvadratom brzine svjetlosti) može se pretvoriti u druge oblike energije, na primjer u dodatnu kinetičku energiju (energiju gibanja) brzih čestica koje su proizvod nuklearne fuzije. Kako se nova energija nastala pri nuklearnoj fuziji širi prema van, plin se zagrijava i sjaji. Konačno, na površini zvijezde, energija nekoć zarobljena u pojedinim jezgrama bježi u svemir u obliku fotona koje emitira plin zagrijan energijom fuzije do temperatura od više tisuća stupnjeva. Iako se ovo područje toplog plina još nalazi u svemirskoj maternici divovskoga međuzvjezdanoga oblaka, Mliječnoj stazi, već se može objaviti vijest: zvijezda je rođena... Astronomi znaju da su zvijezde raznih masa: od onih koje imaju samo jednu desetinu Sunčeve do divova koji su stotinu puta masivniji od Sunca. Zbog nama još nedovoljno jasnih razloga, u tipičnom divovskom plinovitom oblaku može nastati mnoštvo hladnih džepova koji svi kolabiraju u približno isto vrijeme, stvarajući zvijezde – neke sitne, a druge divovske. Daleko su, međutim, veći izgledi da će nastati sitne: na svaku zvijezdu velike mase rodi se po tisuću onih male mase. Činjenica da tek nekoliko postotaka ukupnoga plina u prvobitnom oblaku sudjeluje u nastajanju zvijezda također je jedna od zagonetki ovog procesa: kako to da procesom biva obuhvaćen tek manji dio, dok ostatak oblaka ostaje nepromijenjen? Uzrok tomu vjerojatno je zračenje novorođenih zvijezda koje sprečava nastajanje dodatnih novih sunaca. Lako možemo objasniti donju granicu masa zvijezda. Nakupine plina mase manje od jedne desetine Sunčeve imaju premalo gravitacijske energije da podignu temperaturu u jezgri do 10 milijuna stupnjeva koliko je nužno za nuklearnu fuziju vodika. U tom slučaju, neće nastati zvijezda na pogon nuklearnom fuzijom već nešto kao “pobačena” zvijezda koju astronomi nazivaju “smeđi patuljak”. Bez vlastitog izvora energije, smeđi patuljak postojano kopni, isijavajući ono malo topline nastale tijekom skupljanja plina. Vanjski plinoviti omotači smeđega patuljka takve su temperature da mnoge velike molekule, koje bi bile uništene u atmosferi toplijih zvijezda, ovdje opstaju, pa čak preživljavaju i duboko unutra. Zbog slabašnoga sjaja smeđe je patuljke vrlo teško otkriti; astronomi u tu svrhu
moraju primjenjivati složene metode slične onima kakve su svojedobno koristili pri otkrivanju planeta: tragaju za prigušenim infracrvenim sjajem tih objekata. Tek posljednjih godina astronomi su zabilježili dovoljan broj smeđih patuljaka da ih mogu klasificirati u više od jedne kategorije. Također, lako možemo odrediti gornju granicu mase pri stvaranju zvijezda. Zvijezda mase veće od oko stotinu Sunčevih masa imala bi tako ogroman odljev energije u obliku vidljive, infracrvene i ljubičaste svjetlosti – da bi dodatni plin i prašina, koje bi zvijezda još privukla, bili odbačeni silovitim tlakom njezine svjetlosti. Fotoni zvijezde odguruju zrnca prašine u oblaku koja sa sobom odvlače i plin. Ovaj tlak zračenja djeluje tako djelotvorno da je samo nekoliko zvijezda velike mase u tamnom oblaku dovoljno da svojim zračenjem rasprši gotovo svu međuzvjezdanu građu, podigavši time zastor s desetaka pa i stotina novostvorenih zvijezda nastalih u istom leglu, koje se tako ukazuju ostatku galaktike. Kad god pogledate Orionovu maglicu, smještenu tik ispod tri sjajne zvijezde u Orionovom pojasu, na pola puta duž lovčevoga nešto prigušenijega mača, možete vidjeti zvjezdanu obitelj upravo ove vrste. U toj maglici nastalo je na tisuće zvijezda, dok na tisuće čeka da bude rođeno; one će stvoriti divovsko zvjezdano jato koja će postajati sve vidljivije kako se maglica bude razilazila. Najmasivnije zvijezde koje stvaraju skupinu nazvanu Orionov Trapez brzo stvaraju veliki procijep po sredini oblaka iz kojeg su nastale. Na snimkama ovog područja načinjenih teleskopom Hubble ukazuju se na stotine novih zvijezda koje su još opasane protoplanetnim diskom od prašine i drugih molekula uzetih iz prvobitnog oblaka. U svakom od tih diskova upravo se rađaju planetni sustavi. Deset milijarda godina nakon što je nastala, rađanje zvijezda i dalje se odigrava na mnoštvu mjesta u našoj Galaktici. Iako se u tipičnoj divovskoj galaktici poput naše već poprilično završilo stvaranje zvijezda, imamo sreću da se kod nas nove zvijezde i dalje rađaju i da će tako biti još mnogo milijarda godina. Dodatna sretna okolnost je to da smo u stanju proučavati kako sâm proces nastanka tako i najmlađe zvijezde, što nam pruža priliku saznati, u svoj njezinoj veličanstvenosti, cijelu priču o tome kako se iz hladnog plina zvijezde rascvjetavaju do punog sjaja svoje zrelosti. Koliko su zvijezde stare? Ni jednoj zvijezdi ne piše na čelu koliko ima godina, ali neke to otkrivaju u spektru. Među različitim načinima koje
su astrofizičari smislili da bi procijenili starost zvijezda, proučavanje njihovog spektra pruža mogućnosti za najsigurniju analizu. Svaka boja – svaka valna dužina svjetlosti koju promatramo – sadrži priču o tome kako je materija proizvela zvijezdinu svjetlost ili kako je utjecala na nju dok je ova napuštala zvijezdu odnosno putovala do nas. Pažljivim uspoređivanjem sa spektrima dobivenim u laboratoriju, fizičari su ustanovili mnoštvo načina na koje razni atomi i molekule djeluju na dugu boja vidljive svjetlosti. Ova dragocjena znanja zatim se primjenjuju prilikom proučavanja spektara zvijezda te se na temelju toga izvode zaključci o broju atoma i molekula koji su utjecali na svjetlost promatrane zvijezde, kao i o temperaturi, tlaku i gustoći tih čestica. Na temelju dugogodišnjeg uspoređivanja laboratorijskih spektara sa spektrima zvijezda, kao i laboratorijskog proučavanja spektara različitih atoma i molekula, astronomi su naučili čitati spektar nekog nebeskog tijela kao kakav svemirski otisak prsta koji im otkriva kakvi fizički uvjeti vladaju u vanjskim omotačima zvijezde, području iz kojeg svjetlost odlazi ravno u svemir. Osim toga, astrofizičari znaju otkriti kako atomi i molekule koji lebde u međuzvjezdanom prostoru na znatno nižim temperaturama mogu utjecati na spektar proučavane svjetlosti zvijezda, što im otkriva kemijski sastav, temperaturu, gustoću i tlak ove međuzvjezdane tvari. U toj analizi spektra svaka vrsta atoma i molekula priča svoju posebnu priču. Postojanje molekula bilo koje vrste, na primjer, otkrivenih po karakterističnom utjecaju na određene boje u spektru, dokazuje da temperatura u vanjskim omotačima zvijezde mora biti niža od 3000 0C. Pri višim temperaturama molekule se toliko brzo kreću da se u sudarima raspadaju na pojedinačne atome. Proširivši ovu analizu na mnoštvo različitih tvari, astrofizičari mogu dobiti gotovo potpunu sliku o tome kakvi uvjeti vladaju u atmosferama zvijezda. Za neke osobito marljive astrofizičare priča se da znaju mnogo više o spektrima zvijezda nego o prilikama u vlastitim obiteljima. Ovo može prilično ugroziti međuljudske odnose, iako pridonosi našem razumijevanju svemira. Od svih elemenata u prirodi – od svih atoma koji stvaraju otiske u spektrima zvijezda – astrofizičarima je pri određivanju starosti najmlađih zvijezda od posebne koristi jedan od njih. Taj element je litij, treći po redu najjednostavnijih i najlakših u periodnom sustavu i poznat nekim stanovnicima Zemlje kao aktivan sastojak nekih lijekova protiv potištenosti. U periodnom sustavu elemenata litij zauzima mjesto odmah poslije vodika i helija koji su, zaslužno, znatno poznatiji zato što ih ima
daleko više u svemiru. Tijekom prvih nekoliko minuta svemir je spajao vodikove jezgre (protone) u helijeve jezgre u velikom broju, no izgradio je samo razmjerno male količine težih jezgri. Kao rezultat toga, litij je ostao prilično rijedak element koji je među astrofizičarima na cijeni zahvaljujući svemirskoj činjenici da zvijezde gotovo više ne stvaraju novi litij već samo uništavaju postojeći. Litij ide ovim putem bez povratka zato što su reakcije nuklearne fuzije u svakoj zvijezdi djelotvornije u razgrađivanju nego u izgradnji litija. Kao rezultat toga, svemirske zalihe litija neprekidno se smanjuju. Ako vam je on zbog nečega potreban, sada je pravi trenutak da ga nabavite, jer ne znamo koliko će ga još milijarda godina biti. Ova jednostavna činjenica o litiju za astrofizičare je vrlo koristan alat pri mjerenju starosti zvijezda. Sve zvijezde započinju svoj život s izvjesnom količinom litija preostaloga iz nuklearne fuzije u onih prvih pola sata svemira – odnosno, tijekom samo Velikoga praska. Koliki je točno taj udjel, ta količina iskonskog litija u njima? Pa evo: Jedna jezgra litija na svakih sto milijarda drugih jezgri. Nakon što novorođena zvijezda otpočne život uz ovo “obilje” litija, stvari kreću nizbrdo za ovaj element, budući da se pri nuklearnim reakcijama u središtu zvijezde polako ali sigurno troše litijeve jezgre. Postojano, premda sporo, miješanje materije u jezgri s materijom izvan nje dovodi do odlijevanja materijala, tako da se nakon puno tisuća godina u vanjskim omotačima zvijezde nađe ono što je ranije bilo unutra. Prilikom potrage za najmlađim zvijezdama astrofizičari se, dakle, drže jednostavnog pravila: naći zvijezde s najvećom zastupljenošću litija. Odnos broja litijevih jezgri u svakoj zvijezdi prema broju, recimo, vodikovih jezgri (ustanovljenom pažljivim proučavanjem spektra zvijezde) odredit će njen položaj na grafikonu koji prikazuje starost zvijezde kao funkciju litija u vanjskim omotačima. Ovom metodom astrofizičari mogu, zahvaljujući litiju, sa sigurnošću odrediti starost najmlađih zvijezda u jatu. Kako zvijezde djelotvorno uništavaju litij, u starijim zvijezdama ovog elementa ima posve malo ili nimalo. Metoda je zato uspješna jedino kod zvijezda koje su mlađe od nekoliko stotina milijuna godina. Ali kod tih mladih zvijezda procjenjivanje starosti prema količini litija vrlo je precizno. Nedavnim proučavanjem oko dvadeset pet mladih zvijezda u Orionovoj maglici, koje sve imaju masu sličnu Sunčevoj, ustanovilo se da im se starost kreće u rasponu od jedne do deset milijuna godina. Jednoga dana astrofizičari će moći identificirati još mlađe zvijezde, ali u ovom trenutku milijun godina je donja granica.
*** Osim što raspršuju plinovitu čahuru iz koje su se izlegle, skupine novorođenih zvijezda dugo nemaju nikakav drugi utjecaj, neuočljivo fuzionirajući vodik u helij u središtima i uništavajući litijeve jezgre kao dio reakcija fuzije. Ali ništa ne traje vječno. Poslije mnogo milijuna godina, reagirajući na neprekidne gravitacijske poremećaje ogromnih oblaka što prolaze u blizini, većina potencijalnih zvjezdanih jata se “izgubi”, tako da se zvijezde iz njih rasprše među ostale zvijezde u galaktici. Danas, oko pet milijarda godina nakon nastanka naše matične zvijezde Sunca, nepoznata je sudbina zvijezda koje su rođene zajedno s njim. Nije izvjesno ni jesu li još sve žive. Od svih zvijezda u Mliječnoj stazi i drugim galaktikama, one s malom masom tako sporo troše svoje gorivo da praktično ostaju vječno u životu. Zvijezde srednje mase, među koje spada i naše Sunce, na kraju se pretvaraju u crvene divove, pri čemu im se vanjski plinoviti omotači šire do veličine koje stostruko nadmašuju prvobitne. Ti vanjski omotači sve su labavije vezani za zvijezdu, tako da konačno odlaze u svemir, ogoljujući jezgru izgrađenu od istrošenog nuklearnog goriva koje je napajalo zvijezdu prethodnih deset milijardi godina. Plin koji se vraća u svemir pokupit će oblaci koji prolaze da bi poslužio kao građa za novu generaciju zvijezda. Iako su rijetke, zvijezde velike mase drže gotovo sve evolucijske adute. Ogromna masa osigurava im najjači sjaj – neke i milijun puta nadmašuju Sunce – a budući da troše nuklearno gorivo znatno brže od zvijezda malene mase, one su najkratkovječnije od svih zvijezda: žive samo nekoliko milijuna godina, a možda i manje. Neprekidna termonuklearna fuzija omogućava zvijezdama velike mase da u jezgrama proizvode na desetine elemenata. Polazeći od vodika, one proizvode helij, ugljik, dušik, kisik, neon, magnezij, silicij, kalcij i tako dalje, sve do željeza. U završnim vatrama, čiji sjaj može nakratko zasjeniti cijelu matičnu galaktiku, ove zvijezde kuju i druge elemente. Astronomi te bljeskove nazivaju supernove, slične po izgledu (premda potpuno drukčije po nastanku) od supernova tipa Ia o kojima je bilo riječi u petom poglavlju. Eksplozivna energija supernove rasipa po galaktici ranije stvorene i upravo skovane elemente, praveći prodore u okolnim plinovitim oblacima i obogaćujući ih sirovinama za stvaranje novih zrnaca prašine. Eksplozija se širi velikom brzinom kroz međuzvjezdane oblake, potiskujući plin i
prašinu u njima, a vjerojatno i stvarajući zgusnute džepove neophodne za nastanak novih zvijezda. Najznačajniji dar koji ove supernove daju svemiru su elementi, osim vodika, koji grade planete, jednostanične organizme i ljude. Mi na Zemlji živimo od onoga što su proizvele bezbrojne zvijezde koje su eksplodirale prije više milijarda godina, u razdoblju burne povijesti Mliječne staze, znatno prije no što su se Sunce i njegovi planeti kondenzirali u tamnim i prašnjavim dubinama nekog međuzvjezdanog oblaka, obogaćenog brojnim elementima proizašlim iz prijašnjih generacija masivnih zvijezda. Kako smo došli do tog dragocjenog znanja da su svi elementi složeniji od helija iskovani u zvijezdama? Najpodcjenjenije znanstveno otkriće dvadesetoga stoljeća je shvaćanje da su supernove – eksplozivne smrti vrlo masivnih zvijezda – osnovni izvor nastanka i obilja teških elemenata u svemiru. Ovo uglavnom zanemareno otkriće pojavilo se u jednom opsežnom istraživačkom radu objavljenom 1957. u američkom časopisu Reviews of Modern Physics pod naslovom “Sinteza elemenata u zvijezdama”. Četvorka, E. Margaret Burbidge, Geoffrey R. Burbidge, William Fowler i Fred Hoyle predstavili su teorijski i računski model koji je na nov način protumačio i objedinio četrdeset godina istraživanja mnogih znanstvenika o dva ključna problema: izvor energije zvijezda i pretvaranje kemijskih elemenata. Svemirska nuklearna kemija, nastojanje da se razumije kako nuklearna fuzija stvara i razara različite tipove jezgri, nikada nije bila dobro sređena. Ostajala su otvorena mnoga ključna pitanja. Kako se elementi ponašaju kada na njih djeluju različite temperature i tlakovi? Spajaju li se elementi ili razdvajaju? Koliko lako to čine? Oslobađa li se pri tim procesima nova kinetička energija ili se upija postojeća? I kako se procesi razlikuju za svaki element u periodnom sustavu? Što za vas znači periodni sustav elemenata? Ako spadate u većinu onih koji su o tome učili u školi, sjetit ćete se velikog postera na zidu učionice punog tajanstvenih kvadrata u kojima su zagonetna slova i simboli dočaravali prašnjave laboratorije, nimalo privlačne osobama u nježnim godinama. Ali oni koji se razumiju u tajne ovih kvadrata čuju iz njih stotinu priča o svemirskoj silovitosti koja je iznjedrila ono što se u njima nalazi. Periodni sustav sadrži sve poznate elemente u svemiru, razvrstane prema sve većem broju protona u jezgru. Dva najlakša elementa su vodik, s jednim protonom u jezgri, i helij, s dva protona. Kao što je
četvoro autora objasnilo u svom radu iz 1957., uz prikladnu temperaturu, gustoću i tlak jedna zvijezda može pretvoriti vodik i helij u sve druge elemente periodnoga sustava. Pojedinosti ovog procesa stvaranja, kao i drugih međudjelovanja pri kojima se jezgra uništavaju, a ne stvaraju, predmet su proučavanja nuklearne kemije koja se oslanja na proračune i pojmove poput “udarni presjeci” da bi se odredilo koliko se jedna čestica mora približiti drugoj da bi stupile u međudjelovanje. Fizičari lako mogu izračunati udarni presjek kod miješalica za cement ili pri premještanju cijelih kuća na teškim kamionima, ali suočavaju se s većim izazovima ako žele podvrgnuti analizi ponašanje malih, nepostojanih subatomskih čestica. Detaljno razumijevanje udarnih presjeka omogućuje fizičarima da predvide učestalosti i nuklearnih reakcija i gibanja čestica nastalih u njima. Često sasvim mala nepreciznost u proračunima dovodi do vrlo pogrešnih zaključaka. Poteškoće na koje oni nailaze sliče na ono što bi vam se dogodilo kada biste se pokušali snaći u podzemnoj željeznici nekog grada pomoću karte metroa nekog drugog grada: osnovna teorija bila bi vam točna, ali ipak bi sve pošlo naopako. Iako nisu znali točne udarne presjeke, znanstvenici prve polovine 20. stoljeća dugo su pretpostavljali da ako se egzotični nuklearni procesi odvijaju negdje u svemiru, onda je najvjerojatnije da će to biti u središtima zvijezda. Godine 1920. britanski teorijski astrofizičar sir Arthur Eddington objavio je rad pod naslovom “Unutrašnji sastav zvijezda” u kojem je tvrdio da laboratorij Cavendish u Engleskoj, tada središte istraživanja na području atomske i nuklearne fizike, možda nije jedino mjesto u svemiru u kojem je moguće pretvarati elemente jedne u druge. Ali može li se prihvatiti da se ovakva pretvaranja odigravaju? Teško je biti siguran, ali još je možda teže to poreći ... a ono što je moguće u laboratoriju Cavendish ne bi trebalo biti nemoguće u Suncu. Smatram da je osnovano pretpostaviti da su zvijezde peći u kojima se lakši atomi, kojih ima u izobilju u maglicama, pretapaju u složenije elemente. Eddingtonov rad, koji je nagovijestio detaljno istraživanje dvoje Burbidge, Fowlera i Hoylea, pojavio se više godina prije utemeljenja kvantne mehanike, bez koje bi naše razumijevanje fizike atoma i jezgri bilo najblaže rečeno oskudno. Vođen izuzetnom intuicijom, Eddington je bez
kvantne mehanike počeo oblikovati scenarij stvaranja energije u zvijezdama putem nuklearne fuzije vodika u helij i teže elemente: Ne trebamo se ograničiti na to da je stvaranje helija iz vodika jedina reakcija koja opskrbljuje energijom [zvijezdu], premda izgleda da se pri sljedećim koracima u stvaranju elemenata oslobađa znatno manje energije, pa se ona ponekad čak i upija. Stvar bi se možda ovako mogla rezimirati: atomi svih elemenata stvaraju se vezanjem vodikovih atoma, odnosno u nekom su trenutku nastali iz vodika; unutrašnjost zvijezde čini se da je najvjerojatnije mjesto na kojem se ova evolucija odigravala. Svaki model pretvaranja elemenata treba objasniti njihovu uočenu mješavinu kako na Zemlji tako i u svemiru. Fizičari su zato morali ustanoviti prirodu temeljnoga procesa kojim zvijezde proizvode energiju pretvaranjem elemenata jednih u druge. Godine 1931, u vrijeme kada je kvantna mehanika već bila utemeljena (premda još nije bio otkriven neutron), britanski astrofizičar Robert d’Escuort Atkinson objavio je opsežan rad koji je sažeto predstavljen kao “...pregledna teorija zvjezdane energije i nastanka elemenata... u kojoj se u unutrašnjosti zvijezda kemijski elementi grade korak po korak iz jednostavnijih prema sve složenijima uzastopnim dodavanjem protona i elektrona jednog po jednog”. Iste godine američki nuklearni kemičar William D. Harkins primijetio je u jednom radu da su “elementi s niskom atomskom težinom [broj protona i neutrona u jezgri atoma] obilnije zastupljeni od elemenata s višom atomskom težinom, kao i da je, u prosjeku, elemenata s parnim atomskim brojem [broj protona u jezgri atoma] oko deset puta više nego onih s neparnim atomskim brojem slične vrijednosti”. Harkins je pretpostavio da razmjerna zastupljenost elemenata ovisi prije o nuklearnoj fuziji nego o kemijskim procesima kao što je izgaranje, kao i da su teški elementi morali nastati sintezom lakih. Razumijevanje mehanizma nuklearne fuzije u zvijezdama konačno je pružilo objašnjenje postojanja mnogih elemenata u svemiru, naročito onih koji se dobivaju dodavanjem helijeve jezgre, od dva protona i dva neutrona, ranijem jednostavnijem elementu. To su ti relativno obilnije zastupljeni elementi “s parnim atomskim brojem” koje je Harkins imao u vidu. Ali postojanje i razmjeran broj mnogih drugih elemenata ostali su nerazjašnjeni. U svemiru je vjerojatno djelovao još neki način izgradnje
elemenata. Neutron, koji je 1932. otkrio britanski fizičar James Chadwick u laboratoriju Cavendish, igra značajnu ulogu u nuklearnoj fuziji o kojoj Eddington ništa nije mogao slutiti. Protoni se, kao sve čestice istoga naboja, međusobno odbijaju pa je potrebno je mnogo energije da bi se povezali. Da biste spojili protone, morate ih dovesti dovoljno blizu jedne drugima (uglavnom visokim temperaturama, tlakom i gustoćom) kako bi se nadvladalo njihovo međusobno odbijanje i omogućilo da ih jaka nuklearna sila zatim zadrži na okupu. Neutroni, međutim, nemaju naboj pa ne odbijaju druge čestice, te tako jednostavno mogu ući u neku jezgru i pridružiti se tu okupljenim česticama, pri čemu će ih zadržati ista sila koja okuplja i protone. Pridruženjem neutrona ne stvara se novi element, koji je određen samo brojem protona u jezgri. Pridruženjem neutrona stvara se “izotop” jezgre prvobitnog elementa, koji izotop se samo u nekim pojedinostima razlikuje od prvotne jezgre, budući da njegov ukupni naboj ostaje nepromijenjen. No kod nekih elemenata, ovaj naknadno uhvaćen neutron je nestabilan kad jednom uđe u jezgru. U tom slučaju, spontano se pretvara u proton (koji ostaje stabilan u jezgri) i elektron (koji odmah napušta atom). Na ovaj način, poput grčkih vojnika koji su ušli unutar zidova Troje skriveni u drvenom konju, proton se može prošvercati u jezgru prerušen u neutron. Ako priljev neutrona ostaje postojan, svaka jezgra može upijati mnogo neutrona prije no što se prvi od njih pretopi u proton. Ovi brzo apsorbirani neutroni pomažu da se stvori zajednica elemenata koji su glede porijekla označeni kao elementi nastali “procesom brzog hvatanja neutrona” i koji se razlikuju od elemenata koji nastaju pri sporom hvatanju neutrona, kada se svaki sljedeći neutron rastavi na proton i elektron prije nego li se jezgra domogne sljedećeg. Ova dva procesa, brzo i sporo hvatanje neutrona, omogućuju stvaranje mnogih elemenata koji inače ne nastaju tradicionalnom termonuklearnom fuzijom. Preostali elementi u prirodi mogu se stvoriti nekim drugim procesima, kao što je bombardiranje jezgri teških atoma visokoenergetskim fotonima (gama zračenje), koje se jezgre onda raspadaju na manje. Uz rizik da previše pojednostavimo životni ciklus jedne vrlo masivne zvijezde, možemo reći da ona opstaje zahvaljujući tome što stvara i oslobađa energiju u svojoj unutrašnjosti koja joj omogućava da se
suprotstavi gravitaciji. Bez proizvodnje energije termonuklearnom fuzijom, svaka zvjezdana plinovita lopta jednostavno bi se urušila pod vlastitom ogromnom težinom. Ova sudbina čeka zvijezde koje su utrošile zalihe vodikovih jezgri (protone) u središtu. Kao što je već primijećeno, nakon pretvorbe vodika u helij, u jezgri masivne zvijezde zatim će započeti stapanje helija u ugljik, pa ugljika u kisik, pa kisika u neon, i tako dalje sve do željeza. Za uspješnu fuziju u ovom nizu sve težih elemenata potrebne su sve više temperature, jer se mora nadvladati međusobno odbijanje jezgri. Srećom, ovo se odigrava samo od sebe, jer na kraju svake faze, kada izvor energije zvijezde privremeno presahne, unutrašnja područja se uruše, temperatura se podigne i otpočinje novi ciklus fuzije. Kako, međutim, ništa ne traje vječno, zvijezda se konačno suočava s ogromnim problemom: pri fuziji jezgara željeza više ne oslobađa energiju već se apsorbira. Ovo je nepovoljna okolnost za zvijezdu koja više nije u stanju suprotstaviti se gravitaciji time što će iz fuzijskog šešira izvući neki novi proces kojim se oslobađa energija. Tog trenutka zvijezda se odjednom uruši, izazvavši toliko brzo podizanje unutrašnje temperature da slijedi divovska eksplozija pri kojoj zvijezda razbacuje na sve strane svoju nutrinu. Pri svakoj ovakvoj eksploziji obilje neutrona, protona i energije omogućava supernovi da stvori elemente na mnoštvo različitih načina. U radu iz 1957. Burbidgeovi, Fowler i Hoyle povezali su (1) dobro provjerene tekovine kvantne mehanike; (2) fiziku eksplozija; (3) najnovije izračune udarnih presjeka; (4) razne procese pretvorbi elemenata jednih u druge; i (5) osnove teorije razvoja zvijezda – da bi sa sigurnošću ustanovili da su supernove glavni izvor svih elemenata u svemiru težih od vodika i helija. S masivnim zvijezdama kao izvorom teških elemenata i eksplozijama supernova kao njihovim silovitim distributerom, znamenita četvorka dobila je besplatno rješenje još jednog problema: kada iskujete elemente teže od vodika i helija u jezgrama zvijezda, od toga ostatak svemira nema koristi sve dok te elemente ne raspršite po međuzvjezdanom prostoru, te tako oni postanu raspoloživi za stvaranje svjetova na kojima žive mudraci. Burbidgeovi, Fowler i Hoyle objedinili su naše razumijevanje nuklearne fuzije u zvijezdama s proizvodnjom elemenata vidljivih diljem svemira. Njihovi zaključci prebrodili su analize skeptika kojima su desetljećima podvrgavani, te se tako njihov rad danas smatra prekretnicom u razumijevanju načina na koji se svemir ponaša. Da, Zemlja i sve na njoj građeno je od zvjezdane prašine. Ali ne, još
nismo riješili sve naše svemirske kemijske nedoumice. Jedna neobična tajna koja zadaje glavobolju suvremenim stručnjacima odnosi se na element tehnecij – prvi koji je, 1937. godine, umjetno stvoren u laboratoriju na Zemlji. (Riječ “tehnecij”, kao i druge riječi koje koriste prefiks “teh”, potječe od starogrčkog technetos što znači “umjetno”.) Tek trebamo pronaći tehnecij na Zemlji, ali astronomi su ga zabilježili u atmosferama malog broja zvijezda crvenih divova u našoj Galaktici. Ovo ne bi bilo iznenađujuće da se tehnecij ne raspada stvarajući druge elemente, pri čemu poluvrijeme raspadanja iznosi samo dva milijuna godina, što je znatno kraće od životnog vijeka zvijezda kod kojih je otkriven. Ova neobičnost dovela je do više egzotičnih teorija oko kojih još nije postignuta suglasnost među astrofizičarima. Iako su crveni divovi s ovim neobičnim kemijskim svojstvom rijetki, ipak ih je bilo dovoljno da nadahnu udruživanje određenoga broja astrofizičara (poglavito spektroskopičara) koji su se specijalizirali za taj predmet te izdaju Newsletter of Chemically Peculiar Red Giant Stars. (Bilten kemijski neobičnih zvijezda crvenih divova). Ovo glasilo, koje ne možete naći na kiosku, sadrži vijesti sa skupova i izvještaje o istraživanjima koja su u tijeku. Zainteresiranim znanstvenicima ove neriješene kemijske tajne djeluju ništa manje privlačno od nedoumica oko crnih jama, kvazara i ranog svemira. Ali o tome se rijetko gdje može nešto pročitati. Zašto? Zato što se u suvremenim medijima dobro zna što zavređuje pažnju, a što ne. Kako izgleda, procijenjeno je da vijesti o kozmičkom porijeklu svakog elementa u vašem tijelu i vašem planetu baš nikoga ne zanimaju. Evo prilike da ispravimo ovu nepravdu kojoj nas je izložilo suvremeno društvo. Otisnimo se na putovanje kroz periodni sustav na kojem ćemo se tu i tamo zaustavljati kako bismo razmotrili najzanimljivije činjenice o pojedinim elementima i kako bismo se divili načinu na koji ih je svemir sagradio iz vodika i helija nastalih pri Velikom prasku.
10. ZOOLOŠKI VRT ELEMENATA Periodni sustav elemenata, koji su s ljubavlju slagali kemičari i fizičari tijekom posljednja dva stoljeća, temelji se na organizacijskim načelima koja tumače kemijsko ponašanje svih elemenata za koje znamo u svemiru ili bismo ih jednog dana mogli pronaći. Zato na periodni sustav treba gledati kao na kulturnu ikonu, uzor sposobnosti našeg društva da organizira znanje. Sustav je svjedočanstvo poduzetnosti znanosti kao međunarodnog pothvata koji se obavlja ne samo u laboratorijima nego i u akceleratorima, odnosno na granicama prostora i vremena cijelog svemira. U uređenom svijetu periodnog sustava, tu i tamo ipak se pojavljuju stavke koje čak i iskusnim kemičarima djeluju kao neobične zvijeri u zoološkom vrtu punom životinja koje postoje samo u jednom primjerku i koje je zamislio i napravio neki ludi znanstvenik. Kako bi inače bilo moguće da kada spojite natrij, poguban, reaktivan metal koji se može rezati kao maslac, i čisti klor, također smrtonosan plin odvratnog mirisa, dobivate natrij klorid, bezazleni spoj od bitne važnosti za život, poznatiji kao kuhinjska sol. Što je s vodikom i kisikom, dvama najrasprostranjenijim elementima na Zemlji i u svemiru? Jedan je eksplozivni plin, dok drugi potpomaže žestoko izgaranje; kada ih, međutim, povežete, dobivate tekuću vodu kojom se, uz ostalo, gasi vatra. U kemijskoj ponudi u maloj trgovini mogućnosti periodnog sustava nalazimo elemente od ključnog značaja za svemir. To nam pruža priliku da na sustav gledamo očima astrofizičara. Iskoristit ćemo to i otisnuti se na krstarenje sustavom, odajući počast najuvaženijim članovima i diveći se raznim neobičnostima. Periodni sustav naglašava činjenicu da se svaki element u prirodi razlikuje od svih ostalih po svom “atomskom broju”, broju protona (pozitivno nabijenih čestica) u jezgri danog elementa. Cijeli, neionizirani, atomi, uvijek imaju broj elektrona (negativno nabijenih čestica) koji kruže oko jezgri jednak atomskom broju elementa, te je tako ukupni naboj atoma nula. Razni izotopi nekog elementa sadrže isti broj protona i elektrona, ali različit broj neutrona.
Vodik, sa samo jednim protonom u jezgri, najlakši je i najjednostavniji element koji je sav nastao u prvih nekoliko minuta nakon Velikoga praska. Od devedeset četiri elementa koji se javljaju u prirodi, na vodik otpada dvije trećine svih atoma u ljudskim tijelima i više od 90 posto svih atoma u svemiru, pa tako i u Suncu i njegovim divovskim planetima. Vodik u jezgri najmasivnijeg člana Sunčeve obitelji, Jupitera, izložen je tako silovitom tlaku gornjih slojeva da se više ponaša kao elektromagnetno vodljiv metal nego kao plin, te tako pridonosi stvaranju najjačeg magnetnog polja među svim planetima naše zvijezde. Engleski kemičar Henry Cavendish otkrio je vodik 1766. godine eksperimentirajući s H2O (naziv vodik, odnosno hidro-gen, ima starogrčki korijen značenja “što stvara vodu”), premda je ostao na glasu među astronomima kao prvi znanstvenik koji je izračunao masu Zemlje tako što je točno izmjerio gravitacijsku konstantu G koja se javlja u Newtonovoj jednadžbi za gravitaciju. Svake sekunde dananoćno četiri i po milijarde tona vodikovih jezgri (protona) međusobno se sudaraju pri velikim brzinama, stvarajući helijeve jezgre u središtu Sunca temperature 15 milijuna stupnjeva Celzija. Oko jedan promil mase obuhvaćene fuzijom pretvara se u energiju, a preostalih 99 posto ostaje u obliku helija. Helij, drugi najzastupljeniji element u svemiru, može se naći na Zemlji samo u malom broju podzemnih džepova gdje se ovaj plin našao zarobljen. Većina ljudi upoznala je helij jedino s njegove ćudljive strane, a on se inače može kupiti u trgovini za razne eksperimentalne svrhe. Kada udahnete helij, njegova niska gustoća u usporedbi s atmosferskim plinovima povećava frekvenciju vibriranja vaših glasnica pa vam glas sliči na glas Miki Mausa. Svemir sadrži četiri puta više helija nego svih ostalih elemenata zajedno (ne računajući vodik). Jedan od temelja kozmologije Velikoga praska je predviđanje da od svih atoma u svemiru najmanje 8 posto otpada na helij nastao u dobro promiješanoj praiskonskoj plamenoj lopti neposredno poslije porođajnih muka. Kako termonuklearna fuzija u zvijezdama stvara dodatni helij, u nekim područjima svemira može se naći više od početnih osam posto, ali još nije pronađeno područje, kako u našoj Galaktici tako i u bilo kojoj drugoj, u kojoj bi ga bilo manje. Tridesetak godina prije no što je helij otkriven i izoliran na Zemlji, astrofizičari su ga zabilježili na Suncu po karakterističnom tragu u spektru naše zvijezde prilikom potpune pomrčine 1868. godine. Bilo je prirodno da taj prethodno nepoznati materijal dobije naziv helij po Heliosu, starogrčkom bogu Sunca. S 92 posto uzgona vodika istoga volumena, ali
bez lake zapaljivosti ovog elementa koja je uništila njemački dirižabl Hindenburg, helij je idealan plin za podizanje balona. Litij, treći najjednostavniji element u svemiru, ima tri protona u jezgri. Poput vodika i helija, i litij je također nastao ubrzo nakon Velikoga praska, ali za razliku od helija, koji se još dodatno stvarao u kasnijim nuklearnim reakcijama, litij je uništavan pri svakoj nuklearnoj reakciji koja se odigravala u zvijezdama. Zato ne očekujmo u svemiru neki objekt ili neko područje gdje bi zastupljenost litija bila veća od 0,0001 posto, koliko ga je proizvedeno u ranom svemiru. U skladu s predviđanjima našeg modela nastanka elemenata tijekom prvih pola sata, nitko još nije u nekoj galaktici zabilježio litij u količini koja bi nadmašivala ovu graničnu vrijednost. Gornja granica zastupljenosti helija i donja granica litija vrlo su jaka dvostruka provjera valjanosti kozmološke teorije Velikoga praska. Slična provjera ovog modela, koja je također s uspjehom položena, je zastupljenost jezgri deuterija, od kojih svaka ima po jedan proton i neutron, u usporedbi s običnim vodikom. Fuzija koja se odigravala u prvim minutama proizvela je obje ove jezgre, ali daleko više običnoga vodika (samo jedan proton). Kao i litij, sljedeća dva elementa u periodnom sustavu, berilij i bor (s četiri, odnosno pet protona u jezgri) poglavito su nastala termonuklearnom fuzijom u ranom svemiru i također se javljaju u razmjerno skromnim količinama u prirodi. Slaba zastupljenost tri najlakša elementa poslije vodika i helija na Zemlji loša je vijest za one u čiji bi želudac zabunom došli, budući da evolucija nije imala puno prilike sresti se s njima. Zanimljivo je, međutim, da u umjerenim dozama litij olakšava neke mentalne tegobe. S ugljikom, elementom broj šest, periodni sustav kao da se veličanstveno rascvjetava. Ugljikovi atomi, sa šest protona u jezgri, grade veći broj molekula nego što ukupno ima onih koji ne sadrže ugljik. Velika zastupljenost ugljikovih jezgri u svemiru – a nastaju u središtima zvijezda, probijaju se do njihove površine i u velikim količinama odlaze u galaktički prostor – udružena s činjenicom da ovaj element lako pravi kemijske veze, učinila ga je najpogodnijim temeljem kemije i uopće raznovrsnosti života. Samo malo zaostajući za ugljikom glede zastupljenosti, kisik (s osam protona u jezgri) također je vrlo reaktivan i rasprostranjen element. On isto tako nastaje u starim zvijezdama koje ga oslobađaju kada eksplodiraju kao supernove. Kisik i ugljik glavni su sastojci života kakav je nama poznat. Isti procesi nastali su i raspršili dušik, element broj sedam, koji se također
nalazi u svemiru u velikim količinama. Ali što je sa životom kakav nam nije poznat. Bi li drugi oblici života mogli koristiti neke druge elemente kao temelje svoje složenosti? Bi li se, na primjer, život mogao temeljiti na siliciju, elementu broj 14? Silicij je odmah ispod ugljika u periodnom sustavu, što znači (evo primjera kako ovaj sustav može biti od koristi onima koji se snalaze u njemu) da može graditi iste vrste kemijskih veza kao i ugljik, odnosno pojaviti se na mjestu ugljika. No, na kraju se ugljik ipak pokazuje nadmoćniji nad silicijem ne samo zato što ga ima desetostruko više u svemiru nego i zato što su kemijske veze silicija ili znatno snažnije ili znatno slabije od ugljikovih, kako gdje. Snažne kemijske veze između silicija i kisika, na primjer, daju stijenama čvrstoću, dok složenim molekulama građenima na siliciju nedostaje postojanost da izdrže ekološke stresove poput onih kojima odolijevaju ugljikove molekule. Ove činjenice, međutim, ne sprečavaju mnogo pisce znanstvene fantastike u predlaganju životorodne uloge siliciju, što daje poticaja egzobiološkim špekulacijama i navodi nas da budemo u dvojbi glede toga kakvi bi mogli doista biti izvanzemaljski oblici života. Osim što je aktivan sastojak kuhinjske soli, natrij (11 protona u jezgri) sjaji diljem Zemlje, budući se u obliku zagrijanoga plina koristi u mnogim uličnim svjetiljkama. Natrijeve svjetiljke svijetle svjetlije i duže i koriste manje energije od konvencionalnih žarulja. Ima ih dvojakih: svjetiljke pod visokim tlakom žuto-bijelog sjaja i, rjeđe, svjetiljke pod niskim tlakom koje sjaje narančasto. Pokazalo se da iako gradske rasvjete ometaju astronomska promatranja, natrijeve svjetiljke pod niskim tlakom ne prave veliku smetnju zato što se njihov sjaj, vrlo uskog spektra boje, lako može ukloniti iz teleskopskih podataka. U okviru suradnje gradskih vlasti i astronomskoga opservatorija, u Tucsonu, mjestu u Arizoni najbližem Nacionalnom opservatoriju Kitt Peak, uvedena je ulična rasvjeta isključivo s natrijevim svjetiljkama pod niskim tlakom – što je, osim ostalog, gradskoj kasi donijelo priličnu uštedu. Na aluminij (13 protona u jezgri) otpada gotovo deset posto Zemljine kore, ali on ne samo da je bio nepoznat u prošlosti nego se za njega nije znalo ni u vrijeme naših djedova budući da se taj metal vrlo djelotvorno povezuje s drugim elementima. Izdvojen je prepoznat tek 1827., dok je u kućnu upotrebu uveden tek šezdesetih godina dvadesetoga stoljeća kada su kositrene konzerve i folije ustupile mjesto aluminijskima. Kako uglačani aluminij gotovo savršeno odražava Sunčevu svjetlost,
suvremeni astronomi stavljaju tanak sloj atoma aluminija preko gotovo svih teleskopskih zrcala. Iako je gustoća titanija (22 protona u jezgri) 70 posto veća od aluminijeve, on je dvostruko čvršći. Čvrstoća i relativno mala specifična težina čine titanij – deveti najzastupljeniji element u Zemljinoj kori – vrlo korisnim za mnoge namjene, kao što je, recimo, vojno zrakoplovstvo kojem su vrlo potrebni laki, a čvrsti metali. Na mnogim mjestima u svemiru kisika ima više nego ugljika. U gornjim hladnim slojevima nekih zvijezdama, ugljik se veže s atomima kisika, tvoreći molekule ugljičnog monoksida ili ugljičnog dioksida, a neki atomi kisika spajaju se s drugim elementima, kao što je titanij. Spektri svjetlosti crvenih divova sadrže “potpise” titanij oksida (TiO), koji je drag i zemaljskim (filmskim) zvijezdama: safiri i rubini koje one nose duguju svoje svjetlucanje titanij oksidu koji narušava savršeni sklad kristalnih rešetki, pri čemu aluminij oksid stvara dodatnu boju. Osim toga, bijela boja kojom su premazane teleskopske kupole sadrži titanij oksid koji vrlo djelotvorno zrači na infracrvenom području, što značajno smanjuje toplinu koja se preko dana sakuplja pod kupolom. Tijekom noći, kada je kupola otvorena, temperatura zraka blizu teleskopa brže opada od temperature ostalog noćnog zraka, što smanjuje atmosfersko prelamanje svjetlosti i omogućava da svjetlost sa zvijezda i drugih svemirskih objekata stiže manje ometana. Iako nije nazvan po nekom nebeskom tijelu, naziv ovog elementa potječe od Titana iz starogrčke mitologije, jednako kao i Titan, Saturnov najveći mjesec. Ugljik je najznačajniji element za život, ali po mnogo čemu željezo (element broj 26) spada među najvažnije u svemiru. Masivne zvijezde proizvode elemente u svojoj jezgri, napredujući uzlaznom crtom kroz periodni sustav prema jezgrama sa sve većim brojem protona, od helija, preko ugljika, kisika, neona i tako dalje sve do željeza. S 26 protona i najmanje toliko neutrona u jezgri, željezo se odlikuje naročitim svojstvima proizašlim iz pravila kvantne mehanike koja upravljaju međudjelovanjem protona i neutrona: jezgre željeza imaju najjaču energiju vezanja po nukleonu (protonu ili neutronu). To znači nešto posve jednostavno. Ako pokušate rascijepiti jezgru željeza (proces koji se u fizici naziva “fisija”), morate joj dodati energiju. S druge strane, ako stapate jezgre željeza (proces “fuzije”), one će također apsorbirati energiju. Energija je, dakle, neophodna i da biste spojili jezgre željeza, kao i da biste ih rascijepili. Kod svih ostalih elemenata energija je potrebna samo za jedan od ta dva
postupka, dok se u drugome dobiva energija. Zvijezde, međutim, prema jednadžbi E = mc2 pretvaraju masu u energiju bez koje se ne bi mogle suprotstaviti urušavanju pod djelovanjem vlastite gravitacije. Kad zvijezde fuzioniraju jezgre u svojim središtima, priroda nalaže – i dobiva – takvu nuklearnu fuziju pri kojoj se oslobađa energija. U trenutku kada se u središtu zvijezde većina jezgri pretvori u željezo, iskorištene su sve mogućnosti za stvaranje energije termonuklearnom fuzijom, jer bi za nastavak ovog procesa bila potrebna energija sa strane, odnosno ona se više ne bi oslobađala. Bez termonuklearne fuzije kao izvora energije, središnja područja zvijezde urušit će se pod težinom slojeva “iznad” njih, i zvijezda se odmah razlijeće u titanskoj eksploziji poznatoj kao supernova, koja će po sjaju nadmašiti milijardu sunca tijekom razdoblja od oko jednog tjedna. Supernove se događaju zbog posebnog svojstva jezgri željeza – njihovog odbijanja da se ili spajaju ili cijepaju bez dodatne energije. Opisavši vodik, helij, litij, berilij, bor, ugljik, dušik, kisik, aluminij, titanij i željezo, razmotrili smo gotovo sve ključne elemente koji pokreću svemir – kao i život na Zemlji. Samo da ne bi ostali nespomenuti, pretresimo ukratko neke egzotičnije članove periodnog sustava elemenata. Gotovo je sigurno da nikada nećete imati u iole značajnijim količinama nijedan od ovih elemenata, ali za znanstvenike su oni ne samo zanimljivi primjerci iz obilja koje je stvorila priroda nego mogu biti i vrlo korisni. Uzmimo, na primjer, mekani metal galij (31 proton u jezgri). Točka taljenja galija nalazi se tako nisko da bi već pod djelovanjem topline vaše ruke prešao u tekuće stanje. Osim ovog mađioničarskog svojstva, galij se koristi u eksperimentima fizičara u obliku galij klorida u potrazi za neutrinima iz Sunčeve jezgre. Da bi se registrirali neuhvatljivi neutrini, fizičari su napravili spremnike kapaciteta sto tona, napunili ih galij kloridom i postavili duboko pod zemlju (da bi se zaštitili od utjecaja manje prodornih čestica), a zatim detaljno istraživali i promatrali ne bi li uočili tragove sudara neutrina i jezgri galija, pri kojima se ove jezgre pretvaraju u germanij, element s 32 protona. Pri svakom pretvaranju galija u germanij nastaju fotoni rendgenskoga zračenja koji se mogu otkriti i izmjeriti kad god dođe do udara u jezgru. Korištenjem ovih galij kloridnih “teleskopa za neutrine” astrofizičari su riješili takozvani “problem solarnih neutrina”. Ranije tipovi detektora neutrina bilježili su manji broj ovih čestica nego što je to predviđala teorija o termonuklearnoj fuziji u središtu Sunca.
Svaka jezgra elementa tehnecija (atomski broj 43) radioaktivna je i raspada se poslije nekoliko trenutaka ili nekoliko milijuna godina na druge vrste jezgri. Nije onda čudo što na Zemlji tehnecij susrećemo jedino u akceleratorima gdje se pravi po narudžbi. Zbog razloga koji još nisu potpuno objašnjeni, tehnecij postoji u atmosferama određene podgrupe zvijezda crvenih divova. Kao što je spomenuto u prethodnom poglavlju, ova činjenica ne bi uzbudila astrofizičare da poluvrijeme raspada tehnecija ne iznosi pukih 2 milijuna godina, što je znatno, znatno kraće od životnog vijeka zvijezda u kojima je ovaj element zabilježen. To znači da tehnecij nije mogao nastati kad i zvijezda; da ga je, naime, bilo od početka, do sada bi se odavno raspao. Astrofizičari ne znaju ni za kakav mehanizam kojim bi tehnecij najprije nastao u jezgri zvijezde, a onda odatle još i stigao do površine gdje je uočen; za ovu neugodnu zagonetku predloženo je nekoliko egzotičnih objašnjenja, ali nijedno nije jednodušno prihvaćeno u zajednici astrofizičara. Osim osmija i platine, iridij (atomski broj 77) je jedan od tri elementa s najvećom gustoćom u periodnom sustavu: 50 kubnih decimetara (litara) iridija teško je koliko osobni automobil, što ga čini jednim od najboljih pritiskača za papir na svijetu, kadrom odoljeti i najjačim uredskim ventilatorima, odnosno propusima. Iridij je uz to jedan od najsigurnijih indikatora u znanosti. Diljem svijeta, tanak sloj materijala bogatog iridijem javlja se u geološkom sloju koji obilježava poznatu K-T granicu nastalu prije 65 milijuna godina. Većina biologa smatra da nije nimalo slučajno to što su upravo u tom razdoblju nestale sve kopnene vrste veće od kutije za cipele, računajući i legendarne dinosauruse. Iridij je rijedak na površini Zemlje, dok ga u metalnim asteroidima ima desetostruko više. Koja god teorija o nestanku dinosaurusa vam je draga, asteroid promjera petnaestak kilometara, koji se ustremljuje iz svemira, sposoban da podigne oblake prašine i dima koji bi mjesecima zaklanjali Sunce prije no što bi se lagano slegli, sada izgleda kao sasvim uvjerljivo objašnjenje. Nije jasno što bi Albert mislio o tome, ali fizičari su u prašini nakon eksplozije prve vodikove bombe na Pacifiku (studeni 1952.) otkrili ranije nepoznati element i nazvali ga einsteinij u njegovu čast. Možda bi prikladniji naziv bio armagedonij. Dok je helij dobio naziv prema Suncu, deset drugih elemenata iz periodnog sustava nazvano je po tijelima koja kruže oko naše zvijezde:
Fosfor, što na starogrčkom izvorniku znači “svjetlonoša”, stari je naziv za planet Veneru kada se na jutarnjem nebu pojavljuje prije izlaska Sunca. Selenij potječe od starogrčke riječi selene za Mjeseca. Nazvan je tako zato što je u prirodnom stanju uvijek u vezi s elementom telurom, koji je dobio naziv po Zemlji, od latinskog tellus. Prvog siječnja 1801, prvog dana devetnaestoga stoljeća, talijanski astronom Giuseppe Piazzi otkrio je novi planet koja kruži oko Sunca na neuobičajeno velikom razmaku između Marsa i Jupitera. Držeći se tradicije dodjeljivanja naziva prema imenima rimskih bogova, Piazzi je ovo tijelo nazvao Ceres prema imenu božice žetve (koje se nalazi i u korijenu naše riječi “cerealije”. Uzbuđenje u znanstvenoj javnosti u povodu Piazzinog otkrića dovelo je do toga da u počast Ceresu sljedeći otkriveni element bude nazvan cerij. Dvije godine kasnije pronađen je još jedan planet kako kruži oko Sunca na istom području gdje i Ceres. Tijelo je dobilo naziv Palas, po rimskoj boginji mudrosti; kao i prethodno cerij, sljedeći otkriveni element nazvan je, u njegovu čast, paladij. Ova praksa završila je za nekoliko desetljeća budući da je na istom mjestu pronađeno još na desetine ovih “planeta”, da bi se poslije detaljnog proučavanja ustanovilo da su njihove veličine daleko manje čak i od najmanjega planeta. Pojavila se nova klasa objekata u Sunčevom sustavu: male, kvrgave gromade od kamena i metala. Pokazalo se da Ceres i Palas nisu planeti nego asteroidi, tijela koja u promjeru imaju samo po nekoliko stotina kilometara. Nalaze se u asteroidnom pojasu za koji se danas zna da sadrži na milijune objekata, od kojih su astronomi katalogizirali i nazvali oko petnaest tisuća – a to je ipak mnogo više nego što ima elemenata u periodnom sustavu. Tor i j je nazvan po Toru, gromovniku iz skandinavske mitologije, koji po rangu važnosti odgovara rimskom Jupiteru, gospodaru munja. I doista, na novijim snimcima polarnih područja Jupitera, načinjenim svemirskim teleskopom Hubble, vide se velika električna pražnjenja u uskomešanim slojevima oblaka Jupiterove atmosfere. Prema Saturnu, koji uživa najveću popularnost, nije nazvan nijedan element (u nekim je jezicima živa dobila ime po brzom glasniku bogova Merkuru), ali su zato Uran, Neptun i Pluton dobili znamenite parnjake u periodnom sustavu. Element uranij, pronađen 1789, nazvan je u počast planetu koji je otkrio William Herschel samo osam godina ranije. Svi izotopi uranija su nestabilni i spontano se, premda polako, raspadaju na
lakše elemente, pri čemu se oslobađa energije. Kad biste nekako uspjeli ubrzati raspadanje uranijevih jezgri “lančanom reakcijom”, dobili biste eksplozivno oslobađanje energije nalik na silovitu bombu. A to su ljudi i napravili. Godine 1945. u SAD je detonirana prva pokusna uranijska bomba (poznatija kao atomska bomba ili A-bomba), a ubrzo nakon toga jedna takva pretvorila je u pepeo japanski grad Hirošimu. S 92 protona zbijena u jezgri, uranij je najveći i najteži element u prirodi, premda se na nalazištima uranija mogu naći u tragovima još teži elementi. Ako je planet Uran zavrijedio da ima svoj element, isto je moralo biti i s Neptunom. Za razliku od elementa uranija, međutim, koji je otkriven ubrzo poslije planeta, neptunij je pronađen tek 1940. u akceleratoru “Berklijski ciklotron”, devedeset sedam godina nakon što je njemački astronom Johann G. Galle otkrio Neptun na mjestu koje je kao najvjerojatnije označio francuski matematičar Joseph Le Verrier. On se bavio proučavanjem Uranovog neobjašnjivog gibanja po stazi i zaključio da mora postojati jedan još dalji planet. Kao što Neptun dolazi odmah poslije Urana u Sunčevom sustavu, tako i neptunij dolazi odmah poslije uranija u periodnom sustavu elemenata. Fizičari čestica koji su radili na Berklijskom ciklotronu otkrili su desetak elemenata kojih nema prirodi, a među njima je i plutonij, koji slijedi iza neptunija u periodnom sustavu, a nazvan je po planetu Plutonu koji je mladi astronom Clyde Tombaugh otkrio 1930. godine na fotografijama snimljenim na zvjezdarnici Lowell u Arizoni. Kao i prilikom otkrića Ceresa 129 godina ranije, zavladalo je veliko uzbuđenje. Pluton je bio prvi planet kojega je otkrio neki Amerikanac, a u nedostatku točnih astronomskih podataka zavladalo je uvjerenje da se planet po veličini i masi može usporediti s Uranom i Neptunom. Kako su nam se, međutim, tehnike mjerenja poboljšavale, Pluton se sve više smanjivao. O njegovoj veličini konačna riječ dana je tek u kasnim sedamdesetim godinama, kada su do vanjskog Sunčevog sustava stigle letjelice Voyager. Danas znamo da je hladan ledeni Pluton manji od čak šest najvećih mjeseca u sustavu naše zvijezde te se odnedavno više i ne smatra pravim planetom. Kao što je bilo i s asteroidima, astronomi su kasnije našli na stotine drugih nebeskih tijela na istom području vanjskoga Sunčevoga sustava, sa stazama sličnim Plutonovoj. Ova tijela ukazala su na postojanje dotad nepoznatog skladišta malih, ledenih objekata koji se sada naziva Kuiperov pojas kometa. Čistunci bi mogli primijetiti da je, poput Ceresa i Palasa, Pluton dobio mjesto u periodnom sustavu lažno se predstavivši.
Kao i uranijeva jezgra, plutonijeva je također radioaktivna. Plutonij je bio aktivan sastojak atomske bombe bačene na japanski grad Nagasaki, samo tri dana nakon što je uranijska bomba bačena na Hirošimu, što je dovelo do brzoga završetka Drugog svjetskog rata. Znanstvenici koriste male količine plutonija za pogon radioizotopskih termoelektričnih generatora (skraćeno RTG) u svemirskim letjelicama koje putuju u vanjska područja Sunčevog sustav, gdje snaga zračenja naše zvijezde pada ispod razine na kojoj se mogu koristiti solarne ćelije. Pola kilograma plutonija dovoljno je za proizvodnju deset milijuna kilovatsati energije, čime se može napajati prosječna kućna žarulja jedanaest tisuća godina, a otprilike bi s isto toliko bile zadovoljene unutrašnje energetske potrebe jednog ljudskog bića. I dalje koristeći plutonijsku centralu za slanje poruka na Zemlju, dva Voyagera, lansirana još 1977, sada su već odavno ostavila za sobom Plutonovu stazu. Jedan od njih, koji je oko stotinu puta udaljeniji od Sunca nego što je to Zemlja, počeo je ulaziti u pravi međuzvjezdani prostor, ostavivši za sobom halo kojeg stvaraju nabijene čestica sa Sunca. Završavamo naše svemirsko putovanje kroz periodni sustav kemijskih elemenata na samom rubu Sunčevoga sustava. Zbog razloga kojeg tek treba ustanoviti, mnogi ljudi ne vole kemikalije, čime se može objasniti ustrajnost u nastojanjima da se one izbace iz hrane. Možda složeni nazivi koji se koriste u kemiji djeluju prijeteće. Ali zbog toga treba okriviti kemičare, a ne kemikalije. Mi osobno nemamo ništa protiv kemikalija. Naše omiljene zvijezde, baš kao i naši najbolji prijatelji, izgrađeni su od njih.
ČETVRTI DIO Postanak planeta
11. KAD SU SVJETOVI BILI MLADI Unastojanjima da saznamo povijest svemira stalno smo otkrivali da su najvećim velovima tajni prekriveni postanci – samoga svemira, njegovih najvećih struktura (galaktika i galaktičkih jata), kao i zvijezda od kojih potječe glavnina svjetlosti u svemiru. Svaka od ovih priča o postancima igra ključnu ulogu ne samo u pokušajima objašnjavanja kako je naizgled bezlični svemir iznjedrio složene skupove različitih vrsta objekata nego i u razjašnjenju kako i zašto se, 14 milijarda godina poslije Velikoga praska, mi sada nalazimo na Zemlji, živi i sposobni postavljati pitanje: kako se sve to dogodilo? Ove tajne i dalje su neodgonetnute poglavito zato jer je, tijekom “mračnih era” svemira, kada se materija tek počela organizirati u samodovoljne jedinice kao što su zvijezde ili galaktike, ona stvarala malo ili nimalo zračenja koje se sada može zabilježiti. Mračne ere ostavile su nam sasvim oskudne tragove, još nedovoljno istražene, o materiji u ranim fazama njezinoga organiziranja. To znači da se u velikoj mjeri moramo osloniti na naše teorije o tome kako se materija trebala ponašati, uz sasvim skromne mogućnosti da se te teorije provjere promatračkim podatcima. A kada se posvetimo postanku planeta, tajne se produbljuju. Oskudijevamo ne samo u promatračkim rezultatima o ključnim, početnim fazama stvaranja planeta nego i u uspješnim teorijama o tome kako je do toga došlo. Pa ipak, dobra je vijest da je pitanje kako su nastali planeti posljednjih godina znatno prošireno. Tijekom najvećeg dijela dvadesetog stoljeća ovo pitanje odnosilo se samo na Sunčevu obitelj planeta. U posljednjih desetak godina, međutim, kako je otkriveno stotinjak “egzosolarnih” planeta oko razmjerno obližnjih zvijezda, astrofizičari su uspjeli prikupiti značajna nova znanja o ranoj povijesti planeta, a naročito o tome kako su se ova astronomski mala i tamna tijela velike gustoće stvarala zajedno sa zvijezdama koje su im pružile svjetlost i život. Astrofizičari sada, doduše, raspolažu većim opsegom podataka, ali još nisu došli do boljih odgovora. Štoviše, otkrića egzosolarnih planeta, od koji se mnogi kreću stazama znatno različitim od onih koji su
karakteristični za Sunčeve planete, u mnogo toga su unijela zabunu, tako da je priča o nastanku planeta i dalje daleko od toga da bude zaključena. Možemo s pravom reći da još ne raspolažemo dobrim objašnjenjem kako su se planeti počeli stvarati iz plina i prašine, premda nam je prilično jasno kako su tijekom procesa stvaranja, kada je jednom započeo, iz manjih nastajala veća tijela, i to u kratkim razdobljima. Početak nastajanja planeta je izuzetno složen problem. Jedan od svjetskih stručnjaka na ovom području, Scott Trimaine sa Sveučilišta Princetom, postavio je (djelomično u šali) zakone o stvaranju planeta. Prema prvom zakonu, “pogrešna su sva teorijska predviđanja o osobinama egzosolarnih planeta”, dok drugi glasi da je “najsigurnije predviđanje o nastanku planeta to da se ono ne može dogoditi”. Trimaineov humor naglašava neporecivu činjenicu da planeti postoje unatoč tome što nismo u stanju objasniti ovu astronomsku zagonetku. Prije više od dva stoljeća, pokušavajući objasniti nastanak Sunca i planeta, Immanuel Kant izložio je svoju hipotezu o maglici, prema kojoj se vrtložna masa plina i prašine koja je opasivala našu zvijezdu u nastajanju kondenzirala ponegdje u grude iz kojih su postali planeti. U svojim općim crtama, Kantova hipoteza ostala je temeljem suvremenih astronomskih tumačenja stvaranja planeta, odnijevši premoć nad pretpostavkom kojoj se davala prednost tijekom prve polovice dvadesetoga stoljeća, a prema kojoj su planeti nastali zbog prolaska jedne zvijezde pokraj Sunca (teorija katastrofe). Prema tom scenariju, gravitacijske sile između zvijezda dovele bi do razmjene plinova među njima, a dio ovih plinova ohladio se i kondenzirao u planete. Glavni nedostatak (odnosno prednost, već prema tome kako se gleda na stvar) ove hipoteze, čiji je vodeći zastupnik bio britanski astrofizičar James Jeans, je to što bi, ako je ta pretpostavka točna, planetni sustavi bili izuzetno rijetki, budući da do ovakvih bliskih susreta zvijezda dolazi samo nekoliko puta tijekom stoljeća cijele galaktike. Kad su astronomi izračunali da bi sav plin koji je izvučen sa zvijezda znatno prije ispario nego što bi se kondenzirao, napustili su Jeansovu hipotezu i vratili se Kantovoj iz koje je slijedilo da oko mnogih, ako ne i većine, zvijezda trebaju kružiti planeti. Astronomi sada imaju dobre dokaze o tome da zvijezde nastaju ne jedna po jedna nego na tisuće i desetke tisuća odjednom unutar divovskih oblaka plina i prašine iz kojih se može izlijeći i milijun pojedinačnih zvijezda. Jedno od ovih divovskih zvjezdanih rodilišta je Orionova maglica, nama najbliže veliko područje stvaranja planeta. Za samo
nekoliko milijuna godina u ovom području rodit će se na stotine tisuća zvijezda koje će raznijeti po svemiru glavninu preostalog plina i prašine maglice, tako da će astronomi za sto tisuća generacija od danas promatrati mlade zvijezde oslobođene ostataka svojih rodnih čahura. Astronomi sada koriste radioteleskope za kartografiranje raspodjele hladnog plina i prašine u neposrednoj blizini mladih zvijezda. Te karte pokazuju da mlade zvijezde ne plove svemirskim prostorom potpuno bez materije koja ih okružuje; naprotiv, obično ih opasuje disk materije, veličine slične Sunčevom sustavu, građen od vodikovog plina (kao i od nekih drugih plinova u manjem postotku) prošaranog česticama prašine. Pod pojmom “prašine” podrazumijevaju se čestice od više milijuna atoma i veličine znatno znatno manje od točke na kraju ove rečenice. Mnoge od ovih čestica sastoji se poglavito od ugljikovih atoma tako povezanih da stvaraju grafit (glavni sastojak “srca” olovke). Ostatak otpada na mješavinu atoma silicija i kisika – u biti sićušni kamenčić optočen ledom. Nastanak ovih zrnaca prašine u međuzvjezdanom prostoru također je zagonetka i o tome postoje detaljne teorije na kojima se ovdje ne moramo zadržavati, već se jednostavno zadovoljimo zaključkom: svemir je pun prašine. Pri nastanku ove prašine okupljalo se na milijune atoma za svaku česticu; imajući na umu krajnje nisku gustoću međuzvjezdane tvari, najvjerojatnija gradilišta ove prašine su raširene vanjske atmosfere hladnih zvijezda koje lagano otpuštaju svoju građu u prostor. Nastanak čestica međuzvjezdane prašine ključni je prvi korak na putu prema planetima. Ovo se odnosi ne samo na čvrste planete poput našega, nego i na plinovite divove kakvi su u Sunčevom sustavu Jupiter i Saturn. Iako se ovi planeti poglavito sastoje od vodika i helija, astrofizičari su zaključili na temelju proračuna unutarnje građe planeta i mjerenja masa da plinoviti divovi moraju imati čvrstu jezgru. Od Jupiterove ukupne mase, koja je 318 puta veća od Zemljine, nekoliko desetaka masa Zemlje otpada na njegovu čvrstu jezgru. Saturn koji je devedeset pet puta masivniji od Zemlje također ima čvrstu jezgru koja nadmašuje masu našeg planeta deset do dvadeset puta. Dva Sunčeva manja planeta iz skupine plinovitih divova, Uran i Neptun, imaju razmjerno manju čvrstu jezgru. Kod ovih planeta, koji su masivniji od Zemlje petnaest odnosno sedamnaest puta, masa jezgre dostiže polovicu Zemljine mase. Kod sva četiri navedena planeta, a po svemu sudeći i kod svih divovskih planeta koji su nedavno otkriveni u blizini drugih zvijezda,
jezgre su igrale ključnu ulogu u procesu nastajanja. Prvo je nastala jezgra, koja je zatim privukla plin. Prema tome, za stvaranje svih planeta neophodno je da prvo postoje velike gromade čvrstog materijala. Među Sunčevim planetima, Jupiterova jezgra je najveća; zatim dolaze Saturnova, Neptunova, Uranova i na petom mjestu Zemljina. (Naš planet peti je i po ukupnoj masi.) Povijest stvaranja svih ovih planeta postavljaju isto temeljno pitanje: kako se u prirodi zgrušavaju čestice prašine da bi stvorile gromade materije promjera mnogo tisuća kilometara? Odgovor ima dva dijela, od kojih je jedan poznat, dok drugi nije, pri čemu je ovaj drugi, što nije iznenađujuće, kronološki stariji. Kada se jednom oblikuju tijela promjera od pola do jednog kilometra i koje astronomi nazivaju planetezimali, oni će imati dovoljno snažnu gravitaciju da privuku sebi druga takva tijela. Međusobno gravitacijsko privlačenje planetezimala i njihovo srastanje najprije će stvoriti planetnu jezgru, a zatim ubrzo i planetu, tako da će proći samo nekoliko milijuna godina od mnoštva gromada veličine nekog gradića pa do cijelog novog svijeta dovoljno masivnog da stekne ili tanak omotač atmosferskih plinova (kao kod Venere, Zemlje i Marsa) ili vrlo debelu opnu od vodika i helija (kao kod četiri plinovita diva koji kruže oko Sunca na dovoljno velikoj udaljenosti da sakupe ogromne količine ova dva laka plina). Za astrofizičare, prijelaz od planetezimala promjera oko jednog kilometra do planeta svodi se na niz dobro shvaćenih računalnih modela koji pružaju obilje planetnih pojedinosti i uvijek daju kao konačni rezultat bilo unutrašnji planet, koji je mali, stjenovit i gust, bilo vanjski planet, koji su velik, plinovit (s izuzetkom jezgre) i rijedak. Tijekom ovog procesa mnogi planetezimali bivaju zbog gravitacijskih međudjelovanja s većim tijelima čak i potpuno izbačeni iz solarnog sustava u nastajanju. Sve ovo prilično dobro izgleda na monitoru računala, no kako zapravo nastaju sami planetezimala promjera oko jedan kilometar, to i dalje leži izvan sadašnjih sposobnosti astrofizičara da dovedu u sklad poznavanje fizike s računalnim programima. Gravitacija naime ne može napraviti planetezimale, jer slaba gravitacijska sila među malim masama nije u stanju održati ih dulje na okupu. Dvije su teorijske mogućnosti za stvaranje planetezimala iz prašine, ali nijedna nije potpuno zadovoljavajuća. Prema jednom modelu, planetezimali se stvaraju srastanjem, kada se poslije sudara čestice zalijepe jedna na drugu. Srastanje u načelu dobro djeluje, budući da se mnoge čestice prašine zalijepe pri jačem dodiru. Ovim se objašnjava i postojanje grumenčića prašine koje
imate prilike naći pod namještajem, a ako zamislite supergrumene prašine oko Sunca, dovoljan je samo mali mentalni napor da se predoči kako one rastu do veličine stolice, kuće, gradske četvrti, a nedugo zatim i do veličine planetezimala spremnih za ozbiljno gravitacijsko djelovanje. Nažalost, za razliku od nastanka grumenčića, njihovo prerastanje u planetezimale tražilo bi previše vremena. Radioaktivno datiranje nestabilnih jezgri otkrivenih u najstarijim meteoritima navelo nas je na zaključak da je stvaranje Sunčevog sustava potrajalo ne više od nekoliko desetaka milijuna godina, a vjerojatno i znatno kraće. U usporedbi sa sadašnjom starošću planeta, približno 4,55 milijarda godina, to iznosi samo 1 posto (ili manje) od ukupnog postojanja Sunčevoga sustava. Za proces srastanja prašine u planetezimale potrebno je znatno više od nekoliko desetaka milijuna godina; prema tome, ako astrofizičarima nije promaklo nešto važno u razumijevanju načina na koji se prašina okuplja gradeći veće čvrste hrpice, potreban nam je neki drugi mehanizam koji bi ubrzao nastajanje planetezimala. Taj drugi mehanizam mogli bi biti divovski vrtlozi koji zahvaćaju na bilijune čestica prašine i brzo ih vode prema sretnom povezivanju u znatno veće objekte. Budući je sažimajućem oblaku plina i prašine koji je postajao Sunce i planeti bilo potrebno i neko rotiranje, on je uskoro promijenio oblik iz loptastog u diskoliki, pri čemu je za Sunce u nastanku bila ostavljena razmjerno gusta, rotirajuća kugla u središtu, opasana vrlo spljoštenim diskom materijala oko nje. Današnje staze Sunčevih planeta, koji svi putuju oko Sunca u istom smjeru i nalaze se gotovo u istoj ravnini, svjedoče u prilog diskolike rasprostranjenosti tvari iz koje su izgrađeni planetezimali i planeti. Astrofizičari pretpostavljaju da su se u takvom rotirajućem disku pojavili valovi “nestabilnosti” s izmjeničnim područjima veće i manje gustoće. Gušći dijelovi ovih nestabilnosti prikupili su plinoviti materijal i prašinu koja je lebdjela u plinu. Za nekoliko tisuća godina, nestabilnosti su se pretvorile u vrtloge koji mogu okupiti velike količine prašine u razmjerno male obujme. Ovaj vrtložni model stvaranja planetezimala izgleda obećavajuće, iako još nije sasvim pridobio one koji tragaju za objašnjenjem kako je Sunčev sustav osigurao ono što je mladim planetima bilo potrebno. Poslije detaljnog ispitivanja, model pruža bolje tumačenja jezgri Jupitera i Saturna nego Urana i Neptuna. Budući da astronomi nemaju načina dokazati da su stvarno nastale nestabilnosti potrebne da bi model djelovao, moramo sa suzdržati od donošenja zaključaka. Postojanje mnogobrojnih planetoida i
kometa koji nalikuju na planetezimale po veličini i sastavu ide u prilog ideji da su prije više milijarda godine planeti stvoreni iz milijuna planetezimala. Gledajmo zato na nastanak planetezimala kao na utvrđenu, premda nedovoljno shvaćenu, pojavu koja nekako premošćuje prazninu u našem znanju, pružajući nam priliku da se divimo onome što se zbiva pri sudaranju planetezimala. U ovom scenariju lako je zamisliti da kada su jednom plin i prašina što je okruživala Sunce napravili nekoliko bilijuna planetezimala, članovi ove armade počeli su se međusobno sudarati, gradeći pritom sve veća i veća tijela, sve dok konačno nisu nastala četiri Sunčeva unutrašnja planeta i jezgre četiri divovska planeta. Ne bi trebalo previdjeti mjesece planeta, manja tijela koja kruže oko svih članova Sunčeve obitelji, osim oko Merkura i Venere. Kako izgleda, najveći među ovim mjesecima, s promjerima u rasponu od nekoliko stotina do nekoliko tisuća kilometara, fino se uklapaju u model koji smo napravili zato što se smatra da su i oni napravljeni sudaranjem planetezimala. Stvaranje mjeseca prestalo je kada su sudari izgradili svijet satelita u njihovoj sadašnjoj veličini, nesumnjivo zato (može se pretpostaviti) što su se u to vrijeme obližnji planeti, zahvaljujući jačoj gravitaciji, dočepali glavnine planetezimala. U ovu sliku trebamo uključiti i na stotine tisuća asteroida koji kruže između Marsa i Jupitera. Najveći među njima, promjera nekoliko stotina kilometara, također su morali nastati sudaranjem planetezimala, no u daljem rastu onemogućio ih je gravitacijski utjecaj obližnjeg divovskog planeta Jupitera. Najmanji asteroidi, promjera ispod kilometar i pol, možda predstavljaju prvobitne planetezimale, tijela nastala iz prašine, ali koja se nikada nisu sudarila s nekim drugim pripadnikom svoje vrste, također zbog Jupiterovoga utjecaja, nakon što su narasla do veličina dovoljnih za gravitacijska međudjelovanja. Kad je riječ o mjesecima koji kruže oko divovskih planeta, ovaj scenarij sasvim je uspješan. Sva četiri divovska planeta imaju obitelji satelita čije se veličine kreću u rasponu od velikih ili izuzetno velikih (čak poput Merkura) do malih, odnosno vrlo malih. Najmanji od ovih mjeseca, promjerom tek nešto većeg od kilometra, mogli bi također biti prvobitni planetezimali koji nisu došli u priliku da sudaranjem povećaju dimenzije zato što su bili u blizini tijela koja su već postala znatno veća. Kod sve četiri obitelji satelita, svi veći mjeseci kruže oko matičnog planeta u istom smjeru i gotovo u istoj ravnini. Teško je ovo ne objasniti kao posljedicu istog uzroka koji je doveo do toga da planeti kruže oko Sunca u istom
smjeru i gotovo u istoj ravnini: u vrtložnom oblaku plina i prašine oko svakog planeta nastali su ugrušci materije koji su izrasli u planetezimale, pa u tijela veličine mjeseca. U unutrašnjem Sunčevom sustavu samo Zemlja ima veći satelit. Merkur i Venera uopće nemaju mjesece, dok Marsova dva pratitelja nalik krumpirima, Fobos i Deimos, dostižu u promjeru jedva nekoliko kilometara, i stoga su vjerojatno rane faze u pretvaranju planetezimala u krupnija tijela. Prema nekim teorijama, ova dva mjeseca potječu iz asteroidnoga pojasa, odakle ih je Mars izvukao i zarobio svojom gravitacijom. Kako stoje stvari s našim Mjesecom, promjera gotovo četiri tisuće kilometara, od kojega su, među svim satelitima u Sunčevom sustavu, veći jedino Titan, Ganimed, Triton i Kalisto, dok su mu po veličini slični Io i Europa? Je li Mjesec nastao sudaranjem planetezimala kao i četiri unutrašnja planeta? To je izgledalo kao sasvim osnovana pretpostavka sve dok nismo donijeli uzorke kamenja s Mjeseca na Zemlju i dok ovi nisu proučeni. Prije više od tri desetljeća, kemijski sastav uzoraka naveo nas je na dva različita zaključka o nastanku Mjeseca. S jedne strane, po sastavu je lunarno kamenje toliko slično kamenju sa Zemlje da je izgledala razložna pretpostavka da je naš satelit nastao nedaleko od nas. S druge strane, Mjesec se po sastavu ipak dovoljno razlikuje od Zemlje da se isključi mogućnost da je stvoren od Zemljinog materijala. Ali ako Mjesec nije nastao daleko od Zemlje niti potječe sa Zemlje, kako je onda nastao? Odgovor na ovo zbunjujuće pitanje, iako na prvi pogled može djelovati nevjerojatno, temelji se na popularnoj hipotezi da je Mjesec stvoren kao posljedica divovskoga sudara u ranoj povijesti Sunčevoga sustava, pri kojem je iz Pacifičkog bazena u svemir izbačena velika količina materijala čijim je srastanjem dobiven naš satelit. Prema ovom novom shvaćanju, koje je već steklo široko uvažavanje kao najvjerojatnije objašnjenje, Mjesec je doista nastao kao rezultat udara divovskog tijela u Zemlju, ali kako je to tijelo bilo veličine Marsa, neizbježno je pridodao svoju građu onoj koja je bila izbačena sa Zemlje. Glavnina materijala koji je dospio u svemir poslije sudara nestala je iz naše neposredne blizine, ali ipak je dovoljno ostalo da se okupi u naš poznati Mjesec, sastava zemaljske i neke tuđe građe. Ovo se dogodilo prije četiri i pol milijarde godina, tijekom prvih sto milijuna godina kako je počelo stvaranje planeta.
Ako je neko tijelo veličine Marsa udarilo u Zemlju u to davno doba, gdje je ono danas? Sudar ga ipak nije mogao razoriti na tako sitne dijelove da ih ne možemo vidjeti: naši najbolji teleskopi u stanju su naći i daleko manja tijela u unutrašnjem Sunčevom sustavu. Odgovor na ovo pitanje dočarava nam novu sliku o ranom Sunčevom sustavu, njegovu priroda obilježen tada silovitim sudarima. Činjenica da su planetezimali već bili izgradili tijelo veličine Marsa, na primjer, nije bila jamstvo da će ono dugo i opstati. Ne samo da se to tijelo sudarilo sa Zemljom nego su i krupni komadi nastali pri tom sudaru nastavili udarati u naš i ostale unutrašnje planete, naš Mjesec (kad je jednom nastao), te se sudarati i međusobno. Drugim riječima, užas stalnih sudara vladao je unutrašnjim Sunčevim sustavom tijekom prvih nekoliko stotina milijuna godina njegove povijesti, a krhotine divovskih tijela koje su udarale u planete u fazi nastajanja postale su njihov sastavni dio. Udar tijela veličine Marsa u Zemlju bio je jednostavno najveći u pravom bombardiranju iz svemira u tom razornom razdoblju kada su planetezimali i znatno krupnija tijela pljuštali po Zemlji i njezinim susjedima. Viđeno iz drugog kuta, ovo pogubno bombardiranje jednostavno je označilo završne faze procesa nastajanja. Konačnica tog procesa bio je Sunčev sustav kojeg vidimo danas: obična zvijezda oko koje kruži osam planeta (plus ledeni Pluton koji je prije divovski komet nego planet), na stotine tisuća asteroida, bilijuni meteoroida (komadići koji u tisućama pogađaju Zemlju svakoga dana), kao i bilijuni kometa – prljavih gruda nastalih na udaljenosti od Sunca desetke puta većoj nego što je Zemljina. Ne smijemo zaboraviti ni satelite planeta koji se gibaju, uz rijetke izuzetke, postojanim stazama već 4,6 milijarda godina. Razmotrimo pobliže krhotine koje i dalje kruže oko Sunca i koje su u stanju donijeti život na svjetove poput našeg, ali ga i zbrisati s njih.
12. IZMEĐU PLANETA Viđen iz daljine, naš Sunčev sustav izgleda prazan. Ako biste ga smjestili u sferu dovoljno veliku da obuhvati Neptunovu stazu, onda bi Sunce zajedno sa svim planetima i mjesecima zauzelo tek nešto malo više od bilijuntog dijela prostora u njoj. Ovo se temelji na pretpostavci da je međuplanetni prostor zapravo prazan. Viđen izbliza, međutim, prostor između planeta postaje ispunjen mnoštvom gromada, kamenja, ledenih lopti, prašinom, strujama pobuđenih čestica i odnedavno ponekom našom letjelicom upućenom na daleka putovanja. Međuplanetni prostor također prožimaju izuzetno snažna gravitacijska i magnetna polja, nevidljiva, ali zbog toga ništa manje u mogućnosti da djeluju na tijela u našem susjedstvu. Mali objekti i svemirska polja sila su stalna ozbiljna prijetnja svakome tko se kreće kroz Sunčev sustav. Najveća od tih tijela prijetnja su za život na Zemlji ako bi se dogodilo – kao što nesumnjivo biva u rijetkim prilikama – da se sudare s našim planetom brzinom od više kilometara u sekundi. Pojedina područja svemira toliko su “napučena” da Zemlja na svom kruženju oko Sunca brzinom od 30 kilometara u sekundi svakodnevno nalijeće na stotine tona međuplanetnoga materijala, pri čemu se uglavnom radi o komadićima veličine zrnca pijeska. Gotovo sva ova tvar izgori u gornjim slojevima Zemljine atmosfere, ulijećući u zračni omotač s toliko energije da biva pretvorena u paru. Naša krhka vrsta razvila se ispod ovoga zaštitnoga zračnoga pokrova. Krupniji komadi, veličine loptice za golf, zagrijavaju se brzo, ali neravnomjerno i često se raspadaju na mnoštvo manjih dijelova prije negoli također ispare. Još većim komadima izgori površina, ali ipak uspijevaju stići, makar samo jednim dijelom, do tla ili mora. Mogli biste pomisliti da je do sada, poslije 4,6 milijarda godina kruženja oko Sunca, Zemlja “usisala” svu nečistoću koja joj se našla na putu. Točno je, doduše, da je ostvaren određen napredak u ovom pravcu: prilike su nekada bile znatno lošije. Tijekom prvih pola milijarde godina nakon nastanka Sunca i planeta toliko je svemirskog smeća padalo na Zemlju da je energija sudara vrlo zagrijavala atmosferu i sterilizirala površinu.
Jedan poseban komad svemirskoga otpada bio je toliko veliki da je na kraju doveo do nastanka Mjeseca. Neočekivano mali postotak željeza i drugih težih elemenata na Mjesecu, što je zaključeno na temelju proučavanja uzoraka koje su astronauti misije Apollo donijeli na Zemlju, ukazuje na to da se naš satelit vjerojatno sastoji od materijala izbačenoga iz Zemljine kore i omotača pri sudaru s jogunastim protoplanetom Marsove veličine. Osim ovog izuzetnog događaja od prije 4,5 milijarda godina, razdoblje teškoga bombardiranja iz Zemljinoga ranoga djetinjstva bilo je slično onome što su iskusili svi planeti i druga krupna tijela u Sunčevom sustavu. Svi su oni pretrpjeli sličnu štetu, pri čemu Mjesec i Merkur, na kojima nema atmosfere i erozije, i dalje čuvaju većinu kratera nastalih u to doba. Osim ostataka iz razdoblja nastanka Sunčevog sustava, u međuplanetnom prostoru također se nalaze gromade raznih veličina, a odvaljene s Marsa, Mjeseca i, vjerojatno, Zemlje dok su im se površine oporavljale od visokoenergetskih sudara. Računalne simulacije padova meteora neosporno pokazuju da će jedan dio stijena blizu mjesta udara biti odbačen uvis dovoljnom brzinom da pobjegne iz gravitacijskog zagrljaja planeta. Na temelju otkrića meteorita s Marsa na Zemlji možemo zaključiti da kiša od oko 1000 tona kamenja pada svake godine s crvenoga planeta na naš. Možda nam ista količina stiže i s Mjeseca. Nije, dakle, neophodno otići na Mjesec da bismo se domogli uzoraka lunarnoga kamenja. Nekoliko desetaka komada pronađeno je na Zemlji, premda to nisu primjerci koje bismo ponajprije odabrali, a i do ovog otkrića došlo je tek poslije pohoda Apollo. Ako je na Marsu ikada bilo života – vjerojatno prije nekoliko milijarda godina kada je voda slobodno tekla površinom ovog planeta – onda su se bakterije, vozeći se kao bezazleni slijepi putnici u jamicama i pukotinicama (osobito u pukotinicama) stijenja izbačenoga s Marsa, mogle besplatno prevesti do Zemlje. Poznato nam je da neki varijeteti bakterija mogu dugo opstati u hibernaciji, pa i izloženi visokim dozama Sunčevoga ionizirajućega zračenja koje se ne bi moglo izbjeći na putu prema našem planetu. Ovakav svemirski prijenos bakterija nije ni šašava pretpostavka ni čista znanstvena fantastika. Zamisao čak ima i stručan naziv: panspermija. Ako je na Marsu bilo života prije nego na Zemlji i ako je jednostavan život prevalio put od Marsa u izbačenom kamenju da bi se nastanio na našem planetu, onda smo svi mi potomci Marsijanaca. Ova činjenica kao da umanjuje ekološku zabrinutost zbog mogućnosti da budući astronauti
raznesu svoje klice po površini Marsa i tako je zagade. No, čak i ako smo svi porijeklom Marsijanci, u međuvremenu smo postali vrlo različiti, tako da je spomenuta zabrinutost ipak sasvim na mjestu. Najveći broj asteroida u Sunčevom sustavu živi i radi u “glavnom pojasu”, prstenastom području oko Sunca između staza Marsa i Jupitera. Prema tradiciji, oni koji otkriju asteroide daju im nazive po svom izboru. Ilustratori su često predočavali ovo područje kao gusto ispunjeno kamenjem koje lebdi u ravnini Sunčevoga sustava, ali ono se, zapravo, prostire milijunima kilometara na različitim udaljenostima od Sunca. Ukupna masa tijela u asteroidnom pojasu ne iznosi ni 5 posto Mjesečeve mase, a ta jedva da prelazi 1 posto Zemljine. To na prvi pogled izgleda beznačajno, ali asteroidi su ipak pritajena i dugotrajna prijetnja za naš planet. Gravitacijski poremećaji neprekidno stvaraju pogubnu skupinu od možda nekoliko tisuća asteroida čije ih izdužene staze dovode tako blizu Sunca da im se staze sijeku sa stazom Zemlje, što stvara mogućnost sudara. Već i površni proračun pokazuje da će većina ovih asteroida s kojima nam se putovi križaju udariti u Zemlju u razdoblju od nekoliko stotina milijuna godina. Tijelo koje u promjeru ima oko dva kilometra nosi dovoljno energije da destabilizira ekosustav na našem planetu i da zaprijeti uništenjem glavnini kopnenih vrsta. To bi bilo loše. No, asteroidi nisu jedina svemirska tijela dugoročno opasna za život na Zemlji. Nizozemski astronom Jan Oort prvi je ustanovio da u hladnim dubinama međuzvjezdanoga prostora, znatno dalje od najdaljeg planeta, oko naše zvijezde kruži čitava armada smrznutih ostataka iz najranije faze nastanka našeg sustava. Ovaj “Oortov oblak” čine ne milijarde već bilijuni kometa, a proteže se do udaljenosti na pola puta do najbližih zvijezda, što je tisuća puta više od promjera Sunčevoga planetnoga sustava. Oortov nizozemsko-njemački suvremenik Gerald Kuiper izložio je pretpostavku da je dio ovih smrznutih tijela svojedobno pripadao disku materijala iz kojeg su nastali planeti. Ona sada kruže oko Sunca na znatno većoj udaljenosti od Neptunove, ali i znatno manjoj od kometa iz Oortovog oblaka. Ova tijela ulaze u sastav takozvanog Kuiperovog pojasa, poteza prostora ispunjenog kometima koji počinje odmah iza Neptunove staze, obuhvaćajući Pluton, i proteže se do udaljenosti višestruko većoj od one što razdvaja Neptun od Sunca. Najudaljenije poznato nam tijelo u Kuiperovom pojasu, nazvano Sedna po inuitskoj boginji, ima promjer oko dvije trećine promjera Plutonovog. Bez nekog obližnjeg masivnog planeta koji bi izazivao poremećaje, većina kometa iz Kuiperovog pojasa zadržat
će svoje staze milijardama godina. No, kao i kod asteroidnog pojasa, jedna skupina tijela iz Kuiperovog pojasa giba se po eliptičnim stazama koje se križaju sa stazama planeta. Staza Plutona, koji možemo smatrati izuzetno velikim kometom, kao i staze njegovih malih rođaka nazvanih plutini, presijecaju Neptunovu stazu oko Sunca. Druga neka tijela iz Kuiperovog pojasa, čije uobičajeno velike staze bivaju poremećene, ponekad stižu čak do unutrašnjeg Sunčevog sustava, presijecajući staze planeta. U ovu skupinu spada i najpoznatiji komet – Halleyev. Iz Oortovog oblaka potječu dugoperiodični kometi, oni kojima je za jedan obilazak oko Sunca potrebno vrijeme koje daleko nadmašuje jedan ljudski vijek. No, za razliku od kometa iz Kuiperovog pojasa, kometi iz Oortovog oblaka mogu stići u unutrašnji Sunčev sustav iz svih kutova i smjerova. Najsjajniji komet u posljednja tri desetljeća – komet Hyakutake (1996) – došao je iz Oortovoga oblaka visoko iznad ravnine Sunčevoga sustava. Proći će još puno vremena prije no što nas opet posjeti. Kada bismo imali osjetila kojima bismo mogli vidjeti magnetna polja, Jupiter bi nam izgledao desetostruko veći od punoga Mjeseca na nebu. Letjelice koje se upućuju prema ovom planetu moraju biti takve da na njih ne djeluje snažan magnetizam. Kao što je engleski kemičar i fizičar Michael Faraday otkrio 1831., ako pokrećete žicu kroz magnetno polje, stvorit ćete razliku napona na njezinim krajevima. Zato, metalne svemirske letjelice koje se brzo kreću mogu u sebi inducirati električne struje. Ove struje stupaju u međudjelovanje s lokalnim magnetnim poljem, a posljedica toga je usporavanje letjelica. Ovo djelovanje je objašnjenje tajanstvenog usporavanja dviju letjelica Pioneer prilikom izlaska iz Sunčevoga sustava. I Pioneer 10 i Pioneer 11, lansirani tijekom sedamdesetih godina, nisu otišli toliko daleko kao što su to naši dinamički modeli njihovog kretanja predviđali. Nakon što su uzeti u obzir utjecaji svemirske prašine na koju se nailazi usput, kao i opadanje brzine zbog gubitka pogonskoga goriva, pokazalo se da je magnetno međudjelovanje – u danom slučaju posrijedi je bilo Sunčevo magnetno polje – najvjerojatnije objašnjenje usporavanja dva Pioneera. Zahvaljujući sve boljim metodama otkrivanja te svemirskim letjelicama koje su prolijetale na maloj udaljenosti, tako se brzo povećavao broj poznatih planetnih mjeseca da je svaki podatak o tome ubrzo postajao zastario. Postalo je bitno jedino to je li neki od mjeseca privlačan za posjet i proučavanje. Prema nekim mjerilima, mjeseci u Sunčevom sustavu znatno su fascinantniji nego planeti oko kojih oni kruže. Marsova dva
mjeseca, Deimos i Fobos, pojavljuju se, ne pod tim nazivima, u klasičnom dijelu Jonathana Swifta Guliverova putovanja (1726). Problem je u tome što su ova dva mala satelita otkrivena tek više od dvije stotine godina kasnije; osim ako nije bio vidovit, Swift je vjerojatno smislio nešto između jednog Zemljinog mjeseca i četiri (tada poznata) Jupiterova. Promjer Zemljinoga Mjeseca četiri stotine puta je manji od Sunčevoga promjera, što stvara privid da su ova dva tijela iste veličine na našem nebu. Ovakva podudarnost ne sreće se ni kod jednog drugog sustava planeta-mjesec u obitelji naše zvijezde. Samo zahvaljujući njoj možemo uživati jedinstvenu povlasticu potpune pomrčine Sunca. Zemlja je također usporila Mjesečevu vrtnju oko vlastite osi, tako da se ona poklapa s ciklusom njegovoga kruženja oko Zemlje. Uzročnik ove pojave je gravitacija našeg planeta koja ima snažniji utjecaj na gušće dijelove Mjesečeve unutrašnjosti, nagoneći ih da uvijek budu bliži Zemlji. Gdje god da se ovo dogodi, kao, na primjer, kod četiri velika Jupiterova mjeseca, zarobljeni mjeseci uvijek su istom stranom okrenuti prema planetu. Kada su astronomi prvi put, zahvaljujući interplanetarnim letjelicama, mogli dobro promotriti Jupiterove mjesece, ovi su ih prilično iznenadili. Io, veliki mjesec najbliži Jupiteru, plimno je blokiran, a strukturno “masiran” gravitacijskim međudjelovanjem s Jupiterom i ostalim velikim mjesecima. Ova međudjelovanja donose dovoljno energije Iou (koji je po veličini sličan Mjesecu) da mu se rastopi dio stjenovite unutrašnjosti, te je tako on vulkanski najaktivnije tijelo u Sunčevom sustavu. Na Europi, drugom po veličini Jupiterovom mjesecu, unutrašnja toplina, koja nastaje pod istim utjecajima kao na Iou, rastopila je led s unutarnje strane zaleđene površine te stvorila tekući ocean ispod smrznutoga pokrova. Snimci izbliza površine Mirande, jednog od Uranovih mjeseca, prikazuju vrlo raspucanu površinu, kao da je cijeli mjesec bio najprije razoren, a zatim navrat-nanos skrpljen. Nastanak ovih egzotičnih topografskih osobina i dalje je zagonetan, ali posrijedi bi moglo biti nešto sasvim obično, kao što je stršenje nasumično razbacanih ledenih ploča. Plutonov jedini mjesec, Haron, toliko je velik i nalazi se tako blizu da su se dva tijela plimno međusobno blokirala: vremena vrtnje oko osi jednaka su vremenima kruženja oko zajedničkoga središta masa. Nakon usvojene konvencije, astronomi daju imena mjesecima planeta prema antičkim junacima koji su imali nekakvoga dodira s bogom čije ime planet
nosi, premda se samo ovo ime javlja u rimskoj, a ne grčkoj verziji (Jupiter, na primjer, a ne Zeus). Kako su bogovi iz klasičnoga doba vodili složene društvene živote, ne oskudijeva se u kandidatima za nazive mjeseca. Sir William Herschel prvi je otkrio jedan novi planet osim onih koji se od davnima vide golim okom i bio je spreman nazvati ga prema kralju koji je podržao njegovo istraživanje. Da je uspio u ovom naumu, danas bismo imali sljedeće planete: Merkur, Veneru, Zemlju, Mars, Jupiter, Saturn i Georgea (tadašnjeg britanskog kralja, prim. prev.). Srećom, trezvenije glave odnijele su prevagu, te je tako nekoliko godina poslije otkrića novi planet dobio klasično ime Uran. Ali Herschelov prvobitni prijedlog da se mjeseci ovog planeta nazovu po likovima iz drama Williama Shakespearea i iz poeme Aleksandra Popea Otmica uvojka zadržao se i do današnjih dana. Među sedamnaest Uranovih mjeseca nalazimo Ariela, Cordeliju, Dezdemonu, Juliju, Ofeliju, Porciju, Puka i Umbrijela, a tu su i dva nova mjeseca, Caliban i Sycorax, otkrivena tek 1997. Sunce gubi svake sekunde 200 milijuna tona svoje mase s površine (što je igrom slučaja približno koliko i protoka vode u slivu Amazone). To gubljenje mase je nekovrsno isparavanje s površine, a zovemo ga “Sunčev vjetar”, koji se sastoji od ioniziranih čestica visoke energije. Krećući se brzinama od gotovo 2000 kilometara u sekundi, ove čestice struje kroz međuplanetni prostor gdje ih često hvataju i skreću magnetna polja planeta. Čestice se zbog svog električnog naboja spiralno spuštaju prema sjevernom i južnom magnetnom polu nekog planeta, sudarajući se pritom s molekulama atmosferskih plinova, čime nastaju šarolike aurore. Svemirskim teleskopom Hubble uočene su aurore u blizini i Saturnovih i Jupiterovih polova. Na Zemlji, dvije aurore, borealis i australis (sjeverno i južno polarno svjetlo) služe kao neprekidan podsjetnik na to koliko je ugodno imati zaštitnu atmosferu. Strogo uzevši, Zemljina atmosfera proteže se znatno dalje od površine nego što se obično smatra. Sateliti na “niskoj stazi” nalaze se na visinama od 150 do 650 kilometara i jednom obiđu Zemlju za oko 90 minuta. Iako je disanje na tim visinama nemoguće, tu ipak i dalje ima nešto atmosferskih molekula – dovoljno da lagano koče satelite koji ništa ne slute o tome. Da bi se pariralo ovome, nužna je stalna korekcija vektora brzine satelita na niskoj stazi kako ne bi padao natrag prema Zemlji i izgorio u atmosferi. Najtočniji način definiranja kraja naše atmosfere je upitati se gdje se gustoća molekula atmosferskih plinova spušta na razinu
koja i inače postoji u međuplanetnom prostoru. Ovako mjerena, Zemljina atmosfera seže tisućama kilometara u svemir. Kružeći visoko iznad ove razine, na 36.000 kilometara od Zemljine površine (desetina udaljenosti do Mjeseca) nalaze se komunikacijski sateliti koji emitiraju sliku i zvuk diljem globusa. Na ovoj posebnoj visini, ne samo da je Zemljina atmosfera bez utjecaja na satelite nego i njihova brzina na stazi, zahvaljujući slabijem gravitacijskom djelovanju zbog veće udaljenosti od planeta, pada do takve vrijednosti da su za jedan obilazak oko Zemlje potrebna 24 sata. Kako ova brzina potpuno odgovara brzini Zemljine vrtnje oko osi, izgleda nam kao da sateliti “lebde” iznad iste točke na ekvatoru, što ih čini idealnim za prijenos signala s jednog dijela Zemljine kugle na drugi. Prema Newtonovom zakonu gravitacije, iako sila teža nekog planeta postupno (razmjerno kvadratu udaljenosti) slabi kako se udaljavate od njega, ona nikada ne pada na nulu; također, tijelo ogromne mase imat će snažan gravitacijski utjecaj čak i na velikim udaljenostima. Jako gravitacijsko polje Jupitera skreće s opasnoga kursa mnoge komete koji bi inače ušli u unutrašnje područje Sunčevog sustava. Jupiter tu djeluje kao Zemljin gravitacijski štit, omogućujući našem planetu duga razdoblja (od 50 do 100 milijuna godina) razmjernog mira i spokoja. Bez ove Jupiterove zaštite teško bi mogao nastati složen život, budući da bi stalno prijetila opasnost od razornog sudara. Gotovo sve letjelice koje su upućene u svemir koristile su gravitacijska polja planeta. Letjelica Cassini, na primjer, koja je stigla do Saturnovoga sustava krajem 2004., lansirana je sa Zemlje 15. listopada 1997., a uz put su joj gravitacijsku pomoć pružili dvaput Venera, jednom Zemlja (prilikom povratnog prolijetanja) i jednom Jupiter. Poput bilijarskoga udarca s puno odbijanja, ovakve putanje od jednog do drugog planeta koje koriste djelovanje takozvanih “gravitacijskih praćki” sasvim su uobičajene. Da nije toga, naše male letjelice ne bi imale dovoljno energije i brzine da stignu do odredišta. Jedan od autora ove knjige darovao je svoje ime jednom malom međuplanetnom tijelu. Studenoga 2000. asteroid iz glavnog pojasa, prvobitno zaveden pod oznakom 1994KA, koji su otkrili David Levy i Caroline Shoemaker, dobio je naziv 13123 Tyson. Baš lijepo, premda nema razloga da se čovjek uzoholi zbog ovoga; kao što je već rečeno, mnogi asteroidi imaju obična imena kao Jody, Harriet i Thomas. Ima puno onih s imenima poput Merlin i James Bond. Kako je broj asteroida s utvrđenim stazama (što je uvjet da dobiju ime i broj) već uvelike premašio
20.000, a i dalje raste, možda će nam uskoro ponestati imena koja im možemo davati. Dogodilo se to ili ne, ima nečeg čudno utješnog u spoznaji da vaša svemirska kamenčina nije jedina koja zagađuje prostor među planetima; naprotiv, ima puno sličnih koje su nazvane po stvarnim ili izmišljenim osobama. Kada je posljednji put provjeren, asteroid 13123 Tyson nije se kretao prema nama, te se tako ne može optužiti ni za uništavanje ni za započinjanje života na Zemlji.
13. BEZBROJNI SVJETOVI PLANETI IZVAN SUNČEVOGA SUSTAVA Svjetovi bezbrojni Božji su dari, baš kao i naš što se njime zari. Tko pogledom može doseći duboko svijet za svijetom njemu ispunjava oko, skupovi zvjezdani što se tamo druže, planeti koji oko sunaca drugih kruže. A bića što se daleko od nas roje, neka nas smjernošću dičnom zadoje. — Alexander Pope, Ogled o čovjeku (1733) Prije približno pet stotina godina Nikola Kopernik oživio je jednu pretpostavku koju je još mnogo ranije izložio antički astronom Aristarh. Ne samo da se Zemlja ne nalazi u središtu svemira, ustvrdio je Kopernik, nego pripada obitelji planeta koji kruže oko Sunca. Iako većina ljudi i dalje tek treba prihvatiti ovu činjenicu i osloboditi se zablude u koju slijepo vjeruje da je naš svijet nepomičan, dok se nebesa okreću oko njega, astronomi su dugo pružali uvjerljive argumente u prilog tome da je Kopernik govorio istinu o prirodi našega svemirskoga doma. Iz zaključka da je Zemlja samo jedan od Sunčevih planeta neposredno slijedi da su ostali planeti u biti slični našemu, kao da i na njima može biti stanovnika zaokupljenih vlastitim planovima, snovima, poslovima, igrom i maštanjima. Stoljećima su astronomi teleskopima promatrali na stotine tisuća pojedinačnih zvijezda, ali nisu uspijevali zamijetiti imaju li one vlastite planete. No ta su promatranja otkrila da je naše Sunce sasvim obična zvijezda kakvih ima vrlo mnogo diljem Mliječne staze. Ako Sunce ima obitelj planeta, mogle bi ih imati i druge zvijezde, odnosno njihovi planeti također bi mogli biti kolijevke života u svim mogućim oblicima. Zbog toga što je javno iznio ovu zamisao na način koji je protumačen kao suprotstavljanje autoritetu pape, Giordano Bruno završio je na lomači
1600. godine. Današnji turist može se prošetati, kroz mnoštvo stolova ispred kafića, Cvjetnim trgom u Rimu u čijem se središtu nalazi Brunov spomenik. Treba zastati pred njim da bi se nakratko razmislilo o tome kako moć ideja (ako već ne moć ljudi koji stoje iza njih) pobjeđuje one koji bi ih rado potisnuli. Kao što to Brunova sudbina pokazuje, zamišljanje života na drugim svjetovima spada u najsnažnije ideje koje su ikada ljudima pale na um. Da nije tako, Bruno bi doživio starost, dok bi NASA ostala bez fondova. Tijekom povijesti, špekulacije o životu na drugim svjetovima bile su fokusirane na planete koji kruže oko Sunca (kojima je posvećena i pažnja NASA-e). Naša potraga za životom izvan Zemlje suočila se, međutim, s ozbiljnom poteškoćom: nijedan drugi svijet u Sunčevom sustavu ne izgleda pogodan za život. Iako ovaj zaključak nije u skladu sa spoznajom da život može nastati i da se održava na mnoštvo načina, ostaje činjenica da naša početna istraživanja Marsa, Venere, Jupitera i njegovih velikih mjeseca nisu ukazala ni na kakav sigurni znak života. Baš naprotiv, došli smo do obilja potvrda o postojanju izuzetno nepovoljnih uvjeta za život kakav je nama poznat. Preostaje još puno istraživačkoga posla i on se srećom obavlja (barem teorijski), naročito kada je riječ o potrazi za životom na Marsu. No, iako su sve manji izgledi da ćemo naći izvanzemaljski život negdje u Sunčevom sustavu, tragači ne gube nadu: oni se okreću području izvan našeg neposrednog svemirskog okruženja, prema beskrajnom mnoštvu mogućih svjetova koji kruže oko drugih zvijezda. Sve do 1995. razmišljanja o planetima oko drugih sunaca bila su isključivo teorijska. S izuzetkom malobrojnih tijela veličine Zemlje na stazama oko ostataka eksplodiranih zvijezda, koja su gotovo sigurno nastala poslije eksplozija supernova i jedva da bi se mogli nazvati planetima, astronomi nisu pronašli nijedan “egzosolarni planet”, svijet koji bi kružio oko neke druge zvijezde. No, krajem te godine objavljeno je uzbudljivo priopćenje o prvom takvom otkriću; a zatim, samo nekoliko mjeseci kasnije, uslijedila su još četiri. Kad su ustave jednom podignute, otkrivanja novih svjetova počela su se nizati filmskom brzinom. Danas znamo za daleko više egzosolarnih planeta nego što ima poznatih svjetova koji kruže oko Sunca – zbroj je već prešao dvije stotine, a sigurno je da će se u godinama koje slijede samo povećavati. Da bismo opisali ove otkrivene svjetove i razmotrili što njihovo
postojanje znači u okviru potrage za izvanzemaljskim životom, moramo se suočiti s jednom činjenicom u koju nije lako povjerovati: iako astrofizičari tvrde da ne samo što znaju da ovi planeti postoje nego su i izračunali njihove mase, udaljenosti od matičnih zvijezda, trajanja obilaska, pa čak i oblike staza, nitko još nije ni vidio ni fotografirao ni jedan jedini od ovih egzosolarnih svjetova. Kako je moguće toliko doznati o planetima koji se uopće ne vide? Odgovor se skriva u detektivskom poslu kojem su vični oni koji se bave proučavanjem zvjezdane svjetlosti. Rastavljajući tu svjetlost u spektar boja i uspoređujući spektre tisuća zvijezda, stručnjaci mogu prepoznati različite tipove zvijezda samo na temelju zastupljenosti raznih boja u njihovim spektrima. Ranije su astrofizičari fotografirali ove spektre, ali danas koriste osjetljive uređaje za digitalnu registraciju koliko zvjezdane svjetlosti svake pojedine boje stiže do Zemlje. Iako nas od zvijezda dijeli mnogo bilijuna kilometara, njihova temeljna priroda postala je dobro poznata. Astrofizičari sada lako mogu odrediti – samo na temelju mjerenja spektra boja zvjezdane svjetlosti – koja je zvijezda najsličnija Suncu, koja je nešto toplija i sjajnija, a koja je tamnija i slabijeg sjaja od našeg. Ali mogu oni još mnogo toga. Znajući zastupljenost boja u spektrima raznih tipova zvijezda, astrofizičari danas mogu lako uočiti poznate rasporede u njima, takozvane linije, a koje linije ukazuju na djelomični ili potpuni manjak svjetlosti neke posebne boje, to jest frekvencije. Često se događa da su te linije malo pomaknute prema crvenom ili ljubičastom kraju spektra, tako da su otišle ili u crveniji ili u ljubičastiji dio spektra u odnosu na mjesto gdje bi se inače trebale nalaziti. Stručnjaci označavaju ove boje njihovim valnim dužinama. Kako one odgovaraju bojama koje naše oči i mozak opažaju, navođenjem točne valne dužine boje se nazivaju preciznije nego u običnom govoru. Kada astrofizičari uoče neki poznati raspored u jačini svjetlosti razloženoj na tisuće različitih boja, a pritom se pokaže da su sve valne dužine (na primjer) 1 posto veće od uobičajenih, zaključuje se da je do promjene boje te zvijezde došlo zbog Dopplerovog efekta koji opisuje što se događa kada promatramo neko tijelo koje nam se ili približava ili se udaljava od nas. Ako nam se, na primjer, neko tijelo približava, odnosno ako se mi približavamo njemu, ustanovljujemo da su sve valne dužine zabilježene svjetlosti kraće od onih kod istog takvog tijela koje se nalazi u stanju mirovanja u odnosu na nas. Ako se, pak, tijelo udaljava od nas, odnosno ako se mi udaljavamo od njega, ustanovljujemo da su sve valne dužine
veće nego što je to kod tijela u stanju mirovanja. Odstupanje od vrijednosti u stanju mirovanja ovisi o relativnoj brzini između svjetlosnoga izvora i promatrača. Za brzine znatno manje od brzine svjetlosti (oko 300.000 kilometara u sekundi), mala promjena kod svih valnih dužina svjetlosti, nazvana Dopplerov pomak, jednaka je omjeru brzine približavanja, odnosno udaljavanja, i brzine svjetlosti. Tijekom devedesetih godina, dvije ekipe astrofizičara, jedna u SAD, a druga u Švicarskoj, uložile su napore u to da se poveća točnost mjerenja Dopplerovog pomaka kod svjetlosti zvijezda. Učinili su to ne samo zato što znanstvenici i inače stalno žele poboljšati točnost mjerenja nego i zato što su pred sobom imali konkretan cilj: da proučavanjem svjetlosti zvijezda otkriju postojanje planeta. Čemu ovaj zaobilazni način otkrivanja egzosolarnih svjetova? Zato što je za sada to jedini praktični način da se oni otkriju. Ako naš Sunčev sustav uzmemo kao model udaljenosti na kojima planeti kruže oko zvijezda, onda je očito da su te udaljenosti tek mali dio udaljenosti do zvijezda. Najbliža zvijezda Suncu udaljena je od njega oko pola milijuna puta udaljenost najbližeg planeta Merkura od Sunca. Čak i udaljenost Plutona od Sunca iznosi manje od jednog pet tisućitog dijela udaljenosti do Alfe Centauri, nama najbližega zvjezdanoga sustava. Ove, u astronomskim razmjerima sićušne udaljenosti između zvijezda i planeta, udružene s otežavajućom okolnošću da planeti tek slabašno odražavaju svjetlost blještave matične zvijezde, gotovo potpuno onemogućavaju pogled na bilo koji planet izvan Sunčevoga sustava. Zamislite, na primjer, astrofizičara na nekom planetu koji kruži oko jedne od zvijezda u sustavu Alfe Centauri kako usmjerava teleskop prema Suncu u pokušaju da uoči Jupiter, najveći planet u Sunčevom sustavu. Udaljenost između Sunca i Jupitera pedeset tisuća puta je manja od udaljenosti između Sunca i Alfe Centauri, a sjaj Jupitera je samo milijarditi dio Sunčevoga sjaja. Astrofizičari obično ovo uspoređuju s problemom uočavanja svjetlucanja krijesnice u reflektorskom snopu. Možda ćemo jednoga dana to i moći, ali zasad neposredno promatranje egzosolarnih planeta leži izvan naših tehničkih mogućnosti. Dopplerov efekt omogućava drukčiji pristup. Ako detaljno proučavamo zvijezdu, možemo točno izmjeriti i male promjene koje se događaju u Dopplerovom pomaku njezine svjetlosti. Ove su promjene rezultat razlike u brzinama kojima nam se zvijezda ili približava ili se udaljava od nas. Ako se ustanovi da su promjene brzina ciklične – ako idu od najveće do najmanje, pa opet do najveće, i tako naizmjence u istim
vremenskim razmacima – onda slijedi samo jedan razložan zaključak: zvijezda se giba, točnije bi bilo reći njiše, oko jedne točke u prostoru. Što može navesti jednu zvijezdu da se tako ponaša? Jedino gravitacijska sila nekog drugog tijela, barem koliko nam je poznato. Nema sumnje da je masa planeta znatno manja od mase zvijezde te je stoga i gravitacijska sila planeta razmjerno skromnija. Kad planeti njome djeluju na obližnju zvijezdu koja je daleko masivnija od njih, izazivaju samo male pomake zvijezde. Za nekog promatrača s, recimo Alfe Centauri, Jupiter na primjer mijenja brzinu Sunca u smjeru promatrača i od njega za samo oko 13 metara u sekundi, što je tek malo više od brzine sprintera svjetske klase. Kako Jupiteru treba dvanaest godina da jednom obiđe oko Sunca, promatrač koji se nalazi u ravnini Jupiterove staze izmjerio bi Dopplerov efekt u Sunčevoj svjetlosti. Taj Dopplerov efekt pokazao bi da bi se u nekom vremenu (za nas šest godina) brzina Sunca u odnosu na promatrača povećala za 13 metara u sekundi iznad srednje vrijednosti. Šest godina kasnije, isti promatrač ustanovio bi da je Sunčeva brzina za 13 metara u sekundi niža od srednje vrijednosti. U međuvremenu, relativna brzina ravnomjerno bi se kretala između ove dvije krajnje vrijednosti. Nakon što bi nekoliko desetljeća promatrao ponavljanje ovog ciklusa, promatrač bi razložno zaključio da Sunce ima planet koji ga obilazi jednom u dvanaest godina pa u tom periodu malo “vuče” našu zvijezdu tako da se ona giba, odnosno i Sunce i Jupiter kruže oko zajedničkog centra masa. Veličina Sunčeve staze, u usporedbi s veličinom Jupiterove, točno je jednaka recipročnoj vrijednosti omjera masa dva tijela. Kako je masa Sunca tisuću puta veća od mase Jupitera, Jupiterova staza oko njihovog zajedničkog centra gravitacije tisuću puta je veća od Sunčeve: Sunce je tisuću puta teže pomaknuti nego Jupiter. Dakako, Sunce ima mnogo planeta koji svi istodobno na njega gravitacijski djeluju. Sunčevo stvarno gibanje zato sadrži sve ove gravitacijske utjecaje, od kojih je svako s drugim periodom ponavljanja. Kako Jupiter, najveći i najmasivniji planet u sustavu naše zvijezde, najjačom gravitacijskom silom djeluje na Sunce, oscilacije koje on izaziva prevladavaju u ovom složenom uzorku djelovanja. Kad astrofizičari tragaju za egzosolarnim planetima praćenjem ovakvih oscilacija zvijezda, znaju da moraju izmjeriti Dopplerove pomake s takvom točnošću da zabilježe promjena brzine od približno 13 metara u sekundi, kako bi otkrili planet približno Jupiterove veličine, koji kruži oko matične zvijezde na udaljenosti sličnoj onoj na kojoj Jupiter kruži oko
Sunca. Na Zemlji ovo nije beznačajna brzina (oko 46 kilometra na sat), ali mjereno astronomskim mjerilima riječ je o manje od jedne milijuntinke brzine svjetlosti, odnosno o oko jednom tisućitom dijelu tipične brzine kojom se zvijezde kreću prema nama ili od nas. Prema tome, da bi se otkrio Dopplerov pomak izazvan promjenom brzine jednake milijuntom dijelu brzine svjetlosti, astrofizičari moraju izmjeriti promjene valne dužine boja zvijezde od jednog milijuntoga dijela. Ovakva točnost mjerenja omogućila je i više od pukog otkrivanja planeta. Prije svega, budući da su posrijedi cikličke promjene brzine neke zvijezde prema i od nas, trajanje svakog ciklusa istovremeno je vrijeme obilaska nekog planeta oko nje. Onako kako pleše zvijezda oko zajedničkog središta masa, istim se ritmom giba planet, samo on se ne “njiše” već putuje oko zvijezde na dalekom stazi. Vrijeme tog putovanja otkriva nam pak udaljenost planeta od zvijezde. Isaac Newton davno je izračunao da će se neko tijelo koje kruži oko zvijezde kretati brže što joj je bliže, odnosno sporije što joj je udaljenije: svako orbitalno razdoblje odgovara nekoj posebnoj vrijednosti prosječne udaljenosti između zvijezde i tijela koje kruži oko nje. U Sunčevom sustavu, na primjer, jednogodišnje razdoblje odgovara udaljenosti na kojoj se Zemlja nalazi od Sunca, dok dvanaestogodišnje razdoblje podrazumijeva 5,2 puta veću udaljenost, što odgovara Jupiterovoj stazi. Istraživačka ekipa mogla je zato objaviti ne samo da je pronašla planet nego i da je ustanovila njezinu “godinu” i prosječnu udaljenost od matične zvijezde. Još se podataka moglo doznati o otkrivenom planetu. Putujući na određenoj udaljenosti od zvijezde, planet će na nju djelovati gravitacijskom silom koja ovisi o njenoj masi. Masivniji planeti imat će jači utjecaj koji će izazivati brže oscilacije zvijezde. Kada se jednom ustanovi udaljenost između planeta i zvijezde, istraživači mogu uključiti i mase planeta na popis podataka o njim do kojih se došlo detaljnim promatranjem i zaključivanjem. Ovo izvođenje mase planeta iz mjerenja oscilacija zvijezde ima i jedan nedostatak. Astronomi ne mogu znati promatraju li zvijezdu u pravcu ravnine planetne staze ili u pravca koji je okomit u odnosu na tu ravninu (u kojem slučaju bi mjerili nultu brzinu zvijezde), odnosno (što je gotovo uvijek slučaj) iz nekog pravca između ovih krajnjih slučajeva. Ravnina staze planeta oko neke zvijezde je ista ona u kojoj se zvijezde njiše pod utjecajem planetove gravitacije. Moći ćemo zabilježiti pune brzine kruženja samo ako gledamo u istoj ravnini na kojoj planet kruži oko
zvijezde. Donekle analogna situacija može se zamisliti ako pretpostavite da gledate utakmicu u bejzbolu i želite izmjeriti brzinu bačene lopte. Najbolje mjesto na kojem se u tu svrhu možete naći je ravno iza hvatača, u liniji s gibanjem bačene lopte. Ako se, pak, nalazite negdje sa strane, lopta koju izbaci bacač neće se, najvećim dijelom, ni približavati vama ni udaljavati od vas, tako da će mjerenje njezine brzine u smjeru vaše doglednice biti blisko nuli. Kako Dopplerov efekt otkriva samo brzinu kojom se neka zvijezda približava nama ili udaljava od nas, ali ne i brzinu kojom siječe pod nekim kutom našu doglednicu, obično ne možemo odrediti koliko je naša doglednica blizu ravnine njihanja zvijezde. Odavde slijedi da su izračunate vrijednosti masa egzosolarnih planeta minimalne; one bi bile stvarne jedino u onim slučajevima kada zvijezdu promatramo točno u ravnini njenog amo-tamo gibanja. U prosjeku, stvarna masa nekog egzosolarnog planeta dvostruko je veća od minimalne mase izmjerene na temelju gibanja zvijezde, ali ne možemo znati koje se mase egzosolarnih planeta nalaze iznad, a koje ispod ove prosječne vrijednosti. Osim određivanja trajanja godine egzosolarnih planeta, promjera njihovih staza kao i minimalne mase, astrofizičari koji putem Dopplerovog efekta proučavaju oscilacije zvijezda postigli su još jedan uspjeh: odredili su oblik planetne staze. Neke planetne staze, poput onih Venere i Neptuna oko Sunca, gotovo su savršeno kružne; ali druge, kao što su staze Merkura, Marsa i Plutona, značajno su izdužene, tako da se ovi planeti na nekim dijelovima svoje eliptične staze nalaze znatno bliže Suncu nego na drugim. Kako se planet kreće brže kada je bliže zvijezdi, u tom razdoblju brže se mijenja brzina zvijezde. Ako astronomi promatraju zvijezdu koja mijenja ravnomjerno brzinu tijekom ciklusa, onda će zaključiti da planet putuje kružnom stazom. Ako se, međutim, ustanovi da su promjene ponekad brže, a ponekad sporije, to znači da staza planeta nije kružnica već elipsa. Mjerenjem promjena brzine zvijezde tijekom jednog perioda može se odrediti koliko staza planeta odstupa od kružne. Udruživši, dakle, vrlo precizna promatranja s pametnim zaključivanjem astrofizičari koji se bave proučavanjem egzosolarnih planeta mogli su ustanoviti četiri ključna svojstva svakog novootkrivenog svijeta: vrijeme kruženja planeta; prosječnu udaljenost od matične zvijezde; minimalnu masu; izduženost staze. Sve su to pročitali iz promatranja boja svjetlosti sa zvijezda udaljenih stotinama bilijuna kilometara od Sunčevoga sustava i mjerenjem njihovih promjena uz
točnost bolju od jednog milijuntog dijela – što je vrhunac u našem pretraživanju neba u potrazi za Zemljinim parnjacima. Preostaje samo jedan problem. Mnogi egzosolarni planeti otkriveni tijekom posljednjih deset godina kruže oko svojih zvijezda na udaljenostima znatno manjim od onih koje vidimo u Sunčevom sustavu. Problem postaje tim veći što su svi egzosolarni planeti koje su dosad pronađeni po masi slični Jupiteru, divovskom svijetu koji kruži oko Sunca na petostruko većoj udaljenosti od Zemlje. Razmotrimo nakratko ove okolnosti prije no što nas astrofizičari zadive svojim objašnjenjima kako su se ovi planeti mogli naći na stazama toliko bližim svojoj matičnoj zvijezdi negoli je to slučaj u Sunčevom sustavu. Kad god koristimo metodu zvjezdanog plesa u potrazi za planetima oko drugih sunaca, moramo biti svjesni njenih ograničenja. Prvo, planetima koje se nalaze blizu matične zvijezde potrebno je znatno manje vremena da naprave jedan krug oko nje nego onim udaljenijim. Kako astrofizičari nemaju na raspolaganju neograničeno vrijeme za promatranje svemira, prirodno je da će znatno brže otkrivati planete čija “godina” traje naših recimo šest mjeseci nego oni kojima je za jedan obilazak oko zvijezde potrebno više desetaka godina. U oba primjera astrofizičari moraju mjeriti barem dva obilaska da bi bili sigurni da se ponavljaju pravilnosti u promjenama brzine zvijezde. Da bi se otkrili planeti na stazama sličnima Jupiterovoj dvanaestogodišnjoj stazi, na to može otići znatan dio profesionalne karijere jednog astrofizičara. Drugo, planet će imati jači gravitacijski utjecaj na matičnu zvijezdu kad joj je bliži nego kada je udaljeniji. Ova jača sila navodit će zvijezdu da brže oscilira, što će stvarati veći Dopplerov pomak u njezinom spektru. Kako lakše možemo otkriti veće pomake nego manje, bliži planeti više će nam i češće privlačiti pažnju nego oni udaljeniji. Na bilo kojoj udaljenosti, međutim, planet mora biti barem Jupiterove mase (318 puta veće od Zemljine) da bi se mogao otkriti metodom Dopplerovog pomaka. Planeti znatno manje mase ne mogu navesti matične zvijezde na plesanje brzinom koja bi bila iznad praga točnosti današnjih mjernih metoda. Uzimajući sve ovo u obzir, ne iznenađuje što svi dosad otkriveni egzosolarni planeti imaju mase slične Jupiterovoj i nalaze se blizu matičnih zvijezda. Neobično je međutim koliko su blizu neki planeti – toliko, naime, da im je potrebno ne nekoliko mjeseci ili godina za jedan obilazak, kao što je to s unutarnjim Sunčevim planetima, nego samo nekoliko dana.
Astrofizičari su pronašli više od deset planeta kojima je za jedan krug oko matične zvijezde potrebno manje od sedam dana. Rekord drži planet čija “godina” traje samo dva i pol dana. Ovaj planet, koja kruži oko zvijezde slične Suncu (oznaka HD73256), ima masu najmanje 1,9 Jupiterovih masa i kreće se blago izduženom stazom na prosječnoj udaljenosti od matične zvijezde od samo 5,5 milijuna kilometara. Drugim riječima, divovski planet masivniji je od našeg oko 600 puta, a udaljen je od svoje zvijezde samo jednu desetinu Merkurove udaljenosti od Sunca. Merkur se sastoji od stijena i metala koji se prže na temperaturama od mnogo stotina stupnjeva na strani okrenutoj prema Suncu. Nasuprot tome, Jupiter i ostali divovski planeti (Saturn, Uran i Neptun) su ogromne plinovite lopte unutar kojih je čvrsta jezgra na koje otpada samo nekoliko postotaka planetne mase. Sve teorije o nastanku planeta polaze od toga da planet mase poput Jupitera ne može biti u čvrstom stanju, poput Merkura, Venere i Zemlje, zato što je praiskonski oblak iz kojega su se izlegli planeti sadržavao premalo građe koja je mogla prijeći u čvrsto stanje i izgraditi planet čija bi masa bila više desetaka puta veća od Zemlje. Odavde slijedi zaključak, kao novi korak u velikoj detektivskoj priči koja nam je darovala egzosolarne planete, da sva dosad otkrivena tijela ove vrste (budući da su im mase slične Jupiterovoj) moraju također biti velike plinovite lopte. Dva pitanje odmah se nameću iz ovog zaključka: kako su se ti planeti Jupiterove veličine uopće našli na stazama tako blizu matične zvijezde i kako to da im plin nije brzo ispario pod udarima topline sa zvijezde? Odgovor na drugo pitanje je prilično lak: ogromna masa planeta može zadržati čak i lake plinove zagrijane do mnogo stotina stupnjeva zahvaljujući tome što je gravitacijska sila velikog svijeta jača od težnje atoma i molekula plina da pobjegnu u svemir. U najekstremnijim slučajevima, međutim, ovo nadmetanje završava se tek malom nadmoći gravitacije, odnosno planet se nalazi tek malo dalje od granice na kojoj bi plinovi sigurno isparili. Prvo pitanje, kako se planet uopće našao na stazi tako blizu zvijezde slične Suncu, vraća nas na temeljno pitanje kako planeti nastaju. Kao što smo vidjeli u jedanaestom poglavlju, teoretičari su naporno radili na tome da otkriju proces nastajanja planeta u Sunčevom sustavu. Zaključili su da su se Sunčevi planeti skupljali iz grumenčića tvari u veće gromade u plosnatom oblaku plina i prašine. Unutar ove spljoštene, rotirajuće mase materije koja je opkoljavala Sunce, stvorila su se pojedinačna zgusnuća, najprije slučajno, ali zatim, budući da im je gustoća bila veća od prosječne,
zavladala su gravitacijskom premoći nad okolnim česticama plina i prašine. U završnim etapama ovog procesa, Zemlja i ostali čvrsti planeti preživjeli su silovito bombardiranje posljednjih većih gromada materijala. Dok je trajalo ovo srastanje, Sunce je počelo sjati, što je izazvalo isparavanje najlakših elemenata, vodika i helija, iz neposrednog susjedstva naše zvijezde, tako da su četiri unutrašnja planeta (Merkur, Venera, Zemlja i Mars) ostali s građom od gotovo isključivo težih elemenata, ugljika, kisika, silicija, aluminija, željeza i drugih. Za razliku od njih, planeti koji su nastali na pet do trideset puta većoj udaljenosti od Sunca ostali su dovoljno hladni da zadrže u svojoj blizini glavninu vodika i helija. Kako su ova dva najlakša elementa ujedno i najzastupljenija, stvorila su se četiri divovska svijeta s masama višestruko većim od Zemljine. Pluton ne spada ni u vrstu stjenovitih, unutrašnjih planeta ni u skupinu vanjskih plinovitih divova. Ovaj svijet, koji još nisu izbliza ispitale svemirske letjelice sa Zemlje, sličan je divovskom kometu od mješavine kamena i leda. Kometi, koji u promjeru obično imaju između 8 i 80 kilometara, za razliku od 3200 kilometara koliko ima Pluton, spadaju među prve krupnije gromade materije koje su nastale u ranom Sunčevom sustavu; glede starosti, rivali su im jedino najstariji meteoriti, komadi od kamena, metala ili mješavine kamena i metala koji su pali na površinu Zemlje i koje su kao takve prepoznali stručnjaci koji znaju razlikovati meteorit od običnog vrtnog kamenja. Planeti su, dakle, izgrađeni od materijala vrlo sličnome materijalu kometa i meteorita, pri čemu divovski planeti koriste čvrstu jezgru da privuku i zadrže znatno veće količine plina. Radioaktivno datiranje minerala u meteoritima pokazalo je da je najstariji među njima star 4,55 milijarda godina, što je znatno više od najstarijih stijena nađenih na Mjesecu (4,2 milijarde godina) ili na Zemlji (nešto manje od 4 milijarde godina). Prilikom nastanka Sunčevoga sustava – do čega je, dakle, došlo prije oko 4,55 milijarda godina – planeti su se razdvojili u dvije skupine: razmjerno male i čvrste unutrašnje svjetove i znatno veće i masivnije, uglavnom plinovite divove. Četiri unutrašnja planeta kruže oko Sunca na udaljenostima od 0,37 do 1,52 Zemljine udaljenosti od Sunca, dok su četiri plinovita diva znatno udaljenija, u rasponu od 5,2 do 30 Zemljinih udaljenosti od Sunca, što im je i omogućilo da budu divovski. Ovaj opis nastanka Sunčevih planeta toliko je skladan da je u izvjesnom smislu šteta što smo nedavno našli toliko primjera tijela po masi
sličnih Jupiteru, ali i na stazama znatno bliže matičnoj zvijezdi od Jupitera. Štoviše, upravo zato što su sve egzosolarni planeti koji su prvi otkriveni bili vrlo malo udaljeni od matičnih zvijezda, zakratko se stekao dojam da je naš Sunčev sustav izuzetak, a ne tipičan model planetnih sustava, razrađen u vrijeme kada teoretičari nisu imali nijedan drugi primjer na kojem bi temeljili svoje zaključke. Zavladalo je olakšanje kada su shvaćene okolnosti koje su dovele do toga da razmjerno lako budu otkriveni planeti ponajprije u blizini zvijezda, a uskoro su duža i preciznija promatranja ukazala na postojanje plinovitih planeta i na znatno većim udaljenostima od matičnih sunaca. Popis egzosolarnih planeta, napravljen prema njihovoj udaljenosti od matične zvijezde, počinje ranije opisanim primjerom svijeta čija “godina” traje samo 2,5 dana, a završava se, poslije znatno više od dvije stotine imena, planetom iz sustava zvijezde 55 Cancri koja je najmanje četiri puta masivniji od Jupitera i obiđe svoje sunce jednom u 13,7 godina. Na temelju ovog perioda kruženja astrofizičari su izračunali da je udaljenost tog planeta od matičnoga sunca 5,9 udaljenosti Zemlje od Sunca, odnosno 1,14 udaljenosti Jupitera od naše zvijezde. Ovo je prvi otkriveni egzosolarni planet udaljeniji od lokalnoga sunca nego Jupiter, pa bi se reklo i da je ovo prvi sustav približno sličan Sunčevom, barem glede zvijezde i njenog najvećeg planeta. Nije, međutim, tako. Planet koja kruži oko zvijezde 55 Cancri na 5,9 Zemljinih udaljenosti od Sunca nije prvi nego treći otkriven u ovom sustavu. Astronomi su u međuvremenu sakupili dovoljno podataka i vrlo su se uvježbali u tumačenju Dopplerovih pomaka, tako da sada mogu otkriti složeni ples zvijezda izazvan utjecajem dva ili više planeta. Svaki planet nameće zvijezdi ples u svome ritmu, pri čemu razdoblje ponavljanja odgovara veličini planetne staze oko zvijezde. Promatrajući dovoljno dugo i koristeći računalne programe za složena proračunavanja, lovci na planete mogu u ukupnom plesu zvijezde izdvojiti udio svakog od njenih planeta. Kod 55 Cancri, neuočljive zvijezde zviježđa Rak, već su našli dva bliska planeta, s ophodnim vremenima od 42 dana, odnosno 89 dana i minimalnim masama od 0,84, odnosno 0,21 Jupiterove. Planet s minimalnom masom od “samo” 0,21 Jupiterovu (67 Zemljinih) ubraja se među najmanje masivne koji su do sada otkriveni; rekord drži egzosolarni planet sa samo 35 Zemljinih masa – što je i dalje znatno masivnije od našeg planeta, no samo je pitanje vremena kad će otkriti neku Zemljinu sestru.
Ma koliko ga pokušavali zaobići, ne možemo izbjeći problem koji se javlja kod planeta koje kruže oko 55 Cancri i drugih, a to je zašto i kako mnogi egzosolarni planeti, s masama sličnima Jupiterovoj, kruže oko matičnih zvijezda na nevjerojatno malim udaljenostima. Nijedan planet Jupiterove mase ne može nastati, reći će vam stručnjaci, na manjoj udaljenosti od zvijezde slične Suncu nego što je trostruka ili četverostruka udaljenost Zemlje od Sunca. Ako pretpostavimo da egzosolarni planeti poštuju ovo pravilo, onda su se vjerojatno nekako znatno primaknuli nakon što su bili nastali. Ako je ispravan, ovaj zaključak otvara barem tri goruća pitanja: 1. Što je navelo ove planete da se premjeste na manje staze nakon što su jednom nastali? 2. Što ih je spriječilo da nastave približavanje, sve dok ne bi nestali u matičnoj zvijezdi? 3. Zašto se ovo dogodilo u mnogim drugim planetnim sustavima, ali ne i u našem? Odgovore na ova pitanja pružili su nadareni umovi nadahnuti otkrićem egzosolarnih planeta. Evo kako bi u sažetom obliku izgledao scenarij stručnjacima najdraži: 1. “Migracija planeta” dogodila se zato što su značajne količine materijala zaostalog iz procesa nastanka sustava nastavile kružiti oko zvijezde na stazama novostvorenih divovskih planeta. Gravitacija velikih planeta sustavno je, po načelu praćke, odbacivala ovaj materijal prema daljim stazama, a planeti su se po zakonu akcije - reakcije pomicali bliže. 2. Kad su se planeti značajno približili zvijezdi u odnosu na položaj na kojem su nastali, plimne sile matičnoga sunca blokirale su ih u mjestu. Ove sile, usporedive s plimnim silama Sunca i Mjeseca koje podižu plime u oceanima Zemlje, dovele su do toga da se razdoblje trajanje vrtnje planeta oko vlastite osi izjednači s trajanjem kruženja oko matične zvijezde, kao što se dogodilo s Mjesecom pod utjecajem plimnih sila sa Zemlje. One su također spriječile dalje približavanje planeta zvijezdi zbog razloga koji zahtijeva opsežnu primjenu nebeske mehanike, tako da se u to ovdje ne možemo upuštati. 3. Čini se da je slučaj odredio koji će planetni sustavi nastati s velikim viškom materijala koji može dovesti do premještanja planeta, a koji s malim, poput našeg, tako da ti planeti ostaju na mjestima gdje su nastali. Kod sustava 55 Cancri, moguće je da su se sva tri otkrivena planeta
značajno pomaknuli prema zvijezdi, pri čemu je sada najudaljeniji planet nastao na višestruko većoj udaljenosti od sadašnje. Ili je možda količina materijala koja je postojala unutar staze ovog planeta, u odnosu na količinu izvan staze, dovela do značajnog premještanja dvaju unutrašnjih svjetova, dok je treći ostao na svojoj prvobitnoj stazi. Još ima posla koji treba obaviti, umjereno rečeno, prije no što astrofizičari budu mogli reći da su objasnili kako oko zvijezda nastaju planetni sustavi. U međuvremenu, lovci na egzosolarne planete ne odustaju od svog sna da pronađu Zemljinu blizanku, planet sličan našemu po veličine, masi i udaljenosti staze od matične zvijezde. Kada i ako otkriju takav planet, nadaju se da će ga moći ispitati – čak i s udaljenosti od nekoliko desetaka svjetlosnih godina – dovoljno dobro da ustanove ima li atmosferu i oceane slične Zemljinim, kao i to postoji li na njemu život. U potrazi za ovim snom, astronomi su svjesni da su im nužno potrebni instrumenti koji bi se nalazili na stazi iznad atmosfere. Cilj jednog NASA-inog projekta – Kepler – je promatranje na stotina tisuća obližnjih zvijezda da se uoči malo slabljenje zvjezdane svjetlosti (oko stoti dio jednog postotka) izazvano prolaskom nekog planeta veličine Zemlje preko doglednice između nas i njegove matičnom zvijezdom. Planet bi dakle, neznatno “pomračio” zvijezdu. Ovo istraživanje može biti plodotvorno samo u onim rijetkim slučajevima kada se naša doglednica nalazi točno u ravnini kruženja planeta; tada bi vremenski razmak između dva prolaza planeta bio jednak njegovom ophodnom vremenu, a ovaj bi nam rekao koliko je udaljen od zvijezde, dok bi iznos slabljenja zvjezdane svjetlosti otkrio koliko je planet velik. No, ako želimo otkriti i nešto više osim osnovnih fizičkih osobina planeta, moramo ga nekako neposredno vidjeti i proučiti spektar njegove svjetlosti. NASA i ESA (Europska svemirska agencija) već su otpočele programe da se ovaj cilj ostvari u dvadesetak godina. Vidjeti planet sličan Zemlji, makar samo kao plavu točkicu uz znatno blistaviju matičnu zvijezdu, moglo bi dati nadahnuće novoj generaciji pjesnika, fizičara i političara. Spektralna analiza svjetlost tog planeta, čime bi se ustanovilo je li njegova atmosfera sadrži kisik (što bi vjerojatno ukazalo na postojanje života) ili kisik plus metan (gotovo siguran znak života) – bio bi to podvig koji su bardovi davno opjevali, uzdigavši obične smrtnike u junake svih vremena. Tada bismo se našli licem u lice (kao što je F. Scott Fitzgerald napisao u Velikom Gatsbyju) s nečim mjerljivim čovjekovoj sposobnosti divljenja. Za one koji sanjaju o otkriću života drugdje u svemiru napisan je
završni dio naše knjige.
PETI DIO Postanak Života
14. ŽIVOT U SVEMIRU Razmatranje niza postanaka dovelo nas je, kao što smo očekivali, do nama najbliže i vjerojatno najveće tajne: nastanka života, a posebno oblika života s kojima bismo jednoga dana mogli stupiti u vezu. Ljudi su se stoljećima pitali kako bismo mogli pronaći druga razumna stvorenja u svemiru s kojima bismo mogli uživati makar u skromnoj konverzaciji prije no što prijeđemo u povijest svemira. Ključni tragovi za rješenje ove zagonetke možda će nam se pokazati pri otkrivanju nacrta našeg vlastitog početka, koji obuhvaća nastanak Zemlje kao člana Sunčeve obitelji planeta, nastanak zvijezda koje osiguravaju energiju za život, nastanak većih struktura u svemiru, kao i nastanak i razvoj samog svemira. Kad bismo samo mogli ovaj nacrt detaljno čitati, on bi nas vodio od najvećih do najmanjih astronomskih situacija, od neograničenog svemira do pojedinačnih mjesta na kojima bi razni oblici života mogli napredovati i razvijati se. Kad bismo mogli usporediti različite oblike života koji nastaju pod različitim okolnostima, mogli bismo shvatiti pravila po kojima život počinje, i općenito u svemiru, i u okviru pojedinih svemirskih prilika. Danas poznamo samo jedan oblik života: život na Zemlji koji vodi zajedničko podrijetlo i koristi molekule DNK kao temeljno sredstvo za razmnožavanje. Ne poznamo ni jedan jedini primjerak izvanzemaljskog života, pa nas ta činjenica ograničava u zaključivanju o mogućim raznolikostima života u svemiru. Morat ćemo te zaključke odgoditi do dana kad počnemo otkrivati život izvan našeg planeta. No, prilike su mogle biti i lošije. Mnogo toga znamo o povijesti života na našem planetu i iz tog znanja moramo pokušati izvesti temeljna načela o životu u svemiru. Oslanjajući se na ta znanja, onoliko koliko to možemo, saznajemo kada i gdje svemir daje, odnosno kada je i gdje davao, ono što je nužno potrebno za nastanak života. U svim nastojanjima da zamislimo život izvan Zemlje, moramo strogo voditi računa o tome da ne upadnemo u zamku antropomorfističkog razmišljanja, da ne podlegnemo prirodnoj sklonosti da izvanzemaljske oblike života zamislimo kao vrlo slične našemu. Ovaj posve ljudski stav, ponikao iz naših evolucijskih i osobnih iskustava na Zemlji, ograničava nam imaginaciju kad pokušavamo
zamisliti koliko bi se život na drugim svjetovima mogao razlikovati. Jedino biolozi koji su dobro upoznati s nevjerojatnu raznolikošću zemaljskih oblika života smiju se upustiti u zamišljanje mogućeg izgleda izvanzemaljskih bića. Njihova neobičnost gotovo sigurno je izvan onoga što mogu izmaštati ljudi. Jednoga dana – možda dogodine, možda tijekom ovog stoljeća, a možda znatno kasnije – ili ćemo otkriti život izvan Zemlje ili ćemo sakupiti dovoljno podataka da zaključimo da su u pravu neki suvremeni znanstvenici koji smatraju da je život na našem planetu jedinstvena pojavu u našoj Galaktici. U ovom trenutku, nedostatak pravih informacija dopušta nam da razmotrimo vrlo široku lepezu mogućnosti: mogli bismo pronaći život na više tijela u Sunčevom sustavu, što bi podrazumijevalo da život vjerojatno postoji u milijardama sličnih planetnih sustava u Galaktici. Ili se može pokazati da u Sunčevom sustavu života ima jedino na Zemlji, što bi za sada ostavilo otvorenim pitanje postojanja života oko drugih zvijezda. Moguće je također da ćemo na kraju ustanoviti da života nema ni u jednom drugom zvjezdanom sustavu, koliko god daleko tragali za njim. U potrazi za životom u svemiru, baš kao i u drugim područjima, optimizam se napaja pozitivnim rezultatima, dok negativni rezultati jačaju pesimistička viđenja. Najnovije informacije koje se odnose na izglede za postojanje izvanzemaljskog života – otkriće da planeta kruže oko mnogih zvijezda u Sunčevom susjedstvu – kao da idu u prilog optimističkom zaključku da će se pokazati da je život prilično rasprostranjen u Galaktici. No, treba odgovoriti još na puno pitanja prije no što ovaj zaključak postane stvarno utemeljen. Ako, na primjer, planeta doista ima mnogo, ali gotovo nijedan ne pruža uvjete pogodne za život, onda će prevagnuti pesimističko viđenje mogućnosti postojanja izvanzemaljskog života. Znanstvenici koji se bave ispitivanjem mogućnosti postojanja izvanzemaljskog života često se pozivaju na Drakeovu jednadžbu, nazvanu tako po Franku Drakeu, američkom astronomu koji je došao do nje tijekom šezdesetih godina prošloga stoljeća. Drakeova jednadžba više je korisno sredstvo nego strog iskaz o tome kako fizički svemir djeluje. Jednadžba zgodno organizira naše znanje i neznanje, razlažući nepoznanicu koju želimo dokučiti – broj mjesta na kojima razumni život sada postoji u svemiru – na niz veličina, od kojih svaka opisuje po jedan potreban uvjet za inteligentan život. Evo ovih veličina: (1) broj zvijezda u Galaktici koje traju dovoljno dugo da bi se na njihovim planetima mogao razviti inteligentni život; (2) prosječni broj planeta u sustavu svake ovakve
zvijezde; (3) postotak planeta na kojima vladaju uvjeti pogodni za život; (4) vjerojatnost da se život doista pojavio na pogodnim planetima; (5) izgledi da se život toliko razvio da je proizveo civilizirani oblik, pod čime astronomi uglavnom podrazumijevaju život koji je u stanju komunicirati s nama. Kada pomnožimo ovih pet veličina, dobivamo broj planeta u Galaktici na kojima se u nekom periodu njihovog postojanja nalazila civilizacija. Da bi se iz Drakeove jednadžbe dobio broj za kojim tragamo – broj civilizacija koje postoje u nekom određenom vremenu kao što je ovo sada – nužno je da dobiveni umnožak pomnožimo šestom, posljednjom veličinom, kvocijentom prosječnog životnog vijeka neke civilizacija i ukupnog vremena postojanja Galaktike (oko 10 milijarda godina). Za svaku od šest veličina iz Drakeove jednadžbe potrebna su znanja iz astronomije, biologije i sociologije. Danas raspolažemo dobrim procjenama prve dvije veličine iz jednadžbe, a uskoro bismo mogli doći do dobre procjene treće. No da bismo došli do četvrte i pete veličina – vjerojatnost da će se život javiti na planetu s pogodnim uvjetima i vjerojatnost da će se on razviti u civiliziran život – moramo otkriti i ispitati razne oblike života diljem Galaktike. U ovom trenutku, nagađanja laika o ovim veličinama nimalo ne zaostaju za procjenama stručnjaka. Kolika je vjerojatnost, na primjer, da će život, ako na planetu i postoje pogodni uvjeti za njega, doista ondje i nastati? Znanstveni pristup ovom pitanju vapi za proučavanjem što većeg broja planeta pogodnih za život tijekom nekoliko milijarda godina da bi se ustanovilo na koliko će njih doista nastati život. Isto tako, svaki pokušaj da se odredi prosječno trajanje civilizacije u Galaktici podrazumijeva nekoliko milijarda godina promatranja, kad smo jednom pronašli dovoljno veliki broj civilizacija da posluže kao reprezentativni uzorak. Nije li ovo beznadni zadatak? Potpuno rješenje Drakeove jednadžbe doista leži u beskonačno dalekoj budućnosti – osim ako ne sretnemo druge civilizacije koje su je već riješile, koristeći možda i nas kao dio podatkovnog uzorka. Jednadžba je, međutim, ipak korisna da bi se raščlanilo što je sve potrebno za procjenu broja civilizacija koje možda sada postoje u Galaktici. Šest veličina iz Drakeove jednadžbe djeluju matematički na isti način na konačni rezultat: on je umnožak svih njih. Ako, na primjer, pretpostavimo da se na svakom trećem planetu pogodnom za život on doista i razvio, dok kasnija istraživanja ustanove da to vrijedi tek za svaki trideseti, onda ste precijenili broj civilizacija 10 puta, pod uvjetom da su procjene svih drugih vrijednosti točne.
Sudeći po onome što trenutno znamo, prve tri veličine iz Drakeove jednadžbe ukazuju na to da u Galaktici postoje na milijarde potencijalnih staništa života. (Ograničavamo se na našu Mliječnu stazu iz skromnosti, ali i iz shvaćanja da bi civilizacijama iz drugih galaktika bilo znatno teže stupiti u kontakt s nama, kao i obrnuto.) Ako to želite, slobodno se upustite u raspravu s prijateljima, članovima obitelji i kolegama o preostale tri veličine na temelju kojih ćete sami procijeniti koliki je broj tehnološki razvijenih civilizacija u Galaktici. Ako smatrate, na primjer, da se na većini planeta pogodnih za život život doista i događa, a zatim da se na većini planeta sa životom razvijaju civilizacije, doći ćete do zaključka da na milijardama planeta u Galaktici postoji civilizacija u nekom dijelu vremena njihovog postojanja. Ako, međutim, mislite da tek svaki tisućiti planet uspijeva iznjedriti život, a da se inteligentni život rađa tek na svakom tisućitom među ovima, na kraju ćete imati samo tisuće, a ne više milijarde, planeta na kojima postoji civilizacija. Znači li ovaj ogroman raspon mogućnosti – koji može biti i širi nego u primjeru ovdje – da je Drakeova jednadžba plod pukog, nesputanog špekuliranja, a ne znanosti? Nipošto. Ovakav rezultat jednostavno svjedoči o ogromnim poteškoćama s kojima su suočeni znanstvenici, kao i bilo tko drugi, u nastojanju da dođu do odgovara na izuzetno složeno pitanje na temelju krajnje siromašnog znanja. Prepreke na koje nailazimo u procijeni posljednje tri veličine iz Drakeove jednadžbe naglašavaju poteškoću u koju upadamo kad god izvodimo neko uopćavanje samo na temelju jednog primjera – ili čak i bez njega. Nalazimo se pred zadatkom, na primjer, da procijenimo prosječan životni vijek civilizacija u Galaktici, a ne znamo ni koliko će naša trajati. Treba li pod takvim okolnostima potpuno izgubiti vjeru u sposobnost procjenjivanja ovih vrijednosti? Time bi se samo naglasilo naše neznanje, a ostali bismo bez uživanja koje nalazimo u razmišljanju. Ako, u nedostatku podataka ili dogme, želimo razmišljati suzdržano, najsigurnije ćemo postupiti (premda se i to na kraju može pokazati kao pogrešno) ako pretpostavimo da ni u čemu nismo posebni. Astronomi ovu pretpostavku nazivaju “kopernikansko načelo”, prema Nikoli Koperniku koji je sredinom šesnaestoga stoljeća postavio Sunce u središte našeg planetnog sustava, što se pokazalo točnim. Iako je još u trećem stoljeću p. n. e. grčki filozof i astronom Aristarh iznio pretpostavku da se u središtu svemira nalazi Sunce, tijekom najvećega dijela posljednja dva tisućljeća prevladavalo je opće uvjerenje da je na tom povlaštenom položaju
smještena Zemlja. Ozakonjena učenjima Aristotela i Ptolemeja, kao i autoritetom rimokatoličke crkve, ova dogma navodila je većinu Europljana da prihvate Zemlju kao središte sveukupnoga postojanja. Ovo mora da je izgledalo očito na temelju promatranja nebeskoga svoda, kao i prirodno kao djelo Božjeg plana o našem planetu. Čak i danas, golem dio ljudske populacije – svakako značajna većina – i dalje u to vjeruje zbog činjenice da Zemlja prividno miruje, dok se nebeski svod okreće oko nas. Iako nema jamstva da će kopernikansko načelo biti siguran vodič u svim znanstvenim istraživanjima, ono je korisna protuteža našoj prirodnoj sklonosti da o sebi mislimo kao da smo posebni. Još je značajnije to što se ovo načelo pokazalo vrlo uspješno do sada, određujući nam pravu mjeru u svakoj situaciji: Zemlja se ne nalazi u središtu Sunčevoga sustava, niti je Sunčev sustav u središtu Galaktike, a ni Galaktika nije u središtu svemira. A ako mislite da je rub neko posebno mjesto, također nismo ni na kakvom rubu. Danas je mudro pretpostaviti da kopernikansko načelo vrijedi i za život na Zemlji. Ako je tako, kako onda život na Zemlji, njegov nastanak, njegovi sastojci i ustroj mogu biti od bilo kakve koristi u razmišljanjima o životu drugdje u svemiru? U pokušaju odgovaranja na ovo pitanje, moramo sažeti ogromnu količinu bioloških informacija. Na svaki astronomski podatak pribavljen dugotrajnim promatranjima vrlo udaljenih objekata dolazi na tisuće utvrđenih bioloških činjenica. Svi mi, a posebice biolozi, svakoga smo dana zadivljeni raznovrsnošću života. Na našem planetu jedni uz druge postoje (među bezbroj drugih oblika života) alge, kukci, spužve, meduze, zmije, kondori i divovske sekvoje. Zamislite ovih sedam živih organizama poredanih po veličini. Kad ne biste znalo da su to sve zemaljski stvorovi, lako biste pomislili da sve oni ne potječu iz istog svemira, a pogotovo ne s istog planeta. Pokušajte opisati zmiju nekome tko je nikada nije vidio: “Morate mi vjerovati. Upravo sam na planetu Zemlji vidio životinju koja (1) nalazi plijen infracrvenim detektorima, (2) uspijeva progutati živu životinju koja je čak do pet puta veća od njezine glave, (3) nema ni ruke ni noge niti bilo kakve udove, pa ipak (4) može se kretati po ravnom tlu gotovo podjednako brzo kao što vi hodate!” Nasuprot nevjerojatnoj raznovrsnosti života na Zemlji, ograničena maštovitost holivudskih scenarista o stranim oblicima života jednostavno je sramna. Scenaristi, doduše, vjerojatno svaljuju krivnju na gledatelje koji više vole poznate izvanzemaljske osvajače od onih koji bi bili doista strani. Uz samo nekoliko značajnih izuzetaka, kakvi su oblici života koji se
javljaju u filmovima Gruda (1958) i Odiseja u svemiru 2001., svi holivudski izvanzemaljci izgledaju uočljivo humanoidni. Ma koliko bili ružni (ili lijepi), gotovo svi imaju dva oka, nos, usta, dva uha, glavu, vrat, ramena, ruke, šake, prste, torzo, dvije noge, dva stopala – i mogu hodati. U anatomskom pogledu ova stvorenja praktički se ne razliku od ljudi, ali se ipak pretpostavlja da potječu s drugih planeta, da su proizvod potpuno neovisne evolucije. Teško se može zamisliti veće kršenje kopernikanskog načela. Astrobiologija – proučavanje mogućnosti postojanja izvanzemaljskog života – jedna je od najspekulativnijih znanstvenih disciplina, ali astrobiolozi su već sa sigurnošću ustanovili da će strani život u svemiru, bio razuman ili ne, nesumnjivo biti barem toliko egzotičan kao i neki zemaljski oblici života, a vjerojatno i znatno više. Kada procjenjujemo izglede za postojanje života drugdje u svemiru, moramo nastojati izbaciti iz glave holivudske predodžbe o njemu. To nije lako, ali je od bitne važnosti ako želimo doći do znanstvenih, a ne emocionalnih procjena izgleda da nađemo stvorenja s kojima bismo jednoga dana mogli u miru razgovarati.
15. POSTANAK ŽIVOTA NA ZEMLJI Potraga za životom u svemiru počinje dubokim pitanjem: što je život? Astrobiolozi će vam pošteno priznati da ne postoji jednostavan i opće prihvaćen odgovor. Nema mnogo koristi od toga ako kažemo da ćemo ga već prepoznati kad ga vidimo. Koje god osobine naveli po kojima se razlikuje živa od nežive materije na Zemlji, uvijek možemo naći primjer koji zamućuje ili poništava to razlikovanje. Neka ili sva živa stvorenja rastu, kreću se ili raspadaju, ali to vrijedi i za objekte koje nikada ne bismo nazvali živima. Da li se život umnožava? To čini i vatra. Da li se život razvija, stvarajući nove oblike? Isto vrijedi i za izvjesne kristale koji rastu u vodenoj otopini. Svakako se može reći da ćete prepoznati neke oblike života kada ih vidite – tko ne bi prepoznao živog stvora u lososu ili orlu – ali svatko tko poznaje raznovrsnost oblika života na Zemlji priznat će da su mnoga stvorenja ostala nepoznata sve dok splet sretnih okolnosti i vješto oko stručnjaka nisu otkrili da je riječ o životu. Budući da je život kratak, moramo nastaviti bez puno udubljivanja u pojedinosti, s provizornom definicijom života. Život se sastoji iz skupa objekata koji se mogu umnožavati i razvijati. Nećemo nazvati neku skupinu objekata živom samo po tome što može praviti kopije same sebe. Također, da bi bili nazvani živima, moraju se, tijekom vremena, razvijati u nove oblike. Ovom definicijom isključena je mogućnost da se zaključak o životu donese samo na temelju nekog pojedinačnog objekta. Umjesto toga, potrebno je ispitati množinu objekata u prostoru i pratiti ih kroz neko vrijeme. I za ovu definiciju života može se pokazati da je ograničavajuća, ali za sada ćemo se osloniti na nju. Ispitujući razne tipove života na našem planetu, biolozi su ustanovili jedno njegovo opće svojstvo. Tvar u svakom živom stvorenju našeg planeta sastoji se najvećim dijelom od samo četiri kemijska elementa: vodika, kisika, ugljika i dušika. Na sve ostale elemente zajedno, osim velike četvorke, otpada oko jedan posto mase bilo kojeg živog organizma. Među ove ostale elemente spadaju kalcij i fosfor, pogotovo kod viših životinja (kralježnjaka), te još manje količine sumpora, natrija, magnezija, klora, kalija, željeza, te još manje količine niza drugih, poput joda, bakra,
selenija itd. Ali možemo li zaključiti da ovo elementarno svojstvo života na Zemlji mora vrijediti i za druge oblike života u svemiru? Ovdje možemo u punoj snazi primijeniti kopernikansko načelo. Četiri elementa iz kojih se sastoji najveći dio zemaljskih stvorenja nalaze se na popisu šest najrasprostranjenijih elemenata u svemiru. Kako se preostala dva elementa s ovog popisa, helij i neon, gotovo nikad ne ulaze u kemijske veze, život na Zemlji izgrađen je od četiri najzastupljenija i najaktivnija elementa svemira. Od svih predviđanja koja možemo dati o životu na drugim svjetovima najsigurnije je da će se i on sastojati od gotovo istih elemenata kao i život na Zemlji. Da je život na našem planetu građen prvenstveno od neka četiri izuzetno rijetka elementa u svemiru, kao što su, na primjer, niobij, bizmut, galij i plutonij, imali bismo odličan povod za pretpostavku da smo nešto posebno u svemiru. Umjesto toga, kemijski sastav života na našem planetu upućuje nas na optimističko viđenje mogućnosti postojanje života izvan Zemlje. Sastav života na Zemlji još je više u suglasnosti s kopernikanskim načelom nego što to na prvi pogled može izgledati. Kada bismo živjeli na planetu građenom prvenstveno od vodika, kisika, ugljika i dušika, onda nas ne bi previše iznenadila okolnost da se i sami sastojimo u najvećem dijelu od ova četiri elementa. Ali Zemlja je uglavnom izgrađena od kisika, željeza, nikla, silicija i magnezija, dok u sastav površinskoga dijela, kore, uglavnom ulaze kisik, silicij, aluminij i željezo. Samo jedan od ovih elemenata, kisik, jedan je od velike četvorke života. Kad gledamo Zemljine oceane, koji se gotovo potpuno sastoje od vodika i kisika, onda je iznenađujuće da u sastav života najvećim dijelom ulaze ugljik i dušik, a ne recimo klor, natrij, sumpor, kalcij ili kalij, kojih je najviše u morskoj vodi. Zastupljenost elemenata u zemaljskom životu znatno više odgovara sastavu zvijezda nego sastavu našeg planeta. Kao rezultat toga, elementi života znatno su rasprostranjeniji u svemiru nego na Zemlji – što je dobra polazna osnova za one koji se nadaju da će naći život na mnoštvu mjesta. Nakon što smo ustanovili da sirovina života ima u izobilju u čitavom svemiru, otvara se novo pitanje: koliko često ove sirovine, udružene s pogodnim mjestom za okupljanje i prikladnim izvorom energije kao što je neka obližnja zvijezda, mogu dovesti do nastanka života? Jednoga dana, nakon što dobro ispitamo moguća staništa života u Sunčevom sustavu, doći ćemo do zadovoljavajućeg odgovora na ovo pitanje. Dok, međutim, ne pribavimo te podatke, morat ćemo pokušati doći do odgovora zaobilaznim
putem. A prvi korak na ovom putu je pitanje: kako je život počeo na Zemlji? Nastanak života na Zemlji zaodjenut je neprozirnim velom neizvjesnosti. Naše neznanje o prapočetcima života posljedica je velikim dijelom činjenice da su se događaji koji su neživu materiju potakli da postane živom zbili prije nekoliko milijarda godina, ne ostavivši za sobom nikakvoga traga. Za razdoblja starija od 4 milijarde godina u prošlost ne postoje fosilni i geološki nalazi. Većina paleobiologa, stručnjaka za rekonstruiranje života koji je postojao tijekom davnih epoha, smatra da se život pojavio na našem planetu između 4,6 i 4 milijarde godina, to jest tijekom prvih 600 milijuna godina nakon nastanka Sunca i planeta. Krivac za nepostojanje bilo kakvih geoloških rezultata iz vremena od prije više od 4 milijarde godina je kretanje Zemljine kore koje se popularno naziva putovanje kontinenata, dok je znanstveni naziv ove pojave tektonika ploča. Ova kretanja, izazvana toplinom Zemljine unutrašnjosti, stalno dovode dijelove planetne kore u sudaranje, podvlačenje ili uspinjanje jednih preko drugih. Tektonika ploča malo-pomalo je zatrpala sve što se nekada nalazilo na površini Zemlje. Kao posljedica toga, imamo samo rijetke primjerke stijena starijih od 2 milijarde godina, a nijedan čija bi starost prešla 3,8 milijarda godina. Ova okolnost, kao i razložan zaključak da su prvi najjednostavniji oblici života imali malo izgleda da ostave za sobom fosilne ostatke, ostavila je naš planet bez sigurnih dokaza o životu iz prvih milijardu do dvije milijarde godina Zemljine povijesti. Najstariji neosporni dokaz o životu na Zemlji star je “samo” 2,7 milijarda godina, uz neke posredne pokazatelje da je život postojao i više od milijardu godina prije toga. Većina paleobiologa uvjerena je da se život morao pojaviti na Zemlji prije najmanje 3 milijarde godina, a vjerojatno i prije 4 milijarde godina, tijekom prvih 600 milijuna godina nakon nastanka našeg planeta. Njihov zaključak temelji se na osnovanim pretpostavkama o primitivnim organizmima. Prije nešto manje od 3 milijarde godina značajne količine kisika počele su se pojavljivati u Zemljinoj atmosferi. To nam je poznato na temelju geoloških rezultata posve neovisnih od bilo kakvih fosilnih ostataka: kisik, naime, izaziva laganu pojavu hrđe na stijenama bogatim željezom, koja stvara ljupke crvene preljeve, poput onih u stijenju Velikoga Kanjona u Arizoni. Stijene iz razdoblja prije kisika uopće nisu takve boje niti pokazuju druge znakove postojanja ovoga elementa.
Pojava atmosferskoga kisika najveće je zagađenje koje se ikada dogodilo na Zemlji. Atmosferski kisik ne ograničava se samo na to da djeluje na željezo; on također uzima hranu iz (metaforičkih) usta primitivnih organizama tako što se povezuje sa svim jednostavnim molekulama kojima bi se inače oni hranili. Pojava kisika u Zemljinoj atmosferi značila je stoga da se svi oblici života moraju ili prilagoditi novim uvjetima ili izumrijeti. Također, da se život tada već nije pojavio, više to ne bi bilo moguće zato što potencijalni organizmi ne bi imali što jesti, budući da bi njihova moguća hrana zahrđala. Evolucijsko prilagođavanje na ovo zagađenje u mnogo slučajeva dobro je prošlo, kao što to mogu posvjedočiti sve životinje koje dišu kisik. Od koristi je bilo i skrivanje od kisika. Sve do danas, u crijevima svake životinje, računajući tu i ljude, nalazi se sklonište za milijarde organizama koji uspijevaju u anaerobnoj sredini što tamo vlada, dok bi, izloženi zraku, skončali istog trena. Kako to da je Zemljina atmosfera postala razmjerno bogata kisikom? Glavnina ovog plina došla je iz sićušnih organizama koji su plutali morskom površinom, ispuštajući kisik kao dio svog procesa fotosinteze. Nešto kisika pojavilo bi se istina i bez postojanja tih organizama, budući da je ultraljubičasta svjetlost sa Sunca razlagala nešto molekula H2O na površini oceana, oslobađajući atome vodika i kisika u zrak. Kad god se na nekom planetu nalaze značajne količine tekuće vode izložene svjetlosti, njegova atmosfera obogaćuje se kisikom, lagano ali postojano, tijekom stotina milijuna ili milijardi godina. Atmosferski kisik spriječio bi nastanak života vezujući se za sve što može poslužiti kao hrana životu. Kisik ubija! Ovo svojstvo osmog elementa u periodnom sustavu ne vrijedi, doduše, za nas, ali on je neosporno poguban za život diljem svemira. Život mora početi rano u povijesti planeta; ako do toga ne dođe, gomilanje kisika u atmosferi onemogućit će njegovu pojavu. Neobičnom igrom slučaja, u epohi koja nedostaje u geološkim nalazima ne samo što je nastao život nego je to bilo i vrijeme bombardiranja iz svemira tijekom kritičnih prvih nekoliko stotina milijuna godina nakon stvaranja Zemlje. Svi dijelovi našega planeta tada su bili izloženi neprekidnoj kiši većih ili manjih tijela. Tijekom tih nekoliko stotina milijuna godina gromade velike poput one koja je napravila meteorski krater u Arizoni pogađale su Zemlju mnogo puta u jednom stoljeću, dok su još veća tijela, promjera više kilometara, udarala u naš planet svakih nekoliko tisuća godina. Ovi veliki udari izazvali bi lokalno
preoblikovanje površine, te bi tako stotinu tisuća udara dovelo do globalnih topografskih promjena. Kakvog je utjecaja bombardiranje iz svemira imalo na nastanak života? Prema mišljenju biologa, ono je poticalo i pojavu ali i nestanak života na Zemlji, ne samo jednom nego više puta. Glavnina materijala koji je stizao na Zemlju u razdoblju bombardiranja otpadao je na komete koji su u zapravo velike snježne grude prošarane komadima stijenja i prljavštine. Kometni “snijeg” sastoji se od smrznute vode i smrznutog ugljikovog dioksida, koji se popularno naziva suhi led. Osim snijega, kamenja i gromada bogatih mineralima i metalima, kometi koji su bombardirali Zemlju tijekom njezinih prvih nekoliko stotina milijuna godina sadržavali su i mnoge različite vrste malih molekula, kao što su metan, amonijak, metil-alkohol, vodikov cijanid i formaldehid. Ove molekule, udružene s vodom, ugljikovim monoksidom i ugljikovim dioksidom, su sirovine života. Sve se oni sastoje od vodika, ugljika, dušika i kisika i sve su polazišne sirovine za izgradnju složenih molekula. Kometno bombardiranje dalo je dakle Zemlji nešto vode za njene oceane, kao i građu iz koje je mogao niknuti život. A i sâm život mogao je stići u ovim kometima, iako njihova niska temperatura priječi tvorbu doista složenih molekula. No, bez obzira na to je li život stigao ili nije s kometima, najveća svemirska tijela koja su padala po Zemlji u to vrijeme bombardiranja mogla su potpuno uništiti život koji se možda bio začeo na našem planetu. Život je mogao početi, barem u najjednostavnijim oblicima, više puta, pri čemu bi svaki novi skup organizama opstao stotinama tisuća, pa čak i milijunima godina, sve dok ga udar nekog izrazito krupnog tijela ne bi zbrisao; zatim bi se opet pojavio, da bi još jednom bio uništen poslije približno istog razdoblja. Zamisao o višekratnom nastajanju života na Zemlji podupiru dvije sigurno utvrđene činjenice. Prije svega, život se pojavio rano, tijekom prve trećine Zemljinog životnog vijeka. Ako je mogao nastati tijekom milijardu godina, možda se to moglo dogoditi i u znatno kraćem razdoblju. Možda je za pojavu života dovoljno ne više od nekoliko milijuna ili desetaka milijuna godina. Drugo, poznato nam je da su sudari velikih tijela sa Zemljom, u razmacima koji se mjere desecima milijuna godina, uništavali glavninu živih vrsta na našem planetu. Najpoznatija ovakva katastrofa, izumiranje koje se zbilo na razmeđu razdoblja krede i tercijara prije 65 milijuna godina, ubilo je dinosaure koji nisu letjeli, kao i ogroman broj drugih vrsta. No, čak i ovaj masovni nestanak zaostaje za onim najvećim
izumiranjem na granici perma i trijasa, prije 252 milijuna godina, kada je stradalo gotovo 90 posto morskih vrsta i 70 posto vrsta kopnenih kralježnjaka. Tada su gljive ostale kao prevladavajući oblik života na kopnu. Masovna istrebljenja na prijelazu iz krede u tercijar i iz perma u trijas nastalo su zbog sudara Zemlje s tijelima koja su u promjeru imala između 15 i 30 kilometara. Geolozi su otkrili ogroman udarni krater star 65 milijuna godina, s geološkim odlikama koje odgovaraju razdoblju između krede i tercijara; krater se prostire sjevernim dijelom poluotoka Yucatan i susjednim morskim dnom. Tragovi velikog kratera koji potječe iz doba između perma i trijasa pronađeni su pokraj sjeverozapadne obale Australije, ali masovna istrebljenja mogli su izazvati i drugi čimbenici, možda dugotrajne vulkanske erupcije. Čak i da nije bilo ničeg drugog osim nestanka dinosaurusa na razmeđu krede i tercijara, bio bi to više nego uvjerljiv pokazatelj koliki opseg štete po život može imati pad nekog kometa ili asteroida. Tijekom razdoblja bombardiranja, Zemlja nije bila izložena samo ovoj vrsti udara; na nju su padala i doista velika tijela promjera od 100, 200, pa čak i 400 kilometara. Pad svakog od ovih tijela vjerojatno je ili potpuno zbrisao život ili ostavio za sobom samo neznatan dio živih organizama, a te katastrofe vjerojatno su se zbivale znatno češće nego što se u relativno novije vrijeme događaju udari tijela od petnaestak kilometara promjera. Na temelju naših sadašnjih znanja is astronomije, biologije, kemije i geologije može se zaključiti da dok je rana Zemlja bila spremna poroditi život, svemirska sredina u kojoj se ona nalazila bila je spremna uništavati ga. Sasvim je vjerojatno da silovito bombardiranje svemirskim materijalom, koji je dio procesa nastanka zvijezda i planeta, upravo sada isto tako uništava život na mnogim mladim svjetovima. Prije više od 4 milijarde godina, glavnina ostataka iz procesa nastanka Sunčevoga sustava već se sudarila s nekim planetom ili se premjestila na staze gdje do sudara nije moglo doći. Kao rezultat toga, naša svemirska okolina postupno se pretvorila iz područja neprekidnog bombardiranja u spokojno područje kakvo je danas. Ovaj mir narušavaju, u razmacima koji se mjere milijunima godina, sudari s tijelima koja su dovoljno velika da zaprijete životu na Zemlji. Možete usporediti nekadašnje i sadašnje opasnosti od udara kad god pogledate puni Mjesec. Divovske ravnice prekrivene lavom koje oblikuju lice “čovjeka na Mjesecu” posljedica su stravičnih sudara od prije 4 milijarde godina, pri kraju razdoblja bombardiranja, dok je krater po imenu Tycho, promjera
oko 88 kilometara, nastao kao posljedica manjeg, ali ipak značajnog, udara koji se zbio ubrzo nakon nestanka dinosaura ni Zemlji. Nije nam poznato je li život već postojao prije 4 milijarde godina, preživjevši prethodno bombardiranje, ili je nastao kad je otpočelo razmjerno mirno razdoblje. Ovim dvjema alternativama obuhvaćena je i mogućnost da su tijela koja su došla iz svemira posijala život na našem planetu, bilo tijekom bombardiranja bilo neposredno nakon njegovog završetka. Ako je život učestalo nastajao i nestajao dok se s neba obrušavao kaos na Zemlju, onda je proces njegovog začetka grub, te se razložno može očekivati da će se zbivati i na drugim svjetovima sličnim našemu. Ako se, pak, život javio na Zemlji samo jednom, kao izvorna pojava ili uvezen iz svemira, njegov nastanak ovdje možda je samo sretni slučaj. Bilo ovako ili onako, za sada nemamo dobar odgovor na ključno pitanje kako je život počeo na Zemlji, bilo samo jednom bilo u više navrata, premda razmišljanja o ovom problemu imaju dugu i zanimljivu povijest. Velika slava čeka onoga tko odgonetne ovu tajnu. Od Adamovog rebra do čudovišta doktora Frankensteina, ljudi su odgovarali na ovo pitanje tako što su uvodili tajanstvenu élan vital ili vis vitalis koja oživljava inače beživotnu materiju. Znanstvenici pokušavaju zaroniti dublje, obavljajući laboratorijske pokuse i proučavajući fosilne ostatke; svrha ovih nastojanja je ustanoviti koliko je visoka prepreka koja razdvaja neživo od živoga i kako ju je priroda ipak uspjela prijeći. Prema ranim znanstvenim objašnjenjima, život je nastao međudjelovanjem jednostavnih molekula u manjim vodenim sredinama, poput onih zaostalih nakon plime, od kojih su se gradile složenije molekule. Godine 1871., nešto više od jednog desetljeća nakon objavljivanja čudesne knjige Postanak vrsta Charlesa Darwina, u kojoj je autor izložio pretpostavku da “vjerojatno sva organska bića koja su ikada živjela na Zemlji vode porijeklo od istog praiskonskog oblika”, Darwin je u pismu prijatelju Josephu Hookeru napisao sljedeće: Često se može čuti da i sada postoje svi uvjeti za prvobitni nastanak živih organizama. Ali čak ako bi (i to, veliki ako) u nekoj toploj bari zaostaloj nakon plime bile prisutne sve vrste amonijačnih i fosfornih soli, svjetlost, toplina, elektricitet i ostalo, tako da se neki proteinski spoj [sic] kemijski već oblikovan podvrgne još složenijim promjenama, u današnje vrijeme ova bi tvar bila u trenu apsorbirana,
što se ne bi dogodilo u vrijeme prije nastanka živih stvorenja. Drugim riječima, u doba kada je Zemlja postala zrela za nastanak života, bilo je u izobilju osnovnih spojeva potrebnih za metabolizam, a nije postojalo ništa što bi ih pojelo (kao ni, što je već istaknuto, kisika koji bi se vezao s njima i tako upropastio izglede da posluže kao hrana). Promatrano iz znanstvenog ugla, ništa nije tako uspješno kao pokus koji se može usporediti sa stvarnošću. Godine 1953., pokušavajući provjeriti Darwinovu zamisao o početku života u barama zaostalim za plimom, Stanley Miller, koji je tada priprema doktorat kod nobelovca Harolda Ureya, izveo je slavni eksperiment u okviru kojega su simulirani uvjeti u vrlo pojednostavljenoj i hipotetičkoj bari zaostaloj za plimom iz doba rane Zemlje. Miller i Urey djelomično su ispunili laboratorijsku tikvicu vodom, dok je iznad nje došla plinovita mješavina vodene pare, vodika, amonijaka i metana. Odozdo su zagrijavali tikvicu, što je dovelo do isparavanja jednog dijela sadržaja koji je staklenom cjevčicom doveden do druge tikvice gdje je električno pražnjenje oponašalo sijevanje munja. Odavde je mješavina vraćena u prvu tikvicu, čime je zatvoren krug koji će se ponavljati nekoliko dana, umjesto nekoliko tisuća godina. Nakon ovog sasvim skromnog razdoblja, Miller i Urey ustanovili su da je voda u nižoj tikvici bogata “organskom juhom”, smjesom mnogih složenih molekula, računajući i razne vrste šećera, kao i dvije najjednostavnije aminokiseline, alanin i guanin. Kako se molekule proteina sastoje od dvadeset vrsta aminokiselina različito sklopljenih u cjelinu, eksperiment Millera i Ureya prevalio je, za izuzetno kratko vrijeme, značajan dio puta od najjednostavnijih molekula do molekula aminokiselina koji predstavljaju građevne opeke živih organizama. U ovom pokusu nastali su i relativno složene molekule koje se nazivaju nukleotidi i koje su ključni sastavni elementi DNK, divovske molekule koje sadrži upute za stvaranje novih jedinki danog organizma. No, ipak treba prijeći još dugi put prije no što laboratorijski pokusi stvore živu tvar. Veliki ponor, koji čovjek još nije premostio ni eksperimentalno ni nekim izumom, zjapi između nastanka aminokiselina – čak i kada bi se u pokusima dobilo svih dvadeset, što nije slučaj – i stvaranja života. Aminokiseline pronađene su i u nekim od najstarijih meteorita za koje se vjeruje da su ostali nepromijenjeni još od nastanka u najranijoj povijesti Sunčevoga sustava, prije 4,6 milijarda godina. Ovo ide u prilog općem
zaključku da prirodni procesi mogu iznjedriti aminokiseline pod mnoštvom različitih okolnosti. Ako se hladne glave razmotre rezultati eksperimenata, nema ničeg iznenađujućeg u njima: najjednostavnije molekule nađene u živim organizmima brzo se stvaraju u mnogim prilikama, ali ne i sâm život. I dalje ostaje otvoreno ključno pitanje: kako nakupina molekula, čak i onih od ključnog značaja za pojavu života, uspijeva stvoriti život? Budući da je rana Zemlja imala na raspolaganju ne nekoliko tjedana nego mnogo milijuna godina za rađanje života, rezultati pokusa Millera i Ureya kao da idu u prilog početku života u barama zaostalim nakon plime. Danas, međutim, većina znanstvenika koja nastoji objasniti nastanak života smatra da je ovaj pokus bio u tehničkom pogledu prilično ograničen. Ova promjena stava nije se javila kao posljedica sumnje u rezultate pokusa nego zbog uočavanja moguće pogreške u hipotezama na kojima se pokus temeljio. Da bismo razumjeli u čemu je stvar, moramo pogledati što nas moderna biologija uči o najranijim oblicima života. Evolucijska biologija danas se temelji na pažljivom proučavanju sličnosti i razlika između živih bića glede njihovih DNK i RNK molekula, koje sadrže informacije kako da organizam funkcionira i kako da se razmnožavati. Precizno uspoređivanje ovih vrlo velikih i složenih molekula omogućilo je biolozima, među kojima se pionirskim radom osobito istaknuo Carl Voese, da naprave evolucijsko stablo života koje bilježi “evolucijsku udaljenost” između raznih oblika života, udaljenost određenu razlikama u njihovim DNK i RNK. Stablo života sastoji se od tri velike grane: arheja (Archaea), bakterija (Bacteria) i eukarija (Eucarya). One zamjenjuju biološka “carstva” za koja se ranije vjerovalo da su temeljna. Eukarije obuhvaćaju sve organizme čije pojedinačne stanice imaju jasno određeno središte ili jezgru u kojoj se nalazi genetski materijal koji upravlja razmnožavanjem stanice. Po ovom svojstvu, eukarije su složenije od druga dva tipa; svi oblici života poznati nestručnjacima spadaju u ovu granu. Logično se može zaključiti da su se eukarije pojavile poslije arheja i bakterija. A kako su arheje bliže korijenu stabla života nego bakterije – jednostavno zato što su DNK i RNK kod arheja više promijenjene – arheje, kako im to i naziv kazuje, gotovo sigurno predstavljaju najstarije oblike života. Sada, međutim, slijedi iznenađenje: za razliku od bakterija i eukarija, arheje se uglavnom sastoje od “ekstremofila”, organizama koji vole živjeti u uvjetima koje danas opisujemo kao krajnje: na temperaturama blizu ili iznad točke vrelišta vode, u visoko kiseloj sredini i drugim okruženjima
koja bi bila pogubna za ostale oblike života. (Dakako, kad bi ekstremofili imali vlastite biologe, oni bi sebe klasificirali kao normalne, dok bi organizme kojima pogoduje sobna temperatura opisali kao ekstremofile.) Prema modernim istraživanjima stabla života, život je počeo s ekstremofilima, da bi se tek kasnije razvili oblici života koji uspijevaju u uvjetima kakve mi nazivamo normalnima. Uzevši ovo u obzir, Darwinova “topla bara zaostala nakon plime”, kao i uvjeti koje su u svom eksperimentu oponašali Miller i Urey, isparuju u magli pogrešnih hipoteza. Uopće ne može biti riječ o razmjerno blagim ciklusima sušnih i vlažnih uvjeta. Umjesto toga, oni koji tragaju za mjestima na kojima se život mogao začeti trebaju obratiti pozornost na vrlo toplu vodu, vjerojatno zasićenu kiselinama, koja izvire iz unutrašnjosti Zemlje. Posljednjih nekoliko desetljeća oceanografi su otkrili upravo takva mjesta, kao i neobične oblike života koji tu žive. Godine 1977. dvojica oceanografa u podmornici otkrila su prve podmorske izvore na dubini od oko dva i pol kilometra ispod mirne površine Tihog oceana pokraj Galapagosa. Kod ovih izvora, Zemljina kora lokalno se ponaša kao ekspres-lonac u kojem se voda zagrijava iznad točke vrelišta, ali se samo ključanje ne dopušta. Kada ipak dođe do djelomičnog podizanja poklopca, superzagrijana voda pod tlakom pokulja iz Zemljine kore u hladne oceanske vode. Superzagrijana morska voda koja ovdje navire sadrži rastopljene minerale koji se brzo kondenziraju i pretvaraju u krutine, stvarajući oko izvora divovske, porozne, kamene dimnjake, najtoplije u središnjem dijelu, a najhladnije na rubovima gdje se dodiruju s morskom vodom. U ovom temperaturnom okruženju obitavaju brojni oblici života koji nikada ne vide Sunce niti mare za njegovu toplinu, premda im je potreban kisik rastopljen u morskoj vodi, koji pak kisik potječe od života na Sunčev pogon blizu površine oceana. Ova otporna stvorenja žive od geotermalne energije koja potječe od topline zaostale iz doba stvaranja Zemlje plus one koju neprekidno proizvode radioaktivna raspadanja nestabilnih izotopa kao što su aluminij-26, koji traje milijunima, i kalij-40, koji traje milijardama godina. Blizu ovih izvora, znatno dublje nego što Sunčeva svjetlost može prodrijeti, oceanografi su pronašli valjkaste crve čija dužina odgovara visini čovjeka; oni obitavaju među velikim kolonijama bakterija i drugih
sitnih stvorenja. Umjesto da crpe energiju iz Sunčeve svjetlosti, kao što to čine fotosintezne biljke, život blizu dubokih morskih izvora oslanja se na “kemosintezu”, stvaranje energije putem kemijskih reakcija, koja pak ovisi o geotermalnom zagrijavanju. Kako izgleda ova kemosinteza? Topla voda koja izbija iz podmorskih izvora sadrži spojeve vodika i sumpora te vodika i željeza. Bakterije u blizini izvora spajaju ove molekule s vodikovim i kisikovim atomima iz molekula vode, kao i s ugljikovim i kisikovim atomima iz molekula ugljičnog dioksida rastopljenog u vodi. Ove reakcije grade veće molekule – ugljikohidrate – od atoma ugljika, kisika i vodika. Bakterije u okolini podmorskih izvora, dakle, oponašaju svoje rođake odozgo koje također stvaraju ugljikohidrate od ugljika, kisika i vodika. Površinska skupina mikroorganizama crpi energiju za izgradnju ugljikohidrata iz Sunčeve svjetlosti, dok je druga dobiva iz kemijskih reakcija na oceanskom dnu. U blizini podmorskih izvora, drugi se organizmi hrane bakterijama koje stvaraju te ugljikohidrate, koristeći njihovu energiju na isti način na koji to čine životinje kad jedu biljke ili životinje koje jedu druge životinje koje se hrane biljkama. Kemijske reakcije koje se zbivaju blizu podmorskih izvora nisu, međutim, ograničene samo na proizvodnju molekula ugljikohidrata. Atomi željeza i sumpora, koji ne ulaze u sastav molekula ugljikohidrata, povezuju se i stvaraju svoje spojeve, a ponajprije željezni sulfid, pirit, poznat i kao “zlato budala”. Stari Grci nazivali su ga “vatreni kamen” zato što je, kada bi bio udaren drugim kamenom, iskrio. Pirit, najzastupljeniji od svih minerala koji sadrže sumpor na Zemlji, možda je odigrao ključnu ulogu u procesu nastanka života time što je poticao stvaranje ugljikohidrata. Ovu zamisao prvi je izložio njemački stručnjak za patente i biolog amater Günter Wächtershäuser, čije glavno zanimanje nije bilo prepreka da se bavi proučavanjem biologije, baš kao što ni bavljenje istim poslom s patentima nije omelo Einsteina da se istakne u fizici. (Einstein je, doduše, diplomirao fiziku, dok je Wächtershäuser bio uglavnom samouk u biologiji i kemiji.) Godine 1994. Wächtershäuser je izložio pretpostavku da su površine od kristala pirita, prirodno nastale povezivanjem željeza i sumpora koji su navirali iz podmorskih izvora u ranoj povijesti Zemlje, predstavljale mjesta na kojima su se molekule bogate ugljikom mogle okupljati, stječući nove atome ugljika iz materijala koji je kuljao iz obližnjih izvora. Kao i oni koji su postavili hipotezu da se život začeo u barama zaostalim za plimom, Wächtershäuser nije ponudio objašnjenje kako je došlo do prijelaza od
građevnih opeka do živih stvorenja. No, držeći se zamisli o nastanku života u sredinama s visokom temperaturom, on se opredijelio za dobar put, u što čvrsto vjeruje. Pozivajući se na visoko uređen raspored kristala pirita, na čijoj su se površini vjerojatno stvorile prve složene molekule života, Wächtershäuser se suprotstavio kritičarima na znanstvenim konferencijama sljedećom izjavom: “Neki kažu da se nastankom života dobiva red iz kaosa – ali ja na to uzvraćam ‘red iz reda iz reda’.” Ova tvrdnja stekla je određen odjek, premda će tek vrijeme pokazati koliko je točna. Koji je, dakle, osnovni model o nastanku života vjerojatnije točan – bare na obali oceana ili supertopli izvori na oceanskom dnu? U ovom trenutku izgleda za oba su približno podjednake. Stručnjaci za nastanak života osporili su pretpostavku da su najstariji organizmi živjeli na visokim temperaturama zato što se još vode rasprave o valjanosti metoda kojima se određuje mjesto organizama na granama stabla života. Osim toga, računalni programi koji ispituju koliko je različitih tipova spojeva postojalo u prastarim molekulama RNK, bliskim srodnicima DNK koji su joj, kako izgleda, prethodili u povijesti života, ukazuju na to da su se spojevi kojima pogoduje visoka temperatura pojavila tek nakon što je život već neko razdoblje postojao na razmjerno niskim temperaturama. I tako, rezultat najdetaljnijih istraživanja, kako se već to često događa u znanosti, pokazuje se neodređen za one koji vole sigurne rezultate. Iako možemo reći kada otprilike se život pojavio na Zemlji, nije nam poznato ni gdje se ni kako taj čudesan događaj zbio. Paleobiolozi su nedavno nazvali zagonetnog pretka sveukupnog zemaljskog života LUCA (“Last Universal Common Ancestor” – “posljednji univerzalni zajednički predak”). (Obratite pozornost na to koliko su čvrsto ovi znanstveni umovi ostali vezani za naš planet: trebalo je, naime, nazvati ovog praroditelja LECA: “Last Earthly Common Ancestor” – “posljednji zemaljski zajednički predak”.) Za sada, davanje imena ovom pretku – skupini primitivnih organizama koji su svi imali zajedničke gene – samo naglašava koliki još put moramo prevaliti da bismo konačno podigli veo s tajne nastanka života. Na rješenje ovog problema ne potiče nas samo prirodna radoznalost da saznamo vlastiti nastanak. Različiti nastanci života podrazumijevaju različite mogućnosti njegove pojave, razvoja i opstanka, kako ovdje tako i drugdje u svemiru. Primjera radi, dno zemaljskih oceana vjerojatno je najpostojaniji ekosustav na planetu. Ako bi neki divovski asteroid udario u Zemlju i potpuno uništio život na površini, oceanski ekstremofili gotovo
sigurno bi neugroženo nastavili svoje bezbrižno postojanje. Možda bi se čak razvili i opet naselili površinu Zemlje poslije svake ovakve kataklizme. Čak i kada bi Sunce tajanstveno nestalo iz središta našega sustava, a Zemlja samostalno plovila svemirom, ovaj događaj teško bi uopće zavrijedio pažnju medija ekstremofila, jer bi se život blizu podmorskih izvora nastavio bez ikakvog poremećaja. No, za 5 milijarda godina naša zvijezda postat će crveni div, proširivši se do ruba unutrašnjeg Sunčevog sustava. Prvo će zemaljski oceani proključati, pa će čak i sama Zemlja djelomično ispariti. A to će biti loša vijest za sve oblike života na našem planetu. Široka rasprostranjenost ekstremofila na Zemlji otvara jedno duboko pitanje: može li život postojati u njedrima mnogih planeta i planetezimala skitnica izbačenih iz Sunčevoga sustava tijekom njegovog stvaranja? Njihovi “geo”termalni rezervoari mogli bi trajati milijardama godina. Što je s bezbroj planeta koji su silom poslani u progonstvo iz drugih zvjezdanih sustava diljem svemira? Je li moguće da međuzvjezdani prostor vrvi od života – koji je nastao i razvio se duboko u unutrašnjosti planeta bez matičnih zvijezda? Prije no što su astrofizičari shvatili značaj ekstremofila, zamišljali su “zonu pogodnu za život” koja okružuje svaku zvijezdu i u kojoj voda ili neki drugi medij može ostati u tekućem stanju, što bi omogućilo molekulama da se gibaju, stupaju u međudjelovanje i stvaraju još složenije molekule. Danas moramo preoblikovati ovu zamisao. Zona pogodna za život nipošto više nije ograničena samo na malo područje oko zvijezda koje dobiva odgovarajuću količinu svjetlosti, već može biti bilo gdje, pri čemu je održava ne samo toplina koja joj stiže sa zvijezde nego i lokalni izvori koji se uglavnom napajaju energijom radioaktivnog stijenja. Kuća tri medvjedića iz poznate bajke možda nije bila baš izuzetna. Svačiji dom, čak i onaj u kojem žive tri praščića, mogao bi uvijek imati zagrijanu hranu. Bila bi to doista vidovnjačka bajka koja pruža nadu. Život ne samo da nije rijedak i vrijedan već bi mogao biti podjednako čest kao i planeti. Sve što nam preostaje je da ga pronađemo.
16. POTRAGA ZA ŽIVOTOM U SUNČEVOM SUSTAVU Mogućnost postojanja života izvan Zemlje stvorila je nova zvanja kojima bi se moglo baviti puno ljudi, a područje njihovog djelovanja nalazi se pred procvatom. “Astrobiolozi” ili “bioastronomi” posvećeni su proučavanju izvanzemaljskog života u bilo kojem obliku. Za sada, astrobiolozi mogu načelno razmišljati o izvanzemaljskom životu ili oponašati izvanzemaljske uvjete kojima izlažu ili zemaljske oblike života, provjeravajući njihovu sposobnost opstanka u teškim i nepoznatim uvjetima, ili mješavine neživih molekula, poduzimajući pokuse poput pokusa Miller i Ureya, odnosno idući tragom Wächterhäusera. Povezivanjem načelnih razmišljanja i eksperimenata došli su do nekoliko opće prihvaćenih zaključaka koji imaju – u mjeri u kojoj se odnose na stvaran svemir – vrlo značajne posljedice. Astrobiolozi smatraju da je za postojanje života u svemiru nužno sljedeće: Izvor energije; Vrsta atoma koja omogućava nastanak složenih sklopova; Tekuće otapalo u kojem bi se molekule mogle kretati i stupati u međudjelovanja; Dovoljno vremena da život zaiskri i da se razvije. Na ovom kratkom popisu, prva i četvrta točka nisu ozbiljna prepreka. Svaka zvijezda u svemiru izvor je energije, a sve one, osim najmasivnijih 1 posto, traju stotinama milijuna ili milijarda godina. Naše Sunce, na primjer, postojano je oplakivalo Zemlju toplinom i svjetlošću tijekom posljednjih 5 milijarda godina, a to će nastaviti činiti još koju milijardu. Osim toga, uvjerili smo se da život može postojati potpuno bez Sunčeve svjetlosti tako što će potrebnu energiju dobivati geotermalnim grijanjem i kemijskim reakcijama. Geotermalna energija djelomično potječe od radioaktivnosti izotopa elemenata kao što su kalij 40, torij i uranij, čije se vrijeme poluraspada mjeri milijardama godina – što je usporedivo sa životnim vijekom zvijezda sličnih Suncu.
Zemaljski život zadovoljava drugu točku – temelji se na elementu ugljiku koji omogućava izgradnju složenih sklopova. Ugljikovi atomi mogu se povezati s jednim, dva, tri ili četiri druga atoma, što ih čini ključnim elementom sveukupnog života za koji znamo. Nasuprot tome, atomi vodika mogu se povezati samo s još jednim atomom, a atomi kisika s jednim ili dva. Kako se atomi ugljika mogu povezati čak s četiri druga atoma, uključivo i drugi atom ugljika, oni su “kralježnica”, svih, osim najjednostavnijih, molekula u živim organizmima, poput bjelančevina ili šećera. Sposobnost ugljika da gradi složene molekule učinila ga je jednim od četiri najzastupljenija elementa, uz vodik, kisik i dušik, u svim zemaljskim oblicima života. Vidjeli smo da iako se među četiri najzastupljenija elementa u Zemljinoj kori nalazi samo jedan od ova četiri, među šest najzastupljenijih elemenata u svemiru prisutna su sva četiri ključna elementa zemaljskoga života, uz inertne plinove helij i neon. Ova činjenica mogla bi ići u prilog hipotezi da je život na Zemlji počeo u zvijezdama ili u tijelima koja su im po sastavu slična. U svakom slučaju, činjenica da ugljik sačinjava razmjerno malen postotak Zemljine površine, a veliki postotak sastava svih živih bića, potvrđuje da ovaj element igra ključnu ulogu u građi života. Je li ugljik bitan za život i diljem svemira? Kakvo je stanje sa silicijem, koji se često javlja u znanstvenofantastičnim djelima kao temeljni atom egzotičnih oblika života? Poput atoma ugljika, i atomi silicija također mogu vezati čak četiri druga atoma, ali narav ovih veza je takva da silicij znatno zaostaje za ugljikom u ulozi ključnog atoma složenih molekula. Ugljikove veze s drugim atomima su naime prilično slabo, tako da se njegovi spojevi s kisikom, vodikom i samim sobom razmjerno lako raskidaju. Ovo omogućava molekulama na bazi ugljika graditi stalno nove spojeve prilikom sudaranja i stupanja u međudjelovanje, što je od bitne važnosti za metaboličku aktivnost svakog oblika života. Za razliku od toga, silicij se čvrsto veže za mnoge druge vrste atoma, a osobito za kisik. Zemljina kora se velikim dijelom sastoji od silikatnih stijena, a to su u kemijskom smislu spojevi silicijevih i kisikovih atoma, tako čvrsto povezanih da mogu potrajati milijunima godina te zato ne mogu sudjelovati u izgradnji novih vrsta molekula. Razlika u načinu na koji se atomi silicija i ugljika vežu s drugim atomima ukazuje na to da se može očekivati s velikom vjerojatnošću da će molekule izvanzemaljskog života imati ugljičnu, a ne silicijsku podlogu.
Osim ugljika i silicija, samo neki egzotični elementi, čija je zastupljenost u svemiru daleko niža od zastupljenosti ova dva elementa, mogu se povezati s četiri druga atoma. Vrlo su mali izgledi da negdje drugdje u svemiru život kao temelj koristi atome, recimo, germanija na isti način na koji zemaljski život koristi ugljik. Treća točka onog popisa astrobiologa o nužnim uvjetima za život navodi da postoji otapalo u kojem se molekule mogu kretati i stupati u međudjelovanje. Pojam “otapala” ističe da je to tekućina takve naravi da omogućava gibanje molekula i stupanje u međudjelovanje u onome što kemičari nazivaju “otopina”. Tekućine dopuštaju razmjerno visoke koncentracije molekula, ne ograničavajući pritom previše njihovo kretanje. Za razliku od toga, čvrsta tijela fiksiraju atome i molekule. Oni se, doduše, i tu se mogu sudarati i stupati u međudjelovanje, ali to čine znatno sporije nego u tekućinama. U plinovima će se tekućine kretati još slobodnije nego u tekućinama, kao i nesmetano sudarati, ali tu se sudari i međudjelovanja zbivaju znatno rjeđe nego u tekućinama zato što je tekućina gušća od plina najmanje tisuću puta. “Da nam je samo dovoljno svijeta i vremena”, kao što je to napisao Andrew Marvell, mogli bismo otkriti život koji se rađa u plinovima umjesto u tekućinama. U stvarnom svemiru, starom samo 14 milijarda godina, astrobiolozi ne očekuju da će pronaći život koji je potekao iz plinovite smjese. Umjesto toga, očekuju da će se sveukupni izvanzemaljski život, jednako kao i sav život na našem planetu, sastojati od vreća tekućine u kojima se odigravaju složeni kemijski procesi tijekom sudaranja molekula i stvaraju novih spojeva. Mora li ta tekućina biti voda? Mi živimo na vodenom planetu čiji oceani prekrivaju gotovo tri četvrtine površine. To nas čini jedinstvenim u našem Sunčevom sustavu, a možda je naš planet po tome vrlo neobičan u cijeloj Galaktici. Voda, koja se sastoji od dva među šest najobilnije zastupljenih elemenata u svemiru, nalazi se barem u skromnim količinama u kometima, u meteoritima, kao i na većini Sunčevih planeta i njihovih mjeseca. S druge strane, tekuća voda u Sunčevom sustavu postoji sigurno jedino na Zemlji, a ocean ispod ledene površine najvećeg Jupiterovog mjeseca Europe još uvijek nije sigurno utvrđena činjenica. Mogu li od neki drugih spojeva biti tekuća mora ili jezera u kojima bi molekule imale dobru radnu sredinu za izgradnju života? Tri najzastupljenija spoja koja mogu ostati u tekućem stanju u značajnijem temperaturnom rasponu su amonijak, etan i metil-alkohol. Molekule amonijaka sastoje se od tri atoma vodika i jednog dušika, etan od dva atoma vodika i dva ugljika, a metil-alkohol od
četiri atoma vodika, jednog ugljika i jednog kisika. Kada razmatramo mogućnosti postojanja izvanzemaljskog života, možemo zamisliti stvorenja koja koriste amonijak, etan ili metil-alkohol na isti način na koji zemaljski život koristi vodu – kao sredinu u kojoj se život vjerojatno začeo i u kojoj se molekule mogu, susrećući se i razdvajajući se, razvijati u sve složenije oblike. Četiri Sunčeva divovska planeta raspolažu ogromnim količinama amonijaka, uz manje količine metil-alkohola i etana, dok Saturnov veliki mjesec Titan vjerojatno ima jezera tekućeg etana na svojoj hladnoj površini. Izbor neke vrste molekula kao osnovne tekućine za život automatski traži preduvjet da ta tvar mora ostati u tekućem stanju. Ne bismo očekivali da život nastane u antarktičkoj ledenoj kapi ili u oblacima bogatim vodenom parom, budući da je potrebno tekuće stanje životne sredine za obilna i česta međumolekularna djelovanja. Pod atmosferskim tlakovima poput onoga na površini Zemlje voda ostaje u tekućem stanju između 0 i 100 stupnjeva Celzija. Sva tri spomenuta alternativna otapala nalaze se u tekućem stanju na znatno nižim temperaturama od vode. Amonijak se, na primjer, ledi na –78 stupnjeva Celzija, a isparava na –33 stupnja. Ova okolnost onemogućava amonijaku da bude tekuće otapalo za zemaljski život, ali na svijetu s temperaturom od naše nižom za 75 stupnjeva, gdje voda nikada ne bi mogla poslužiti kao otapalo za život, amonijak bi to mogao biti. Najznačajnija osobiina vode nije njezino hvale vrijedno svojstvo da je “univerzalno otapalo”, o čemu smo učili na satovima kemije, a niti širok temperaturni raspon u kojem ostaje u tekućem stanju. Najvažnija odlika vode je to što se ona, za razliku od mnogih stvari – računajući i samu vodu – koje se pri hlađenju smanjuju i postaju gušće, širi kada joj temperatura padne ispod 4 stupnja Celzija i postaje sve manje gusta kako joj se temperatura spušta prema nuli. A onda, kada se zamrzne na 0 stupnjeva Celzija, pretvara se u tvar koja je rjeđa od tekuće vode. Led pluta po površini, što je odlična vijest za ribe. Tijekom zime, kada se temperatura zraka spusti ispod točke ledišta, voda na +4 stupnja ide prema dnu i ostaje tamo zato što je gušća od hladnije vode iznad, dok se sloj leda stvara samo na površini, izolirajući topliju vodu pod sobom. Da nije ovog smanjenja gustoće vode ispod 4 stupnja, bare i jezera zamrzavali bi se odozdo nagore, a ne obrnuto. U tom slučaju, kad god bi temperatura zraka pala ispod točke ledišta, gornji sloj jezera ohladio bi se i potonuo na dno, dok bi se toplija voda podigla odozdo. Ovo bi ubrzo
dovelo do spuštanje temperature vode na nula stupnjeva kada bi se površinski sloj počeo smrzavati. Tada bi gušći, čvrsti led potonuo na dno. Ako se cijeli korpus vode i ne bi smrzao sav odjednom odozgo nagore, gomilanje leda na dnu konačno bi nakon nekog vremena dovelo do potpuno smrzavanja. Na takvom svijetu, pecanje na ledu davalo bi još mršavije rezultate nego na Zemlji, jednostavno zato što bi sve ribe bile zaleđene. Ribiči na ledu našli bi se ili na sloju leda koji je potonuo ispod preostale tekuće vode ili na gornjem dijelu potpuno zaleđenog korpusa vode. Više nam ne bili potrebni ledolomci da prelazimo preko smrznutog Arktika: ili bi cijeli Arktički ocean već bio potpuno zaleđen, ili bi smrznuti dijelovi potonuli na dno, te bismo tako mogli slobodno ploviti bez ledenih prepreka. Mogli bismo također klizati po smrznutim jezerima bez straha da ćemo propasti u vodu kroz puknuti led. U ovom alternativnom svijetu, ledene kocke i ledeni bregovi bi potonuli, te bi tako 1912. godine Titanic sigurno stigao u njujoršku luku, nepotopiv, kako je to reklamirano. S druge strane, možda ovdje dolaze do izražaja predrasude stanovnika srednjih zemljopisnih širina. Većini zemaljskih oceana ne prijeti opasnost da se zalede, bilo odozdo, bilo odozgo. Ako bi led potonuo, Arktički ocean bi se zamrznuo, a isto bi se dogodilo s Velikim jezerima i Baltičkim jezerom. Brazil i Indija tada bi postali svjetske sile, preuzevši primat od Europe i SAD, ali život na Zemlji opstao bi i napredovao. Prihvatimo za sada hipotezu da voda ima značajne prednosti u odnosu na svoje glavne alternativce, amonijak i metil-alkohol, te da će se zato većina oblika izvanzemaljskog života, ako ne i svi, oslanjati na isto otapalo kao i zemaljski život. Držeći se ove pretpostavke, kao i činjenice da su sirovine za život, ugljikovi atomi, vrlo zastupljene, odnosno da životu na raspolaganju stoje duga razdoblja za nastanak i razvoj, otisnimo se na putovanje do naših susjeda. Jedino ćemo ovoga puta staro pitanje “Gdje je život?” zamijeniti novim: “Gdje je voda?” *** Ako biste prosuđivali na temelju izgleda nekih suhih i nepogodnih mjesta u Sunčevom sustavu, mogli biste zaključiti da je voda, koje na Zemlji ima u izobilju, rijetkost drugdje u Galaktici. Ali od svih molekula koji se mogu napraviti od tri atoma voda je daleko najzastupljenija uglavnom zato što njeni sastojci, vodik i kisik, zauzimaju prvo i treće mjesto na popisu elemenata u svemiru. Ova činjenica navodi nas da
umjesto pitanja zašto neka tijela imaju vodu postavimo sljedeće pitanje: kako to da na svim nebeskim tijelima nema velike količine ove jednostavne molekule. Kako je Zemlja stekla oceane vode? Mnogobrojni krateri na Mjesecu su svjedočanstvo da je ovo nebesko tijelo bilo bombardirano iz svemira tijekom cijele svoje povijesti. Razumno se zato može pretpostaviti da je i Zemlja bila izložena mnogim udarima. Štoviše, veće dimenzije i jača gravitacija našeg planeta podrazumijevaju da su ga pogađala veća tijela znatno češće negoli našeg prirodnog satelita. Tako je bilo od njegovog postanka, pa sve do danas. Uostalom, Zemlja se nije izlegla iz međuzvjezdane praznine kao već oblikovana kugla već je nastajala u oblaku kondenzirajućega plina iz kojeg su također izgrađeni Sunce i ostali planeti. U ovom procesu Zemlja je rasla, uključujući u sebe veliki broj sitnih, čvrstih čestica, a zatim i asteroide bogate mineralima i komete bogate vodom. Koliko su se često događali sudari? Broj kometa koji su u rano doba udarali u Zemlju mogao je biti dovoljno veliki da na ovaj način dobijemo vodu koja ispunjava sve današnje oceane. Ovu hipotezu i dalje prate nedoumice (i proturječnosti). Voda koju smo otkrili u Halleyevom kometu sadrži znatno veće količine deuterija nego voda na Zemlji; deuterij je izotop vodika koji ima jedan neutron u jezgri. Ako su nam oceani stigli putem kometa, onda su se oni koji su udarali u Zemlju ubrzo nakon nastanka Sunčevoga sustava morali, po kemijskom sastavu, znatno razlikovati od današnjih kometa ili barem od one vrste kometa kojoj pripada Halleyev. U svakom slučaju, kada onome što smo dobili putem kometa dodamo i vodenu paru koja je izbačena u atmosferu pri vulkanskim erupcijama, dobivamo upravo onu količinu površinske vode kojom raspolažemo danas. Ako želite posjetiti mjesto bez vode i zraka, ne morate ići dalje od našeg Mjeseca. Gotovo potpuno nulti atmosferski tlak na našem prirodnom satelitu, udruženo s okolnošću da dani tamo traju po četrnaest zemaljskih dana, kada se temperatura penje iznad 100 stupnjeva Celzija, dovelo bi do brzog isparavanja kojih god količina vode. Tijekom, također dvotjedne, lunarne noći temperatura se može spustiti na 120 i manje stupnjeva Celzija ispod nule, što je dovoljno da se sve zamrzne. Astronauti misije Apollo koji su posjetili Mjesec ponijeli su zato sa sobom vodu i zrak (kao i klimatizaciju) koji su im bili potrebni za dvosmjerno putovanje. Bilo bi neobično, međutim, da je Zemlja dobila velike količine vode,
dok je na Mjesecu uopće nema. Jedna mogućnost, koja je svakako barem djelomično točna, je da je voda zbog slabije gravitacije Mjeseca isparila s njegove površine znatno brže nego sa Zemlje. Prema drugoj mogućnosti, astronauti koji su posjetili Mjesec nisu, zapravo, morali nositi vodu sa sobom. Naime, lunarni umjetni satelit Clementine, na kojem se nalazio uređaj za otkrivanje neutrona koji se oslobađaju pri sudaru brzih međuzvjezdanih čestica s atomima vodika, pružio je potporu staroj pretpostavci da se ispod kratera blizu Mjesečevog sjevernog i južnog pola nalaze ležišta duboko zamrznutog leda. Ako Mjesec pogađa prosječan broj udara međuplanetnih gromada godišnje, onda bi se među ovima trebali povremeno naći i krupniji kometi bogati vodom, poput onih koji su pali na Zemlju. Koliko bi, zapravo, veliki mogli biti ovi kometi? U Sunčevom sustavu nalazi se mnoštvo kometa koji bi se mogli rastopiti u jezero ogromno poput jezera Erie. Iako se ne može očekivati da novonastalo jezero opstane tijekom više lunarnih dana na temperaturi od preko 100 stupnjeva Celzija, svaki komet koji je udario u dno nekog dubokog kratera blizu Mjesečevih polova (ili sama napravio krater) ostao bio zaodjenut tamom zato što su to jedina mjesta na našem prirodnom satelitu gdje “Sunce ne sjaji”. (Ako ste mislili da je jedna strana Mjeseca uvijek tamna, onda su vas na tu pogrešku naveli mnogi izvori, među njima možda i album Pinka Floyda iz 1973. pod naslovom Tamna strana Mjeseca.) Kako to znaju stanovnici Arktika i Antarktika koji oskudijevaju u svjetlosti, Sunce se na tim područjima nikada ne diže visoko, bez obzira na doba dana ili na godišnje doba. A sad zamislite da živite na dnu kratera čiji se rubovi uzdižu do visine koju Sunce nikada ne može dosegnuti. Bez zraka koji bi raspršio Sunčevu svjetlost po sjenovitim dijelovima, živjeli biste u vječnoj tami. Ali čak i u hladnoj tami led polako isparava. Obratite pozornost na ledene kocke u zamrzivaču kako se vratite kući poslije dugog izbivanja: veličina će im biti uočljivo manja nego prije vašeg polaska. Ako je, međutim, led pomiješan s čvrstim česticama (kao što je to u kometima), onda može opstati tisućama i milijunima godina na dnu Mjesečevih dubokih polarnih kratera. Baza koju bismo mogli podići na Mjesecu imala bi velike koristi kada se našla u blizini ovakvog jezera. Osim vode za piće koju bismo pribavljali otapanjem i filtriranjem leda, puno bismo dobili i elektrolizom vode, razlaganjem vode na vodik i kisik. Mogli bismo upotrijebiti vodik, uz nešto kisika, kao aktivne sastojke raketnoga goriva, dok bismo ostatak kisika upotrijebili za disanje. A u slobodnom vremenu
mogli bismo se prepustiti čarima klizanja. Iako je Venera po veličini i masi gotovo ista Zemlji, naš planetsestra razlikuje se po nekoliko značajki od svih drugih planeta u Sunčevom sustavu. Venera ima vrlo debelu, gustu atmosferu od ugljičnog dioksida pa na njenoj površini vlada stotinu puta jači tlak negoli na površini Zemlje. Osim stvorenja koja žive na velikim oceanskim dubinama, gdje vladaju slični tlakovi, sva ostala živa bića sa Zemlje bila bi u trenu smrvljena na Veneri. Ali najneobičnije svojstvo ovog planeta su razmjerno mladi krateri raspršeni po njegovoj površini. Iza ovog bezazlenog opisa krije se neka katastrofa planetnih razmjera koja je nedavno stvorila mnoštvo novih kratera, uklonivši sve tragove prošlih udara i tako nam uskratila priliku da odredimo starost površine planeta na temelju najstarijih kratera. To je mogla učiniti i erozija izazvana nekom meteorološkom pojavom ogromnih razmjera, kao što je globalni potop. Ali uzročnik je mogla biti i neka podjednako velika geološka (točnije “venusološka”) aktivnost, kao što je kuljanje lave, koja je mogla pretvoriti površinu Venere u američki automobilski san – potpuno asfaltirani planet. Ma što da je izazvalo ovo brisanje starih kratera, vjerojatno se naglo završilo. No, i dalje ostaju važna pitanja, osobito u svezi vode na Veneri. Ako se na ovom planetu zaista odigrao planetni potop, gdje je onda nestala sva ta voda? Je li potonula ispod površine? Je li isparila u atmosferu? Ili je Venera možda bila poplavljena nekom drugom tekućinom, a ne vodom? Čak i ako nije bilo potopa, Venera je vjerojatno nekoć imala podjednako vode kao i Zemlja. Što se dogodilo s njom? Čini se da je odgovor na pitanje kako je Venera izgubila vodu taj da je voda postala pretopla pa isparila, a krivac za to je Venerina atmosfera. Naime, molekule ugljičnog dioksida propuštaju vidljivu svjetlost, ali vrlo djelotvorno sprečavaju povratak infracrvenog zračenja u svemir. Iako gusta atmosfera poput zrcala odbija dio svjetlosti, jedan dio se ipak uspije probiti do Venerine površine. Njome zagrijana površina planeta onda zrači na infracrvenom (toplinskom) području spektra, ali ovo zračenje ne može se probiti natrag u svemir. Blokiraju ga molekule ugljičnog dioksida, te ono zagrijava donju atmosferu i površinu pod njom. Znanstvenici nazivaju ovo blokiranje infracrvenog zračenja “učinak staklenika” po izvjesnoj analogiji s prozorskim staklom koje propušta vidljivu svjetlost, ali ne propušta dio infracrvene. Poput Venere i njene atmosfere, i Zemljina atmosfera također stvara učinak staklenika koji je od velike važnosti za mnoge oblike života i kojim se temperatura našeg planeta podiže za oko 13 stupnjeva Celzija
iznad vrijednosti koja bi bila na površini da nema ovakve atmosfere. Glavnina učinka staklenika potječe od udruženog djelovanja molekula vode i ugljičnog dioksida. Budući da Zemljina atmosfera sadrži samo jedan desettisućiti dio ugljičnog dioksida u odnosu na Venerinu, učinak staklenika kod nas neznatan je u usporedbi s Venerom. No, mi povećavamo postotak ugljičnog dioksida tako što trošimo fosilna goriva, te se učinak staklenika postojano pojačava. Time nenamjerno sudjelujemo u eksperimentu planetnih razmjera koji će nam otkriti koje su posljedice dodatnog blokiranja odljeva topline u svemir. Na Veneri, učinak atmosferskog staklenika, iza koga u cijelosti stoje molekule ugljičnog dioksida, podiže temperaturu stotinama stupnjeva, tako da ona na površini dostiže čak 500 0C, kao u pećnici, po čemu je ovaj planet najtopliji u Sunčevom sustavu. Kako se Venera našla u ovom turobnom stanju? Znanstvenici koriste zgodan naziv “galopirajuće djelovanje staklenika” da opišu što se događa kad infracrveno zračenje, kojem Venerina atmosfera ne dopušta odlazak u svemir, podiže temperaturu i dovodi do isparavanja tekuće vode. Povećana količina vode u atmosferi još više zaustavlja odljev infracrvenog zračenja, čime se dodatno pojačava djelovanje staklenika; ovo sa svoje strane šalje još više vode u atmosferu, čime djelovanje staklenika postaje još izrazitije. Pri vrhu Venerine atmosfere Sunčevo ultraljubičasto zračenje razbija molekule vode na vodik i kisik. Zbog visoke temperature, vodikovi atomi odlaze u svemir i više nikada neće stvoriti vodu. Tijekom vremena, sva voda koju je Venera svojevremeno imala na površini ili blizu nje nepovratno je isparila s planeta. Slični procesi zbivaju se na Zemlji, ali u znatno manjem opsegu, jer je naša atmosfera mnogo hladnija. Silni oceani prekrivaju glavninu površine našeg planeta, premda oni čine, zbog male dubine, samo oko jedan pettisućiti dio ukupne mase Zemlje. No, čak i ovaj mali dio teži ogromnih 1,5 trilijuna tona, od čega je 2 posto uvijek zamrznuto. Ako bi se na Zemlji ikada dogodilo galopirajuće djelovanje staklenika poput onog koje je pogodilo Veneru, naša atmosfera zarobila bi veće količine Sunčeve energije, što bi izazvalo porast temperature zraka te brzo isparavanja oceana koji bi proključali. Bio bi to loš razvoj događaja. Osim očiglednog uništenja Zemljine flore i faune, životu na našem planetu naročito bi teško palo to što bi atmosfera ulaskom vodene pare u nju postala tri stotine puta masivnija. Bili bismo skuhani i smlavljeni zrakom kojeg (sada) dišemo. Naša očaranost planetima (a i neznanje o njima) nije ograničena
samo na Veneru. Sa svojim davno isušenim, krivudavim riječnim koritima, plavnim ravnicama, deltama, mrežom pritoka, erodiranim kanjonima, Mars je jednom morao biti iskonski raj tekuće vode. Ako se ijedno mjesto u Sunčevom sustavu, osim Zemlje, ikada moglo pohvaliti velikim zalihama vode, onda je to bio Mars. Međutim, zbog još nedovoljno poznatih nam razloga to se promijenilo: površina današnjega Marsa potpuno je suha. Detaljna ispitivanja Venere i Marsa, susjednih planeta, nagoni nas da novim očima vidimo Zemlju i shvatimo koliko je krhki naš svijet, sa svojom površinom koju velikim dijelom prekriva tekuća voda. Početkom dvadesetoga stoljeća, maštovita promatranja Marsa koja je pokrenuo poznati američki astronom Percival Lowell navela su ga na pretpostavku da je napredna marsijanska civilizacija izgradile složenu mrežu kanala kako bi prenijele vodu s polarnih ledenih kapa do naseljenijih srednjih zemljopisnih širina. Da bi objasnio ono što je vidio, Lowell je zamislio civilizaciju na umoru koja iscrpljuje svoje zalihe vode (poput suvremenog američkog grada Phoenixa koji otkriva da rijeka Colorado nije nepresušna). U svojoj detaljnoj, ali i pogrešno postavljenoj hipotezi pod naslovom Mars kao kolijevka života, objavljenoj 1909. Lowell je jadikovao zbog hidroloških muka marsovske civilizacije, u čiji je slom bio uvjeren. Mars je doista toliko suh da na njegovoj površini ne može opstati nikakav život. Polako ali sigurno, vrijeme će dokrajčiti sav život, ako to već nije učinilo. Kada zgasne i posljednji žar života, planet će se nastaviti kretati svemirom kao mrtav svijet čija je evolucija zauvijek završena. Lowell je, međutim, u jednom bio u pravu. Ako je na Marsu ikada postojala civilizacija (ili bilo koji oblik života) kojoj je bila potrebna površinska voda, ona se svakako suočila s katastrofom zato što je nekoć u povijesti Marsa i zbog nepoznatih razloga nestala cjelokupna voda s površine, te je tako život pogodila sudbina – premda u prošlosti, a ne u sadašnjosti – koju je Lowell opisao. Za planetne geologe i dalje je potpuna tajna što se dogodilo s vodom koja je obilno tekla površinom Marsa prije nekoliko milijarda godina. Mars sada ima izvjesne količine vodenog leda u polarnim kapama koje se sastoje poglavito od smrznutog ugljičnog dioksida (“suhi led”), kao i sasvim malo vodene pare u atmosferi. Iako se u polarnim kapama jedino nalaze značajnije količine vode za koje se danas zna na Marsu, ukupna količina toga leda daleko je ispod one potrebne da se objasne morfološki oblici na Marsovoj površini koji ukazuju na obilje tekuće vode nekoć na tom planetu.
Ako glavnina nekadašnje vode Marsa nije isparila u svemir, onda se ona vjerojatno skriva ispod površine gdje je zarobljena u potpovršinskom permafrostu. Ima li dokaza za to? Vjerojatnije je da će se kod velikih kratera na Marsovoj površini zamijetiti osušeni tragovi prelijevanja blata. Ako je permafrost na većoj dubini, do njega se moglo stići jedino pri velikim sudarima. Energija koja se oslobađa pri ovakvim sudarima otopila bi potpovršinski led koji bi pokuljao prema površini. Krateri kod kojih su zamijećeni tragovi blata češći su na hladnim, polarnim zemljopisnim širinama – upravo tamo gdje bi se očekivalo da sloj permafrosta bude najbliži Marsovoj površini. Prema optimističkim procjenama, ako bi se iz permafrosta otopio potpovršinski led, dobilo bi se dovoljno vode da pokrije cijeli planet oceanom dubine nekoliko desetaka metara. Temeljna potraga za suvremenim (ili fosilnim) životom na Marsu mora obuhvatiti ispitivanje na mnogim mjestima, osobito ispod površine planeta. Što se tiče vjerojatnosti da se na Marsu nađe život, veliko pitanje na koje treba dati odgovor glasi: postoji li sada, bilo gdje na Marsu, tekuća voda? Dio odgovora potječe iz našeg znanja fizike. Na površini Marsa ne može biti tekuće vode zato što to ne dopušta tamošnji atmosferski tlak koji ne dostiže ni 1 posto Zemljinog. Kao što to znaju hrabri planinari, voda isparava na sve nižim temperaturama kako se penjemo što više. Na vrhu Chomolungme (poznatom i pod nepotrebnim engleskim nazivom Mt. Everest, prim. prev.), tlak zraka je samo četvrtina onoga s površine mora, pa voda vrije već na 50 stupnjeva Celzija. Na visini od 36 kilometara, gdje je atmosferski tlak samo 1 posto od onoga na razini mora, voda vrije na oko 5 stupnjeva Celzija. Popnite se još nekoliko kilometara i tekuća voda će “vreti” na 0 stupnjeva – odnosno, isparit će čim se nađe u otvorenom prostoru. Stručnjaci koriste izraz “sublimacija” za prijelaz neke tvari iz čvrstog u plinovito stanje bez međukoraka u obliku tekućeg stanja. Starijima među nama sublimacija je poznata iz mladosti, kada je prodavač sladoleda podizao čarobni poklopac ispod kojega se ukazivala ne samo slastica nego i komad “suhog” leda koji ju je održavao u hladnom stanju. Suhi led bio je sladoledaru znatno korisniji od običnog vodenog leda: on, naime, prelazi izravno iz krutog u plinovito stanje, tako da za njim ne ostaje voda koju treba brisati. Poznata je detektivska priča o čovjeku koji se objesio tako što se popeo na kocku suhog leda i stavio omču oko vrata. Led je ispario i omča se zategla, a inspektori nikako nisu mogli odgonetnuti kako je to izveo (osim ako nisu pažljivo ispitali atmosferu u prostoriji).
Ono što se događa s ugljičnim dioksidom (suhim ledom) na površini Zemlje zbiva se s vodom na površini Marsa. Ondje voda ne može postojati u tekućem stanju, čak i kada se temperatura za nekog toplog dana popne i iznad 0 stupnjeva Celzija. Ovo kao da je gasilo svaku nadu da na Marsu može biti života – ali onda smo shvatili da tekuća voda može postojati ispod površine. Buduće ekspedicije na Mars, čiji će jedan od zadataka svakako biti ispitivanje mogućnosti postojanja drevnog ili suvremenog života na crvenom planetu, obratit će posebnu pažnju na područja gdje je najpogodnije bušiti površinu da bi iz ovih bušotina potekao eliksir života – voda. Iako je voda eliksir, nju prirodoznanstveno nepismeni ljudi mogu lako proglasiti za pogubnu tvar koju po svaku cijena treba izbjegavati. Godine 1997. Nathan Zohner, četrnaestogodišnji učenik škole u mjestu Eagle Rock, američka savezna država Idaho, sastavio je sada već slavnu (među popularizatorima znanosti) anketu na jednom znanstvenom sajmu, s namjerom da ispita antitehnološka raspoloženja ljudi i njihovu odbojnost prema kemiji. Zohner je pozivao ljude da potpišu peticiju kojom se zahtijevala ili stroga kontrola ili potpuna zabrana “dihidrogen monoksida”. Naveo je niz opasnih svojstava ove tvari bez okusa i bez mirisa: – Glavni je sastojak kiselih kiša – Otapa gotovo sve što dolazi u dodir s njom – Može biti pogubna ako slučajno uđe u dišne putove – U plinovitom stanju može izazvati teške opekotine – Pronađena je u tumorima kod pacijenata koji boluju od neizlječivog oblika raka Četrdeset troje od pedeset ljudi kojima se Zoner obratio potpisalo je ponuđenu peticiju, šestoro je bilo neodlučno, dok je samo jedan bio veliki poklonik strašne molekule i odbio je potpisati. Osamdeset šest posto ispitanika složilo se, dakle, sa zabranom korištenja dihidrogen monoksida (H2O). Možda je to ono što se dogodilo s vodom na Marsu. Venera, Zemlja i Mars poučno su svjedočanstvo o dobrim i lošim stranama ovisnosti o vodi (ili možda drugom otapalu) kao ključu života. Razmišljajući o tome gdje bi mogli potražiti tekuću vodu, astronomi su se prvobitno usredotočili na planete koji kruže na takvoj udaljenosti oko matičnih zvijezda da voda na njima može postojati u tekućem stanju – ni
predaleko, dakle, ni preblizu. Tako počinje bajka o Zlatokosoj. Jednom davno – prije nešto više od četiri milijarde godina – oblikovanje Sunčevoga sustava bilo je gotovo privedeno kraju. Venera se našla dovoljno blizu Suncu da njegova energija pretvori u paru sve eventualne zalihe vode na planetu. Mars je, pak, bio toliko daleko da je voda na njemu postala zauvijek zamrznuta. Samo je jedan planet, Zemlja, bio na “pravoj” udaljenosti da voda bude u tekućem stanju, te je tako njezina površina postala savršena za život. Ovo područje oko Sunca, na kojem je voda ostajala u tekućem stanju, dobilo je naziv nastanjiva zona. I Zlatokosa je voljela “prave” stvari. Kaša u jednoj zdjeli u brvnari Tri Medvjeda bila je pretopla, druga je bila prehladna, dok je treća bila na “pravoj” temperaturi, te je ona nju pojela. U spavaćoj sobi na katu jedan krevet bio je pretvrd, drugi premekan, a tek treći “pravi”, te je tako Zlatokosa zaspala u njemu. Kada su se Tri Medvjeda vratila kući, ustanovili su ne samo da nema jedne kaše nego i da Zlatokosa spava u jednom od kreveta. (Ne sjećamo se kako se bajka završava, ali i dalje nam nije jasno zašto Tri Medvjeda – svežderi, na vrhu hranidbenog lanca – nisu pojeli Zlatokosu.) Razmjerna nastanjivost Venere, Zemlje i Marsa zagolicala bi Zlatokosu, premda su stvarne povijesti ovih planeta ipak nešto složenije od tri zdjele kaše. Prije četiri milijarde godina, zaostali kometi bogati vodom i asteroidi bogati mineralima i dalje su rešetali površine planeta, premda znatno rjeđe nego na samom početku. Ovaj svemirski bilijar izazvao je to da se neki planeti približe Suncu, dok su se drugi pomaknuli na dalje staze. A među desetcima nastalih planeta bilo je i onih koji su se našli na nestabilnim stazama, pa završili život sudarom sa Suncem ili Jupiterom, dok su drugi potpuno izbačeni iz Sunčevoga sustava. Na kraju, ono malo planeta što je ostalo imalo je “prave” staze koje su im omogućile opstanak milijardama godina. Zemlja se ugnijezdila na stazi čija je prosječna udaljenost od Sunca oko 150 milijuna kilometara. Na toj udaljenosti Zemlja prima samo dvomilijarditi dio (0,5 × 10-9) ukupne energije koju zrači naša zvijezda. Ako pretpostavite da Zemlja upija svu energiju koju prima sa Sunca, onda bi prosječna temperatura našeg planeta trebala biti oko 280 K (oko 7 stupnjeva Celzija), što je negdje na sredini između prosječne zimske i prosječne ljetne temperature. Pri normalnom atmosferskom tlaku voda se mrzne na 273 K, a vrije na 373 K, što znači da smo na dobroj udaljenosti
od Sunca da gotovo sva voda planeta Zemlje sretno bude u tekućem stanju. Ali ne treba prenagljivati sa zaključcima. U znanosti se ponekad može doći do točnih odgovora iz pogrešnih razloga. Zemlja, zapravo, upija samo oko dvije trećine energije koju dobiva sa Sunca. Ostatak odbijaju natrag u svemir površina Zemlje (osobito oceani) i oblaci. Ako uračunamo i ovo odbijanje, prosječna temperatura na Zemlji pada na 255 K (- 18 °C), što je znatno ispod ledišta vode. Vjerojatno postoji neki čimbenik koji podiže prosječnu temperaturu do ugodne razine. Ali, opet ne treba žuriti. Sve teorije o razvoju zvijezda govore nam da je prije 4 milijarde godina, kada je život nastajao iz Zemljine praiskonske juhe, Sunce bilo za trećinu slabijeg sjaja nego što je danas, što bi prosječnu temperaturu našeg planeta još više spustilo ispod točke ledišta. Možda je u dalekoj prošlosti Zemlja jednostavno bila bliža Suncu. Međutim, kad je završilo rano razdoblje teškog bombardiranja iz svemira, nije postojao više nikakav mehanizam koji bi pomaknuo postojane staze naprijed-natrag kroz Sunčev sustav. Možda je djelovanje staklenika u atmosferi rane Zemlje bilo jače u toj davnoj prošlosti. Ne znamo to. Ono, međutim, što znamo je da su nastanjive zone, kako su prvobitno zamišljane, bile od sporednog značaja za to može li život postojati na nekom planetu unutar njih. Ovo je postalo očito iz činjenice da povijest Zemlje ne možemo objasniti na temelju nekog jednostavnog modela nastanjive zone, a još više kad smo shvatili da voda ili druga otapala ne moraju ovisiti o toplini matične zvijezde da bi bili u tekućem stanju. U našem Sunčevom sustavu postoje dva dobra podsjetnika da ta potraga za životom po modelu “nastanjive zone” ima ozbiljna ograničenja. Jedan od njih nalazi se izvan područja u kojem Sunce održava vodu u tekućem stanju, ali to ne smeta ovom svijetu da ima vodeni globalni ocean. Drugi svijet, koji je daleko prehladan da bi na njemu postojala tekuća voda, nudi mogućnost drugog tekućeg otapala, otrovnog za nas, ali možda povoljnog za drukčije oblike života. Uskoro ćemo moći ispitati oba ova svijeta robotskim istraživačima. No, da vidimo što trenutno znamo o Europi i Titanu. Jupiterov satelit Europa, koji je gotovo iste veličine kao naš Mjesec, prošaran je mrežom pukotina na površini koje se mijenjaju u vremenskim razmacima što se mjere tjednima ili mjesecima. Stručnjacima za geologiju i planetologiju ovakvo ponašanje govori da se površina Europe gotovo potpuno sastoji od vodenog leda, sličnog divovskoj antarktičkoj ledenoj
ploči koja prekriva čitav svijet. A promjenjivi izgled pukotina i procijepa na ovoj ledenoj površini upućuje nas na izuzetan zaključak: izgleda da ovaj led pluta po globalnom oceanu. Samo uz pretpostavku postojanja tekućine ispod ledene površine znanstvenici na zadovoljavajući način mogu objasniti ono što su vidjeli zahvaljujući svemirskim letjelicama Voyager i Galileo. Kako promjene na površini uočavamo po cijeloj Europi, možemo zaključiti da pod njom mora postojati tekući ocean koji prekriva cijeli svijet. Koja bi to tekućina mogla biti i kako to da ona ostaje u tekućem stanju? Planetolozi su na upečatljiv način došli do još dva prilično sigurna zaključka: tekućina je voda, a ostaje u tom stanju zbog plimnog djelovanja divovskog planeta Jupitera na Europu. Budući da molekula vode ima više nego amonijaka, etana ili metil-alkohola, voda je najvjerojatniji kandidat za tekućinu ispod Europinog leda, a postojanje smrznute vode također ukazuje na to da u neposrednoj blizini mora postojati još vode. Ali kako voda može ostati u tekućem stanju u blizini Jupitera, gdje je temperatura koju stvara Sunce samo -150 stupnjeva Celzija? Unutrašnjost Europe ostaje razmjerno topla zahvaljujući plinovitim silama Jupitera i dva obližnja mjeseca, Ia i Ganimeda, koje neprekidno “masiraju” stijene u Europi kako ona mijenja položaj u odnosu na susjedna tijela. Svakog trenutka, one strane Ia i Europe koje su bliže Jupiteru izložene su snažnijoj gravitaciji velikog planeta nego li one udaljenije. Ova razlika u snazi gravitacije blago izdužuje čvrste mjesece u smjeru prema Jupiteru. Ali kako se udaljenost mjeseca od Jupitera mijenja dok kruže svojim stazama, utjecaj plime Jupitera – razlika u snazi gravitacijskoga djelovanja na bližu i dalju stranu – također se mijenja, izazivajući mala pulsiranja već izobličenoga tijela. Ova promjenjiva izobličavanja zagrijavaju unutrašnjost mjeseca. Poput lopte za skvoš ili tenis koje neprekidno bivaju udarane, u svakom sustavu koji biva izložen stalnim strukturnim naprezanjima povećava se unutrašnja toplina. Na udaljenosti od Sunca koja bi mu inače jamčila vječnu okovanost ledom, zahvaljujući razini ovih naprezanja Io je zavrijedio zvanje geološki najaktivnijega mjesta u cijelom Sunčevom sustavu – s vulkanima koji bljuju lavu, rascjepima na površini i tektonikom ploča. Današnji Io može se usporediti s ranom Zemljom, kada je naš planet još bio vrlo vruć i na površini, kao posljedica srastanja brojnih manjih planetizimala. U unutrašnjosti Ioa temperatura je toliko visoka da vulkani neprekidno izbacuju spojeve sumpora i natrija mnogo kilometara iznad površine
satelita. Temperatura na Iou previsoka je, zapravo, da voda opstane u tekućem stanju, ali Europa, koja je manje izložena djelovanju plime zato što je nešto udaljenija od Jupitera, manje je zagrijana, premda ni to nije beznačajno. Osim toga, Europin ledeni omotač djeluje kao poklopac ekspres-lonca na vodu koja se nalazi ispod, onemogućavajući joj da ispari, ali omogućavajući joj da se milijardama godina ne smrzne. Koliko možemo procijeniti, Europa je nastala s oceanom vode i ledom iznad njega i uspela je očuvati taj ocean blizu točke ledišta, ali ipak iznad nje, tijekom četiri i pol milijarde godina svoje svemirske povijesti. Astrobiolozi su zato kao glavni predmet istraživanja izabrali Europin ocean. Nitko ne zna koliko je ledeni pokrov debeo; debljina bi mogla iznositi od nekoliko desetina metara, pa do cijelog kilometra. S obzirom na plodnost života u Zemljinim oceanima, Europa je najvjerojatniji kandidat u Sunčevom sustavu kada je riječ o izvanzemaljskom životu. Zamislite da odete tamo na pecanje pod ledom. Inženjeri i znanstvenici iz Laboratorija za mlazni pogon u Kaliforniji imaju u planu svemirsku letjelicu koja bi se spustila na Europu, našla (ili probušila) rubu u ledu i spustila kroz nju podvodnu kameru za snimanje eventualnih primjeraka primitivnih živih bića koja plivaju ili puze po dnu. Pridjev “primitivni” odražava naša očekivanja zato što bi tamošnji eventualni oblici života imali na raspolaganju samo male količine energije. No, otkriće velikih masa živih organizama na dubini od dva kilometra i većoj ispod bazaltnih stijena u državi Washington, koji poglavito žive od geotermalne topline, daje nadu da bismo jednoga dana mogli pronaći u oceanima Europe žive organizme vrlo različite od svih zemaljskih. Ostaje, međutim, jedno važno pitanje: da li ove stvorove nazvati -Europljanima? Mars i Europa prva su dva kandidata za izvanzemaljski život u Sunčevom sustavu. Treći kandidat dvostruko je udaljeniji od Sunca nego Jupiter i njegovi mjeseci. Saturn ima jedan divovski mjesec, Titan, koji je, uz Jupiterov Ganimed, najveći mjesec u Sunčevom sustavu. Dvostruko veći od Mjeseca, Titan ima gustu atmosferu, po čemu je jedinstven među mjesecima (a u ovom pogledu u prednosti je i u odnosu na planet Merkur koji nije mnogo veći od Titana, ali zbog velike blizine Suncu s njega brzo isparavaju svi plinovi). Za razliku od atmosfera Marsa i Venere, Titanova atmosfera, više desetaka puta gušća od Marsove, uglavnom se sastoji od molekula dušika, baš kao i Zemljina. U prozirnom dušikovom plinu lebdi ogromna količina aerosolnih čestica, što je stalni Titanov smog koji našem pogledu zaklanja površinu ovog mjeseca. Ova okolnost pridonijela je
bujanju spekulacije o mogućnosti postojanja života na Titanu. Izmjerili smo temperaturu mjeseca tako što smo od njegove površine odbili radiovalove (koji se lako probijaju kroz atmosferske plinove i aerosole). Ustanovljeno je da Titanova površinska temperatura iznosi –188 0C, što je daleko ispod onog raspona u kojem voda postoji u tekućem stanju, ali je idealno za tekući etan, spoj vodika i ugljika poznat onima koji rade u rafinerijama nafte. Astrobiolozi su desetljećima zamišljali etanska jezera na Titanu puna organizama koji plivaju, jedu, susreću se i razmnožavaju. Sada, u prvom desetljeću 21. stoljeća, istraživanja su konačno došla na mjesto spekulacija. Brod za Saturn nazvan Cassini-Huygens, plod suradnje NASA i ESA, otisnuo se sa Zemlje 1997. godine. Gotovo sedam godina kasnije, nakon što je iskoristila gravitacijsko polje Venere (dva puta), Zemlje (jednom) i Jupitera (jednom), svemirska letjelica stigla je do Saturnovog sustava gdje je uključila rakete i ušla u stazu oko planeta s prstenima. Znanstvenici koji su isplanirali taj let predvidjeli su da se sonda Huygens odvoji od svemirske letjelice Cassini krajem 2004. te spusti kroz neprozirne oblake Titana do površine, koristeći toplinski štitnik da ne izgori od trenja prilikom brzog poniranja kroz gornje dijelove atmosfere, kao i niz padobrana pri spuštanju kroz niže dijelove atmosfere. Šest instrumenata na sondi Huygens imaju zadatak izmjeriti temperaturu, gustoću i kemijski sastav Titanove atmosfere, odnosno poslati na Zemlju snimke posredstvom svemirske letjelice Cassini koja je ostala u svemiru. U trenutku dok pišemo ovu knjigu još čekamo na snimke i podatke da bismo vidjeli što će nam oni reći o zagonetki skrivenoj ispod Titanovih oblaka. (Huygens se uspješno spusti na površinu Titana siječnja 2005. – prim. prev.) Malo je vjerojatno da ćemo ugledati sâm život, ako uopće postoji na ovom dalekom mjesecu, ali možemo očekivati da ćemo moći ustanoviti postoje li pogodni uvjeti za život, odnosno bazeni tekućine u kojima bi život mogao niknuti i uznapredovati. U najmanju ruku, možemo doznati za cijelu lepezu različitih tipova molekula koji postoje na površini Titana ili blizu nje, što bi moglo baciti novu svjetlost na ono što je prethodilo životu na Zemlji i diljem Sunčevoga sustava. Ako nam je za život potrebna voda, moramo li se ograničiti na planete i njihove mjesece na čijim čvrstim površinama voda može postojati u velikim količinama? Uopće ne. Molekule vode, kao i niz drugih uobičajenih jednostavnih spojeva kao što su amonijak, metan i alkohol, često se sastojci u hladnim međuzvjezdanim plinovitim oblacima. Pod
posebnim uvjetima niske temperature i visoke gustoće, skup molekula vode može biti potaknut da se preoblikuje i kanalizira energiju neke obližnje zvijezde u pojačani, vrlo snažni snop mikrovalova. Atomska fizika ove pojave slična je onoj kod lasera s vidljivom svjetlošću. Ali u ovom slučaju koristi se akronim maser (microwave amplification by the stimulated emission of radiation – mikrovalno pojačanje potaknute emisije zračenja). Ne samo da se voda javlja praktično svuda u Galaktici nego povremeno i šalje maserske snopove prema vama. Veliki problem s kojim se suočava potencijalni život u međuzvjezdanim oblacima ne odnosi se na nedostatak sirovina nego na izuzetno malu gustoću materije, što bitno smanjuje tempo sudaranja i međudjelovanja čestica. Ako su životu potrebni milijuni godina da nastane na planetu kao što je Zemlja, bili bi mu potrebni bilijuni godina da se začne na znatno nižim gustoći – a to je znatno više nego što je svemir star. Nakon što smo završili potragu za životom u Sunčevom sustavu, moglo bi izgledati da smo time priveli kraju pretresanje temeljnih pitanja o našim svemirskim postancima. Ne možemo, međutim, izaći iz ove arene, a da se ne pozabavimo još jednim oblikom ovog problema za neka buduća vremena: kontaktom s drugim civilizacijama. Ništa od onoga što nudi astronomija ne raspaljuje tako maštu javnosti i ništa nam ne pruža bolju priliku da dovedemo u jedinstveno žarište sve ono što smo doznali o svemiru. Sada kada smo donekle upoznati s tim kako bi život mogao početi na drugim svjetovima, ispitajmo kakve su vjerojatnosti da se utaži jedna od najdubljih ljudskih želja – ona da pronađemo druga bića u svemiru s kojima bismo mogli razmijeniti misli.
17. POTRAGA ZA ŽIVOTOM U MLIJEČNOJ STAZI Vidjeli smo da su u našem Sunčevom sustavu Mars, Europa i Titan najvjerojatniji kandidati za staništa izvanzemaljskog života, živog ili fosilnog. Na tim mjestima daleko je najveća vjerojatnost da će postojati voda ili neko drugo tekuće otapalo u kojem bi se molekule mogle kretati, susretati i obavljati svoj životorodni posao. Kako samo ova tri tijela najvjerojatnije sadrže neko otapalo, većina astrobiologa ograničava svoje nade u otkriće života u Sunčevom sustavu na otkrivanje primitivnih oblika na nekome od ta tri tijela. Pesimisti imaju razložan argument – koji će neposredna istraživanja jednoga dana potvrditi ili osporiti – da iako na nekom od ovih svjetova možemo naći uvjete pogodne za život, to još nikako ne znači da života tu mora i biti. U svakom slučaju, rezultati potrage na Marsu, Europi i Titanu bit će od velikog značaja za procjenu učestalosti života u svemiru. Optimisti i pesimisti slažu se glede jednog zaključka: ako krećemo u potragu za razvijenim oblicima života – za stvorenjima većim od jednostavnih jednostaničnih organizama koji su se prvi pojavili na Zemlji i ostali trajno prevladavajući – onda moramo gledati daleko izvan Sunčevoga sustava, prema planetima koji kruže oko drugih zvijezda. Sve donedavno mogli smo samo nagađati o postojanju tih planeta. Sada, otkako je otkriveno više stotina ovih egzosolarnih planeta, zasad samo onih sličnih Jupiteru i Saturnu, osnovano se može pretpostaviti da nas još jedino vrijeme i bolje promatračke tehnike dijele od otkrića planeta sličnih Zemlji. Posljednje godine dvadesetog stoljeća donijele su povijesnu prekretnicu: u tom razdoblju skupili smo prve dokaze o postojanju velikog broja nastanjivih svjetova diljem svemira. Prema tome, dvije prve veličine u Drakeovoj jednadžbi, koje zajedno određuju broj planeta što kruže oko dugoživućih zvijezda, vjerojatnije imaju visoku, a ne nisku vrijednost. Sljedeća dva člana, međutim, koja se odnose na vjerojatnost postojanja planeta pogodnih za život, odnosno na stvarnu pojavu života na njima, i dalje su gotovo podjednako neizvjesna kao i prije otkrića egzosolarnih
planeta. No, naša nastojanja određivanja ovih vjerojatnosti sada počivaju na čvršćim temeljima nego kada su u pitanju posljednja dva člana: vjerojatnost da će se život na nekom drugom svijetu razviti do civilizacijske razine i da će biti dugovječan poput same Galaktike. Za prvih pet članova Drakeove jednadžbe možemo ponuditi svoj planetni sustav i same sebe kao reprezentativni uzorak, premda nikad ne smijemo izgubiti iz vida kopernikansko načelo, kako ne bismo počeli mjeriti svemir prema nama, a ne obratno. Međutim, kada je riječ o posljednjem članu jednadžbe, koji se odnosi na pokušaj procjene prosječnog trajanja neke civilizacija koja je ovladala tehnološkim umijećem potrebnim za slanje signala preko međuzvjezdanih udaljenosti, ne uspijevamo doći do odgovora čak ni ako kao primjer uzmemo Zemlju, budući da tek treba ustanoviti koliko će potrajati naša civilizacija. U stanju smo slati signale na međuzvjezdane udaljenosti već gotovo stoljeće, još od kada su jaki radioodašiljači počeli slati poruke s kontinenta na kontinent. Hoćemo li opstati kao civilizacija još jedno stoljeće, jedno tisućljeće ili još tisuću stoljeća, ovisi o čimbenicima koji su daleko izvan naših moći predviđanja, premda mnogo toga što se danas događa ne govori u prilog velike vjerojatnost za dugovječno preživljavanje. Pitanje je li naša sudbina ujedno i sudbina prosječne civilizacije u Mliječnoj stazi otvara novu dimenziju nagađanja, te stoga posljednji čimbenik u Drakeovoj jednadžbi, koji na konačni rezultat ima podjednak utjecaj kao i ostali, mora biti procijenjen kao potpuno nepoznat. Ako, prema vrlo optimističkoj procjeni, većina planetnih sustava sadrži barem jedno tijelo s uvjetima pogodnim za život i ako život doista nastane na razmjerno visokom postotku (recimo, na svakom desetom) ovih tijela s povoljnim uvjetima, i ako se civilizacija javi na, možda, svakom desetom od tih životorodnih svjetova, onda će u nekom trenutku u povijesti Galaktike – koja broji 100 milijarda zvijezda - na milijardu planeta niknuti civilizacija. Ovaj ogroman broj proizlazi, naravno, iz činjenice da naša Galaktika sadrži vrlo mnogo zvijezda sličnih našem Suncu. Da biste stvari pogledali iz pesimističkog kuta, jednostavno smanjite one Drakeove faktore “na svakom desetom” na “na svakom desettisućitom”, smanjili ste vjerojatnost za milijun puta. Onda se milijardu civilizacija svodi na 1000 civilizacija. A između milijardu i tisuću bitna je razlika. Pretpostavimo da prosječna civilizacija, kojoj je ovaj status pripisan na temelju njene sposobnosti komuniciranja na međuzvjezdanim udaljenostima, istraje
10.000 godina – što je samo milijunti dio životnoga vijeka Mliječne staze. Prema onom optimističkom gledanju, u nekom trenutku povijesti Galaktike civilizacije nastaju na milijardu mjesta, te će stoga u bilo kojem izabranom dobu dugom 10.000 godina postojati istovremeno oko 1000 civilizacija. No, prema pesimističkom viđenju, u svakom izabranom dobu toga trajanja (10.000 godina) postajat će samo 0,001 civilizacija, te bismo mi tako bili samotni, malo vjerojatni civilizacijski treptaj koji se jedini pojavio u ovom galaktičkom trenutku. Koja je od ove dvije procjene bliža stvarnome stanju stvari? U znanosti ništa nije uvjerljivije od rezultata pokusa. Želimo li odrediti prosječan broj civilizacija u Mliječnoj stazi, najbolji znanstveni pristup bio bi da se ustanovi koliko civilizacija sada postoji. Najizravniji način bio bi krenuti na ispitivanje cijele Galaktike, po uzoru na junake televizijske serije Zvjezdane staze, i bilježiti podatke o svakoj civilizaciji na koju naiđemo, ako uopće naiđemo na neku. (Mogućnost da u Mliječnoj stazi osim nas nema nikog drugog nije zahvalan televizijski scenarij te se ni ne prikazuje na malim ekranima.) Nažalost, ovakva pretraga nalazi se daleko iznad naših sadašnjih tehnoloških sposobnosti i financijskih mogućnosti. Osim toga, pretraživanje cijele Galaktike potrajalo bi milijunima godina, ako ne i duže. Zamislite kakva bi to bila televizijska serija o međuzvjezdanoj potrazi za izvanzemaljcima ako bismo se držali onoga što sigurno znamo o fizičkoj stvarnosti svemira. Tipična epizoda prikazivala bi posadu kako gunđa i jadikuje, svjesna da iako je prevalila velik put, kao da se još uopće nije otisnula na putovanje. “Pročitali smo sve što smo imali za čitanje”, mogao bi progunđati netko od junaka. “Smučili smo se jedni drugima, a naročito nam je dosta tebe, kapetane.” A onda, dok ostali članovi posade pjevuše za sebe, dok se drugi povlače u unutarnje svjetove, tonući prema ludilu, jedan dugi kadar izvan broda podsjeća nas na to da su udaljenosti do drugih zvijezda u Mliječnoj stazi milijunima puta veće od udaljenosti između planeta u Sunčevom sustavu. Da stvar bude još gora, te “druge zvijezde” koje su milijunima puta dalje negoli planeti, tek su Sunčeve prve susjede od kojih nas dijeli toliki prostor da su svjetlosti s njih potrebne godine da stigne do nas. A za putovanje s kraja na kraj Mliječne staze morali bismo prevaliti gotovo deset tisuća puta veću udaljenost, a da i ne spominjemo koliku bismo tek ukupnu udaljenost morali prijeći da posjetimo svaku od stotinu milijardi zvijezda u Galaktici. Holivudski filmovi o međuzvjezdanim putovanjima jednostavno preskaču ovaj bitni problem te pretpostavljaju da će se on već
nekako riješiti boljim raketama ili potpunijim razumijevanjem fizike (primjer Zvjezdani ratovi), ili nude zanimljive mogućnosti kao što je hibernacija astronauta koja im omogućava preživjeti izuzetno duga putovanja (primjer Planet majmuna). Sve ove zamisli imaju izvjesnu privlačnost, a neke nude i poticajne mogućnosti. Stvarno bismo mogli poboljšati rakete koje trenutno mogu postići samo oko jedan postotak od jednog postotka brzine svjetlosti, a ona je najveća brzina kojom se možemo gibati (točnije, približiti joj se) u skladu s našim sadašnjim poznavanjem fizike svemira. No čak i brzinom gotovo jednakom brzini svjetlosti putovanje do najbližih zvijezda potrajalo bi godinama, dok bi za prelazak Mliječne staze bilo potrebno blizu tisuću stoljeća. Hibernacija astronauta otvara neke nade, ali gledano iz kuta onih koji ostaju na Zemlji i koji će financirati projekt, a neće biti zamrznuti, vrlo dugo vrijeme koje će proteći do povratka svemirskih putnika neće baš poticajno djelovati na njihovu spremnost da ulože novac u to putovanje. Uzevši u obzir poznatu nam kratkoročnost naše zainteresiranosti, najbolji način uspostavljanja kontakta s izvanzemaljskim civilizacijama – ako uopće postoje – je upravo ovdje na Zemlji. Sve što treba učiniti je da pričekamo da one stupe u vezu s nama. To je daleko jeftinije od svega drugoga i pruža brzu korist do koje ljudska zajednica vrlo drži. No i tu ima jedna kvaka. Zašto bi oni stupili u vezu s nama? Što je to po čemu se naš planet izdvaja i što bi zavrijedilo pažnju izvanzemaljskih društava, ako, naravno, postoje? Po tome, više nego u bilo čemu drugom, ljudi su neprekidno kršili kopernikansko načelo. Zapitajte bilo koga što je to što Zemlju čini izuzetnom i bit će vam uzvraćeno oštrim, ljutitim pogledom. Gotovo sve zamisli o dolasku stranih posjetitelja na Zemlju, kao i najveći dio religijskih učenja, temelje se na neizrečenom, ali očiglednom zaključku da se naš planet i naša vrsta nalaze toliko visoko na ljestvici svemirskih čuda da uopće nije potrebno objašnjavati ili dokazivati astronomski neobičan aksiom da se naše zrnce prašine, gotovo izgubljeno na rubovima Mliječne staze, ističe poput galaktičkog fara koji ne samo da privlači nego i dobiva pažnju kozmičkih razmjera. Ovaj zaključak proizlazi iz činjenice da aktualno stanje stvari postaje izokrenuto kada svemir promatramo sa Zemlje. Iz te perspektive, naše zanimacije dobivaju ogromne razmjere, dok su zvijezde samo točkice svjetlosti. Viđeno iz perspektive svakodnevice, ovo je potpuno smisleni zaključak. Naš uspješni opstanak i razmnožavanje, kao i kod bilo kojeg drugog živog bića, malo ima veze sa svemirom koji nas okružuje. Od svih
astronomskih tijela jedino Sunce i, bitno manje, Mjesec djeluju na naše živote, a njihovo gibanje ponavlja se tako pravilno da oni gotovo izgledaju kao dio zemaljske panorame. Ljudska svijest, nastala na našem planetu tijekom bezbroj susreta sa zemaljskim stvorovima i zbivanjima, s razlogom svodi sve ono što je izvanzemaljsko na daleku kulisu ispred koje su znatno važniji ovdašnji događaji. Pogreška je u pretpostavci da ta kulisa nas također vidi u središtu događanja. Kako smo svi mi stekli ovaj pogrešan stav znatno prije no što smo svjesno ovladali načinom mišljenja, nismo u stanju potpuno ga odstraniti čak i kad odlučimo posvetiti se pristupanju svemira. Oni koji uvažavaju kopernikansko načelo moraju stalno voditi računa o mrmljanju naših reptilskih umova koji nas uvjeravaju da zauzimamo središnje mjesto u svemiru i koji zbog toga neizbježno usmjeruje svu svoju pažnju na nas. Kad pogledamo izvješća o izvanzemaljskim posjetiteljima našem planetu, moramo uočiti još jednu zabludu ljudskog načina razmišljanja, koja je podjednako sveprisutna i samoobmanjujuća kao i naše antikopernikanske predrasude. Ljudska bića uzdaju se u svoje pamćenje znatno više nego što to stvarnost opravdava. Činimo to zato što to ima istu vrijednost za naš opstanak kao što je i viđenje Zemlje kao središta svemira. Sjećanja sadrže ono što zapažamo, a bilo je uvijek vrlo uputno voditi računa o tome želimo li izvlačiti zaključke o budućnosti. Otkad, međutim, raspolažemo sigurnijim načinima bilježenja prošlosti, jasno nam je da pojedinačno pamćenje ne smije biti glavno uporište kada je riječ o svim stvarima značajnim za društvo. Vode se stoga zapisnici političkih rasprava i tiskaju se zakoni, snimaju se mjesta zločina i prisluškuju mogući počinitelji zlodjela, zato što priznajemo da su sva ova bilježenja sigurnija od naših mozgova u osiguranju trajnog bilježenja prošlih događaja. No, ostaje jedan veliki očiti izuzetak od ovog pravila. I dalje prihvaćamo kao točna svjedočenja očevidaca u pravnim sporovima. Ne odustajemo od toga, iako je bezbroj puta dokazano da svatko od nas, unatoč najboljim namjerama, ne uspijeva točno zapamtiti događaje, osobito kada su posrijedi – kako to obično biva u slučajevima koji dolaze do suda – neobični i uzbudljivi događaji. Naš pravni sustav prihvaća svjedočenja očevidaca u duhu duge tradicije, iz emotivnih razloga, ali ponajprije zato što su to jedina neposredna svjedočanstva o bivšim događajima. No, kad god se u sudnici začuje tvrdnja tipa “Taj čovjek je držao pištolj”, moraju se imati u vidu mnogi slučajevi kada se pokazalo da svjedok nije bio u pravu, iako je iskreno vjerovao u to.
Uzmemo li obzir ove okolnosti kada razmatramo izvještaje o neidentificiranim letećim objektima (NLO), lako je uočiti da tu postoje velike mogućnosti za pogrešku. Po definiciji, viđenja NLO su neobični događaji koji navode promatrače da prave razliku između poznatih i nepoznatih tijela na nebeskom svodu, na koji inače rijetko obraćaju pažnju, i najčešće zahtijevaju brzo zaključivanje o njima zato što brzo nestaju. Dodajte tome psihičku napetost izazvanu uvjerenjem promatrača da je bio nazočan nekom izuzetno čudnom događaju, i teško da ima boljeg udžbeničkog primjera okolnosti u kojima dolazi do nastanka pogrešnog sjećanja. Što možemo učiniti da izvještaji o NLO budu sigurniji od onih koje dobivamo od očevidaca? Tijekom pedesetih godina, astrofizičar J. Allen Hynek, tada glavni savjetnik za NLO pri američkom vojnom zrakoplovstvu, imao je običaj da iz džepa izvadi minijaturnu kameru i kaže da ako ikada vidi neki NLO, upotrijebit će kameru da dobije siguran znanstveni nalaz, budući da zna da je svjedočenje očevidaca u ovom pogledu bezvrijedno. Nažalost, tehnološki napredak u kasnijim godinama omogućio je pravljenje fotomontaža i lažnih videosnimki koje se teško mogu razlikovati od izvornih, te se zato Hynekova zamisao mora odbaciti zato što snimke NLO nisu pouzdano istinite. U stvari, uzme li se u obzir s nepouzdanost sjećanja i nepouzdanost snimki, nije više lako napraviti test kojim bi se razlikovalo izvorno od lažnog kod bilo kojeg pojedinačnog viđenja NLO. Kada je riječ o suvremenijim pojavama otmica ljudi od strane izvanzemaljaca, sposobnost ljudske psihe da izobliči stvarnost postaje još uočljivija. Iako do čvrstih brojki nije lako doći, tijekom posljednjih godina na deseci tisuća ljudi bili su uvjereni da su oteti i odvedeni na strane svemirske brodove gdje su bili podvrgnuti ispitivanjima, nerijetko vrlo ponižavajućim. Kada se stvari trezveno razmotre, ovakve tvrdnje jednostavno treba odbaciti kao neosnovane. Neposredna primjena načela Occamove oštrice, koje izriče da je najjednostavnije objašnjenje ujedno i najvjerojatnije, dovodi nas do zaključka da su ovakve otmice stvar mašte. Kako je gotovo prema svim izvještajima otmica izvedena kasno u noć, a većina se zbila dok je žrtva spavala, najvjerojatnije je posrijedi bilo takozvano hipnagoško stanje, razmeđa između sna i jave. Mnogi ljudi u ovom stanju doživljavaju vizualne i zvučne halucinacije, a ponekad i “san na javi” u kojem se osoba osjeća svjesna, ali nije se u stanju pokrenuti. Ovi doživljaji prolaze kroz filtre našeg mozga, stvarajući naizgled izvorna
sjećanja u koje se nepokolebljivo vjeruje. Usporedite ovo objašnjenje otmica od strane izvanzemaljaca s alternativnim, prema kojem su izvanzemaljski posjetitelji iz nekog razloga izdvojili Zemlju i stigli na nju u dovoljnom broju da otimaju na tisuće ljudi, premda samo nakratko, kako bi ih detaljno ispitali (ali zar nisu mogli znatno ranije doznati sve što ih zanima – i zar nisu lakše mogli domoći se ljudskih leševa, ako su se već detaljno željeli upoznati s našom anatomijom?) Prema jednom broju priča, izvanzemaljci su vadili neku korisnu tvar iz otetih, oplođivali naše žene ili se tako umiješali u um žrtava da ih je kasnije nemoguće otkriti (ali zar nije bilo znatno jednostavnije potpuno ukloniti sjećanje na otmicu?) Ovakva svjedočanstva ne mogu se kategorički odbaciti, baš kao ni mogućnost da su ove riječi, koje čitate, napisali posjetitelji iz svemira da bi ljude koji ih čitaju uljuljkali u lažnom uvjerenju da su sigurni od planova izvanzemaljaca da osvoje Zemlju ili svemir. No, ako se oslonimo na sposobnost razumnog tumačenja okolnosti i razlikovanja vjerojatnijih od manje vjerojatnih objašnjenja, hipotezi o otmicama možemo pripisati posve malu vjerojatnost. Jedan zaključak ne mogu osporiti ni skeptici ni oni koji vjeruju u NLO. Ako izvanzemaljska društva posjećuju Zemlju, onda im je vjerojatno poznato da raspolažemo globalnom komunikacijskom mrežom preko koje emitiramo informativne i zabavne sadržaje, premda ih je ponekad teško razlikovati. Ova mreža bila bi lako dostupna stranim posjetiteljima ako bi je poželjeli koristiti. Za to bi dobili trenutno dopuštenje (u stvari, ono im uopće ne bi bilo potrebno), te bi tako začas mogli obznaniti svoju nazočnost – ako bi im to bila namjera. Nepostojanje izvanzemaljaca na našim televizijskim ekranima svjedoči ili o tome da se oni ne nalaze u blizini Zemlje ili o njihovoj nevoljkosti da se pokažu – a to je takozvani problem “sramežljivosti”. Drugo objašnjenje otvara zanimljivo pitanje. Ako se izvanzemaljci ne žele otkriti, a ako raspolažu tehnologijom koja je znatno nadmoćnija od naše, o čemu svjedoči činjenica da su svladali međuzvjezdane udaljenosti da bi stigli do nas, zašto onda jednostavno ne bi uspjeli u svome naumu? Zašto bismo onda očekivali da imamo bilo kakve tragove – viđenja, krugove u žitu, piramide koje su podigli drevni astronauti, sjećanja na otmice – ako to izvanzemaljci ne žele? Moraju kopati po našim umovima, uživajući u igri mačke i miša. Vjerojatno u potaji manipuliraju i našim vođama – zaključak koji odmah traži preispitivanje glavnine onoga što spada u područje politike i zabave. Fenomen NLO osvjetljava jednu važnu značajku naše svijesti.
Vjerujući u to da je naš planet središte postanka i da je zvjezdano okruženje samo dekor našeg svijeta, a ne obratno, mi time ipak izražavamo snažnu želju da se povežemo s svemirom, što se u mentalnim aktivnostima pokazuje kao protuteža uvjerenosti u točnost izvještaja o posjetu izvanzemaljaca ili vjerovanju u blagonaklono božanstvo koje šalje munje i emisare na Zemlju. Ovaj stav vuče korijen iz doba kada je postojala očita razlika između neba gore i Zemlje dolje, između objekata koje smo mogli dodirnuti i zagrepsti i onih koji su se kretali i sjali, ali i ostajali zauvijek izvan našeg dosega. Na temelju toga pravili smo razliku između zemnog tijela i svemirske duše, između svjetovnog i čudesnog, prirodnog i natprirodnog. Potreba za mentalnim mostom koji bi povezao ove dvije strane stvarnosti imala je utjecaja na mnoge naše pokušaje da izgradimo suvislu sliku vlastitoga postojanja. Novijim znanstvenim otkrićem da smo samo zvjezdani prah ubačen je ogroman klip u naše mentalne žrvnjeve, od čega se još pokušavamo oporaviti. NLO nagovještavaju nove glasnike s druge strane postojanja, svemoćne posjetitelje koji dobro znaju što su naumili, dok mi ostajemo neuki, jedva svjesni da je istina negdje tamo. Ovo viđenje čini okosnicu klasičnoga filma Dan kada se Zemlja zaustavila (1951) u kojem izvanzemaljski posjetitelj, mudriji od nas, stiže na naš svijet s upozorenjem da nas naše nasilničko ponašanje vodi u samouništenje. Naše urođene predodžbe o svemiru pokazuju mračnu stranu koja projektira na ne-ljudske posjetitelje ono što osjećamo prema ljudskim strancima. Mnogi izvještaji o NLO sadrže fraze poput ove: “Čuo sam nešto neobično vani, pa sam uzeo pušku i pošao vidjeti što je.” Filmovi u kojima se javljaju izvanzemaljci na našem planetu također izražavaju ovaj neprijateljski stav, počevši od hladnoratovskog Zemlja protiv letećih tanjura (1956), u kojem vojska uništava stranu svemirsku letjelicu uopće se ne upitavši kakve su namjere došljaka, pa do filma Znaci (2002) u kojem miroljubivi junak, kojem pri ruci nije puška, koristi palicu za bejzbol da kazni uljeze – što bi teško moglo biti prikladan način suprotstavljanja izvanzemaljcima sposobnim za međuzvjezdana putovanja. Najjači razlozi koji se protive tumačenjima izvještaja o NLO kao dokazima posjeta izvanzemaljaca su beznačajnost našeg planeta i ogromne udaljenosti između zvijezda. Ovi razlozi nisu, doduše, bespogovorni, ali udruženo djeluju vrlo uvjerljivo. Moramo li onda zaključiti da, budući da Zemlja ne djeluje privlačno, očekivanja da nađemo druge civilizacije moramo odložiti za dan kada ćemo se moći sami otisnuti prema drugim
planetnim sustavima? Uopće ne. Znanstveni pristup uspostavljanju kontakta s drugim civilizacijama u Mliječnoj stazi i izvan njega, ako uopće postoje, oduvijek se temeljio na korištenju pogodnosti koje nam pruža priroda. Ovo načelo preoblikuje osnovno pitanje s kojim se suočavamo. Ono više ne glasi: “Koji nam oblik izvanzemaljskih civilizacija djeluje najuzbudljivije?” (Odgovor: “Dolazak posjetitelja.”) Umjesto toga, postavlja se drugo, u znanstvenom pogledu znatno plodonosnije pitanje: “Koje je najvjerojatnije sredstvo za uspostavljanje kontakta s drugim civilizacijama?” Priroda i ogromne udaljenosti između zvijezda nude jasan odgovor: valja se osloniti na najjeftinije i najbrže komunikacijsko sredstvo kojim raspolažemo i koje se kao takvo smatra i diljem Galaktike. Najjeftiniji i najbrži način slanja poruka između zvijezda je korištenje elektromagnetnoga zračenja, istog onog na koje se oslanjamo u svim telekomunikacijama na Zemlji. Radiovalovi su donijeli revoluciju ljudskom društvu time što su nam omogućili da šaljemo riječi i slike po svijetu brzinom od 300.000 kilometara u sekundi. Ovi signali putuju toliko brzo da čak i kada ih najprije pošaljemo do satelita koji se nalaze na geostacionarnoj stazi na visini od 36.000 kilometara, odakle se emitiraju prema nekom drugom dijelu planeta, zakašnjenje do kojeg dolazi znatno je manje od jedne sekunde. Potrebno je, naravno, neusporedivo više vremena da se prijeđu međuzvjezdane udaljenosti, ali to je najbrži način koji postoji. Ako namjeravamo poslati radioporuku do Alfe Centauri, zvjezdanog sustava najbližeg Suncu, mora se računati na putovanje od 4,3 godine u jednom smjeru. Poruke koje putuju dvadeset godina mogu stići do više stotina zvijezda, odnosno do planeta koje kruže oko njih. Ako smo, dakle, spremni čekati četrdeset godina, koliko traje dvosmjerno putovanje, možemo poslati poruke do svih ovih nekoliko stotina zvijezda i vidjeti hoće li nam iz nekog sustava stići odgovor. Ovo, dakako, podrazumijeva ne samo da civilizacije postoje u blizini neke od tih zvijezda nego i da se služe radiokomunikacijama te da ih žele upotrijebiti kao i mi. Temeljni razlog zbog kojeg ne koristimo ovu metodu u potrazi za drugim civilizacijama nisu pretpostavke na kojima ona počiva nego naša ljudska mjerila. Predugo je, naime, čekati četrdeset godina na nešto što se možda nikada neće dogoditi. (No, da smo poslali poruke prije četiri desetljeća, sada bismo već imali informacije o broju civilizacija iz našeg
dijela Mliječne staze koje koriste radio.) Jedini ozbiljan pokušaj u ovom smislu poduzet je sedamdesetih godina dvadesetoga stoljeća, kada su astronomi upotrijebili radioteleskop blizu Areciba, u Portoriku, za slanje poruke od nekoliko minuta u pravcu kuglastog zvjezdanog jata M13. Kako je to jato od nas udaljeno 25.000 svjetlosnih godina, na povratnu poruku potrebno je vrlo dugo čekati, što je cijeli pothvat učinilo prije demonstracijom tadašnjih tehničkih mogućnosti nego stvarnim pokušajem stupanja u vezu. Ako mislite da je želja za neuočljivošću spriječila moguće nove pokušaje (korisno je držati se suzdržano na nepoznatom terenu), imajte na umu da su radioemitiranje i televizijska emitiranje poslije drugog svjetskog rata, kao i jaki radarski snopovi, slali već brojne valova u svemir. Šireći se brzinom svjetlosti, ove “poruke” iz doba Bonance i Dugog, toplog ljeta već su zapljusnule na tisuće zvijezda, dok su novije serije, poput Dinastije ili Charlijevih anđela usrećile na stotine sunaca. Ako druge civilizacije budu uspjele razlučiti pojedinačne emisije iz kakofonije zemaljskih emisija – koje su sada jednake ili jače od radioemisija bilo kojeg tijela u našem zvjezdanom sustavu, računajući i Sunce – onda su možda na mjestu nevesele pretpostavke da sadržaj uhvaćenih emisija nudi objašnjenje zašto se naši susjedi ne oglašavaju. Naši programi, naime, djeluju im toliko odbojno i grozno ili (usudimo se pretpostaviti) tako izuzetno dojmljivo da se suzdržavaju od odgovora. Poruka bi, međutim, mogla sutra stići, puna zanimljivih informacija i komentara. Tu leži najveća privlačnost komuniciranja elektromagnetnim valovima. Ne samo da je jeftino (emitiranje svih televizijskih emisija u svemir tijekom pola stoljeća stajalo je manje od slanja jedne letjelice na Mjesec ili bilo koji planet Sunčevoga sustava) nego je i trenutno – pod uvjetom da uspijemo primiti i protumačiti emisije drugih civilizacija. Ni ovaj oblik kontakta nije bez uzbuđenja karakterističnih za NLO, ali ovdje možemo snimiti uhvaćene emisije, provjeriti jesu li autentične i detaljno ih proučiti sve dok ih ne shvatimo. U potrazi za izvanzemaljskom inteligencijom, koje znanstvenici nazivaju kraticom SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence), težište se nalazi na pokušaju da se uhvate radiosignali, premda ne bi trebalo odustati ni od potrage za signalima upućenim svjetlosnim valovima. Iako bi se svjetlosnih signali drugih civilizacija morali nadmetati s bezbroj prirodnih izvora svjetlosti, laserski snopovi emitiraju se je u jednoj uskoj boji odnosno frekvenciji – što je isti pristup koji omogućuje radiovalovima da prenose poruke raznih radio i televizijskih stanica. SETI se služi velikim
tanjurastim antenama koje mogu pretraživati nebo, osjetljivim prijemnicima koji bilježe ono što antene primaju i snažnim računalima koji analiziraju primljene signale u potrazi za onima koji ne bi bili prirodnog porijekla. Dvije su osnovne mogućnosti: možemo otkriti drugu civilizaciju tako što ćemo prisluškivati njezine komunikacije, od kojih neke odlaze u svemir na isti usputni način kao i naše radio i televizijske emisije; ili možemo uhvatiti namjerno odaslane signale koji su poslani upravno zato da stignu do još nekatalogiziranih civilizacija kakva je naša. Prisluškivanje je, dakako, teži zadatak. Usmjereni signal pak koncentrira svu svoju energiju u jednom pravcu, te je njegovo hvatanje znatno lakše ako je namjerno upućen prema nama, dok signali koji se kuglasto na sve strane šire u svemir raspršuju svoju snagu ravnomjerno u svim pravcima, te su stoga znatno znatno slabiji na danoj udaljenosti od izvora negoli je to neki usmjereni signal. Osim toga, usmjeren signal vjerojatno bi sadržavao nekakav uvodni dio koji bi podučio onoga što ga prima o tome kako da ga tumači, dok zračenje koje slučajno odlazi u svemir ne bi imalo razloga sadržavati upute za upotrebu. Iz naše civilizacije signali se šire svemirom već desetljećima, dok je usmjereni signal uputila samo jednom, i to u trajanju od nekoliko minuta. Ako su civilizacije rijetke, pokušaji da se one otkriju trebali bi biti koncentrirani na prisluškivanje, a ne na slabu nadu da će nam biti upućen usmjereni signal. Uz sve bolje sustave antena i prijemnika, ljudi koji se bave SETI programom uvelike prisluškuju svemir, u nadi da uhvate neki znak postojanja drugih civilizacija. No, kako nema nikakvog jamstva da će ovo prisluškivanje ikada uroditi plodom, oni koji se njime bave teško dolaze do potrebnog novca. Početkom devedesetih godina američki Kongres pružao je potporu jednom programu SETI godinu dana, a onda je i to ukinuto. Znanstvenici koji se bave programom SETI sada imaju pomoć milijuna vlasnika računala diljem svijeta koji su s internet stranice setiathome.sl.berkeley.edu skinuli jedan program koji koristi slobodno vrijeme računala za analiziranje radioteleskopom zabilježenih emisija u potrazi za logičkim smislenim signalima u šumi svemirske kakofonije signala iz prirodnih izvora. Potpora je dobivena i od bogatih pojedinaca, a posebno od pokojnog Bernarda Olivera, istaknutog inženjera iz tvrtke Hewlett-Packard koji se vrlo zanimao za SETI, i Paula Allena, suosnivača Microsofta. Oliver je uložio mnoge godine u proučavanju temeljnog problema SETI: poteškoća potrage kroz milijarde mogućih frekvencija na kojima druge civilizacije možda emitiraju, što je slično traženju igle u
stogu sijena. Mi radiospektar dijelimo u relativno široke komercijalne pojaseve (kanale), tako da postoji samo nekoliko stotina različitih frekvencija za radio i televizijska emitiranja. U načelu, međutim, izvanzemaljski signali mogli bi biti tako frekventno uski da SETI-jev birač programa treba imati mogućnost za milijarde ulaznih kanala. Jaki računalni sustavi na kojima se temelje suvremeni programi SETI u stanju su nositi se s ovom poteškoćom zahvaljujući tome što istodobno provjeravaju na stotine milijuna frekvencija. No, nije pronađeno još ništa što bi ukazivalo na radioemisije drugih civilizacija. Jednom prigodom, prije više od pedeset godina, talijanski genij Enrico Fermi, možda posljednji veliki fizičar koji je istodobno bio i eksperimentator i teoretičar, razgovarao je tijekom nekog ručka s kolegama o izvanzemaljskom životu. Složivši se da se Zemlja ni po čemu ne ističe kao kolijevka života, znanstvenici su došli do zaključka da bi Mliječna staza morala vrvjeti od života. Ali ako je tako, upitao je Fermi, a to pitanje pronosi se kao odjek kroz kasnija desetljeća, gdje su onda oni? Fermi je imao na umu da ako se na mnogo mjesta u Galaktici pojavila tehnološki napredna civilizacija, trebali bismo do sada dobiti glas barem od neke među njima. Ako nam već nisu stigli u posjet, morali smo uhvatiti njihove laserske ili radioporuke. Čak i ako se mnoge civilizacije brzo ugase, kao što se to može dogoditi i s našom, zbog (pretpostavljene) činjenice da su izuzetno mnogobrojne slijedi da bi neke bile dovoljno dugovječne da krenu u opsežnu i dugotrajnu potragu za drugima. Čak i ako neke od dugovječnih i ne bi iz nekog razloga bile zainteresirane za ove potrage, zasigurno bi bilo i takvih koje bi bile. Prema tome, činjenica da znanstveno nisu ustanovljeni posjeti Zemlji i da nisu uhvaćeni signali drugih civilizacija, mogla bi značiti da smo vrlo precijenili vjerojatnost pojave civilizacija u Mliječnoj stazi. Fermi je bio u pravu. Svakim danom postaje sve vjerojatnija mogućnost da smo možda sami u Galaktici. Međutim, ako se pozabavimo konkretnim brojkama, perspektiva još ne izgleda beznadna. Ako nekoliko tisuća civilizacija postoji u Galaktici u bilo kojem trenutku, prosječna udaljenost između dvije susjedne iznosila bi nekoliko tisuća svjetlosnih godina, što je tisuću puta više od udaljenosti koja nas dijeli od najbliže zvijezde. Ako su jedna ili više ovih civilizacija potrajale milijunima godina, onda bi se moglo očekivati da bi nam do sada trebali poslati signale ili bismo ih slučajno otkrili u okviru naših skromnih pokušaja prisluškivanja. No, ako nijedna civilizacija ne uspijeva dostići takvu
starost, onda nam valja detaljnije poraditi na pronalaženju naših susjeda, jer se nitko od njih možda ne trudi na galaktičkoj razini da nađe druge, odnosno nitko ne emitira dovoljno snažno da ga možemo slučajno čuti opremom kojom danas raspolažemo. Nalazimo se, dakle, u situaciji koja je tipična za ljude; na rubu događaja koji se možda nikada neće odigrati. Najznačajnija vijest u ljudskoj povijesti mogla bi doći sutra, sljedeće godine ili ne doći nikada. Nastavimo zato ususret novom svitanju, spremni prigrliti svemir koji nas optače, otkrivajući nam se, blistav od energije i ispunjen tajnama.
KODA POTRAGA ZA NAMA SAMIMA U SVEMIRU Opremljen sa svojih pet osjetila, čovjek istražuje svijet oko sebe i tu pustolovinu naziva znanost. — Edwin P. Hubble, 1948. Ljudska osjetila odlikuju se izuzetnom oštrinom i rasponom osjetljivosti. Naše uši čuju grmljavinu pri lansiranju raketoplana, ali i komarca koji zuji u kutu sobe. Preko osjetila dodira osjećamo kada nam kugla u kuglani padne na nožne prste, ali i kada nam neki kukac težak jedan miligram gmiže po ruci. Neki ljudi uživaju u vatreno ljutim feferonima, dok su drugi u stanju otkriti začine u hrani čije se količine mjeri tek milijuntim dijelovima. Očima registriramo blistavo obasjanu pješčanu obalu, ali također i šibicu upaljenu u mraku na udaljenosti više od stotinu metara. Da nije osjetila vida, astronomija nikada ne bi bila rođena i mi ne bismo mogli odrediti svoje mjesto u svemiru. Udružena, osjetila nam omogućavaju da odredimo osnovne stvari o našem neposrednom okruženju – kao, na primjer, je li dan ili noć, ili namjerava li nas pojesti neki stvor. Ali do prije samo neko stoljeće gotovo je bilo nepoznato da nam osjetila otvaraju samo uski prozor za pogled na fizički svijet. Neki ljudi se hvale da imaju i šesto osjetilo koje im omogućava da znaju ili vide stvari nedostupne drugima. Gatare, čitači umova i mistici nalaze se na čelu popisa onih koji se diče tajanstvenim moćima. Oni uspijevaju očarati mnoge ljude. Sumnjivo područje parapsihologije opstaje na očekivanjima da barem neki ljudi raspolažu tim sposobnostima. Za razliku od tih sumnjivih sposobnosti, suvremena znanost stalno i dokazivo koristi na desetke “osjetila”. Ali znanstvenici ne tvrde da su to posebne moći; riječ je samo o uređaji koji pretvaraju informacije prikupljene tim dodatnim osjetima u tablice, grafikone, dijagrame ili slike, koje zatim možemo prihvatiti pomoću naših pet osjetila. Uz dužnu ispriku Edwinu P. Hubbleu, njegove riječi s početka ovog poglavlja, iako ironične
i poetične, trebale bi, zapravo, ovako glasiti: Oslanjajući se na svojih pet osjetila, te na teleskope, mikroskope, spektrografe, seizmografe, magnetometre, detektore i akceleratore, kao i instrumente kojima bilježimo zračenje u cijelom elektromagnetnom spektru, čovjek istražuje svijet oko sebe i tu pustolovinu naziva znanost. Pomislite samo koliko bi nam svijet izgledao bogatiji ili koliko bismo ranije otkrili temeljnu prirodu svemira da imamo visoko precizne, frekventno podesive očne jabučice. Prebacite se na radiovalni dio spektra i dan se istog trena pretvara u noć, osim u nekim pravcima. Središte naše Galaktike, na primjer, postaje jedno od najblistavijih mjesta na nebu, žarko sjajeći iza glavnih zvijezda u zviježđu Strijelac. Prebacite se na mikrovalno područje i cijeli svemir sjaji tinjajućim ostacima iz najranijeg vremena; odjednom se nalazite suočeni sa zidom zračenja koje se krenulo na putovanje samo 380.000 godina poslije Velikoga praska. Prebacite se na rendgensko područje i odmah ćete uočiti mjesta gdje se nalaze crne jame u koje materija spiralno upada. Prebacite se na područje gama zračenja i uživajte u prizoru divovskih eksplozija koje se javljaju na raznim mjestima u svemiru približno jednom dnevno. Promatrajte utjecaj ovih eksplozija na okolnu međuzvjezdanu materiju koja se zagrijava i emitira rendgensku, infracrvenu i vidljivu svjetlost. Da smo rođeni s detektorima magnetskih polja, kompas nikada ne bi bio pronađen zato što nikome ne bi bio potreban. Samo pogledate linije Zemljinoga magnetnoga polja i otkrivate u kojem je pravcu sjeverni magnetni pol, negdje iza obzora, poput Oza. Da u mrežnjači imamo spektroskop, uopće se ne bismo pitali od čega se sastoji atmosfera. Bilo bi dovoljno baciti pogled i odrediti sadrži li dovoljno kisika za opstanak životinja. Na isti način, okom bismo otkrili još prije mnogo tisuća godina da se zvijezde i maglice u našoj Galaktici sastoje od istih kemijskih elemenata kao i Zemlja. A da smo rođeni s velikim, osjetljivim očima u koje su ugrađeni detektori Dopplerovog efekta, zamijetili bismo, još dok smo bili trogloditi, da se cijeli svemir širi – da se sve galaktike udaljuju od nas. Da naše oči raspolažu razlučnom moći dobrih mikroskopa, nitko nikada ne bi pojavu kuge i drugih zaraza pripisivao srdžbi bogova. Bakterije i virusi zbog kojih se razbolijevate ne bi bili skriveni vašem
pogledu dok gmižu po hrani koju jedete ili ulaze u vaš organizam kroz otvorene rane. Poduzevši jednostavne eksperimente, lako biste mogli ustanoviti koje su od tih klica opasne, a koje nisu. A problemi postoperativnih infekcija bili bi objašnjenu i riješeni prije puno stotina godina. Kad bismo mogli otkriti visokoenergetske čestice, uočili bismo radioaktivnu tvar već na velikoj udaljenosti. Ne bi nam uopće bio potreban Geigerov brojač. Mogli biste čak vidjeti kako plin radom dolazi iz podruma kroz jame u podu; ne biste morali plaćati da vam to netko drugi otkrije. Brušenje naših pet osjetila od rođenja pa kroz djetinjstvo omogućava nam da kao odrasli prosuđujemo o događajima i pojavama koje doživljavamo i da određujemo “imaju li smisla”. Problem je u tome što gotovo ni jedno znanstveno otkriće u prošlom stoljeću nije proizašlo iz neposredne primjene naših osjetila. Ona su proizašla iz oslanjanja na matematiku i uređaje koji nadilazi osjetila. Ova jednostavna činjenica objašnjava zašto za prosječnu osobu nemaju smisla teorija relativnosti, fizika čestica, i teorija struna koja se temelji na postojanju jedanaest dimenzija. Dodajte ovom popisu crne jame, prečice kroz prostorvrijeme i Veliki prasak. Istini za volju, ovi pojmovi nisu imali mnogo smisla ni za znanstvenike, sve dok temeljito i dugo nismo istraživali i donekle istražili svemir svim osjetima koja nam je tehnologija stavila na raspolaganje. Konačna posljedica ovog istraživanja je nova i viša razina “zdravog razuma”, koji omogućava znanstvenicima da stvaralački razmišljaju i da donose sudove o nepoznatom podzemlju atoma, ili o području teško pojmljivog višedimenzionog prostora. Njemački fizičar Max Planck, koji je živio u dvadesetom stoljeću, zapisao je nešto slično u povodu otkrića kvantne mehanike: “Suvremena fizika naročito ostavlja dojam na nas istinom u onom starom nauku koji nas uči da postoje stvarnosti izvan one koja je dostupna našim osjetilima, te da ima problema i proturječnosti u kojima su te stvarnosti za nas vrednije od najbogatijih riznica svijeta iskustva.” Svaki novi način stjecanja znanja najavljuje novi prozor u svemir – novi detektor koji se pridodaje sve dužem popisu naših nebioloških osjetila. Kad god se takav prozor otvori, doživljavamo novu razinu svemirskog prosvjetljenja, kao da se razvijamo u superosjetljiva bića. Tko je mogao zamisliti da će nam naša traganje za tajnama svemira, opremljeni svom silom umjetnih osjetila, omogućiti uvid u nas same? Otisnuli smo se
u ovaj pothvat vođeni ne nekom jednostavnom željom nego onim što je mandat naše vrste: istražiti i ustanoviti svoje mjesto u svemiru. To pradavna potraga, ne nova, i ona je zaokupljala pažnju mislilaca, velikih i malih, u svim vremenima i u svim kulturama. A ono što smo na kraju otkrili, pjesnici su oduvijek znali: Nećemo obustaviti istraživanja i kraj svih naših potraga bit će stići tamo odakle smo krenuli i spoznati to mjesto prvi put... — T. S. Eliot, 1942.
POJMOVNIK AGN: Astronomska kratica za galaktiku s aktivnom jezgrom. Riječ je o galaktikama čija su središnja područja sjajnija tisućama, milijunima, pa čak i milijardama puta od središnjih područja normalnih galaktika. AGN su srodne kvazarima, ali su od ovih manje udaljene, te ih zato vidimo u kasnijem dijelu njihovog životnog vijeka nego kvazare. akrecijski disk: Materijal koji okružuje neko tijelo, obično crnu jamu, kruži oko njega i postupno spiralno ponire prema njemu. aminokiseline: Jedna od vrsta relativno malih molekula koje sadrže od trinaest do dvadeset sedam atoma ugljika, dušika, vodika, kisika i sumpora. A. se mogu povezati u dugačke lance, stvarajući molekule proteina. Andromeda: Velika spiralna galaktika, najbliža Mliječnoj stazi, udaljena oko 2,3 milijuna svjetlosnih godina. antičestica: Antimaterijski parnjak čestice obične materije. antimaterija: Komplementarni oblik materije građene od antičestica koje imaju istu masu, ali suprotni električni naboj u odnosu na odgovarajuće čestice obične materije. apsolutna (Kelvinova) temperaturna ljestvica: Temperature mjerene na ljestvici (označenoj slovom K) na kojoj se voda zamrzava na 273,16 K, a vrije na 373,16 K. Apsolutna nula, 0 K, e teorijski najniža temperatura. apsolutni sjaj: Za razliku od prividnog sjaja. Koji ovisio o udaljenosti, a. s. je stvarni sjaj nekog nebeskog objekta. Označava se s M. Po astronomskoj definiciji, a. s. jednak je prividnom sjaju zvijezde udaljene 32,6 svjetlosnih godina (10 parseka). arheje: Predstavnici jedne od tri grane života za koju se smatra da je najstarija na Zemlji. Sve arheje su jednostanične i termofilne (sposobne podnositi temperature između 50 0C i 70 0C). asteroid: Nebeska tijela, uglavnom od kamena ili kamena i metala, koji kruže oko Sunca, ponajviše između staza Marsa i Jupitera; veličinom su u rasponu u rasponu od 1000 kilometara u promjeru pa do 100 metara. Tijela slična asteroidima, ali manja, nazivaju se meteori.
atom: Najmanja, električno neutralna jedinica nekog elementa. Sastoji se od jezgre koja sadrži jedan ili više protona i više neutrona (s izuzetkom običnog vodika). Oko jezgre kruže elektroni kojih ima koliko i protona u jezgri. Ovaj broj određuje kemijske osobine atoma. bakterije: Jedna od tri grane života na Zemlji (ranije poznata kao prokariote). To su jednostanični organizmi bez jasno određene jezgre koja sadrži genetski materijal. bijeli patuljak: Tip zvijezde u čijem središnjem području su se fuzionirale jezgre helija u jezgre ugljika, te se b. p. sastoji od ugljikovih jezgri i elektrona, sabijenih u mali obujam (približno veličine Zemlje) visoke gustoće (oko milijun puta veće od gustoće vode). Cassini-Huygens letjelica: Svemirska letjelica lansirana sa Zemlje 1997. Stigla je do Saturna srpnja 2004. Dio zvan Cassini započeo je kružiti oko Saturna i promatrati planet i njegove mjesece, dok se sonda Huygens spustila na Titan, Saturnov najveći satelit. Celzijeva temperaturna ljestvica: Temperaturna ljestvica nazvana prema švedskom astronomu Andersu Celzijusu (1701–1744) koji ju je uveo u upotrebu 1742. Voda se na ovoj ljestvici ledi na nula stupnjeva, a vrije na 100 stupnjeva. ciklus proton-proton: Lanac od tri reakcije nuklearne fuzije kojima većina zvijezda povezuje protone u jezgru helija i pretvara energiju mase u kinetičku energiju. civilizacija: U okviru programa SETI, skupina stvorenja sa sposobnošću komuniciranja preko međuzvjezdanih udaljenosti. Nalaze se najmanje na našoj razini. COBE (COsmic Background Explorer – Istraživač kozmičke pozadine): Satelit lansiran 1989. koji je promatrao kozmičko pozadinsko zračenje i prvi otkrio male razlike u jačini zračenja iz raznih pravaca na nebu. crna jama: Objekt koji ima toliko snažnu gravitacijsku silu da joj ništa, čak ni svjetlost, ne može pobjeći ako se nađe na određenoj udaljenosti od njezinog središta, a koja se udaljenost zove polumjer crne jame. crveni div: Zvijezda koja je prošla razvoj kroz glavni niz, počela sažimati središte i širiti vanjske omotače. Sažimanje dovodi do povećanja
opsega nuklearne fuzije, čime se pojačava njezin sjaj, a time i energetski sadržaj vanjskih omotača, što izaziva dodatni rast obujma zvijezde. crveni pomak: Pomak prema nižim frekvencijama odnosno dužim valnim dužinama u spektru nekog objekta, obično izazvan Dopplerovim efektom. dinamika: Proučavanje gibanja i utjecaja sila na međudjelovanje objekata. Kada se primjenjuje na gibanje tijela u Sunčevom sustavu i svemiru, često se naziva nebeska mehanika. divovski planet: Planet sličan po veličini i sastavu Jupiteru, Saturnu, Uranu i Neptunu; sastoji se od čvrste kamene i ledene jezgre okruženog gustim omotačima, uglavnom od vodika i helija; mase su im u rasponu od desetak do više stotina Zemljinih. DNK (dezoksiribonukleinska kiselina): Dugačka, složena molekula koja se sastoji od dvije zavojito spletene niti, međusobno povezane tisućama poprečnih spojeva od malih molekula. Pri diobi, molekule DNK razdvajaju se razmatajući se po dužini, pri čemu se cijela svaki par malih molekula na poprečnim spojevima. Svaka polovica tako nastale molekule onda gradi novu repliku prvobitne molekule, koristeći kao građu manje molekule koji postoje u blizini. događajni obzor: Poetičan naziv za polumjer crne jame nekog objekta: udaljenost od središta crne jame s koje više nema povratka; ništa, naime, ne može nadvladati njenu gravitacijsku silu nakon što se prijeđe događajni obzor, te se tako on može smatrati “rubom” crne jame. Dopplerov efekt: Promjena frekvencije, valne dužine i energije uočena kod fotona koji stižu iz izvora što se relativnom brzinom približava promatraču ili udaljuje od njega duž doglednice koja ga povezuje s izvorom. Promjene frekvencije odnosno valne dužine opća su pojava koja se događa kod svake vrste valnog gibanja, zvuka ili svjetlosti, svejedno. One ne ovise o tome giba li se izvor ili se giba promatrač; važno je relativno kretanje izvora u odnosu na promatrača duž njegove doglednice. Dopplerov pomak: Djelomična promjena frekvencije, valne dužine i energije izazvana Dopplerovim efektom. Drakeova jednadžba: Jednadžba koju je postavio američki astronom
Frank Drake i koja daje procjenu broja civilizacija sposobnih za međuzvjezdano komuniciranje, koje postoje sada ili u bilo kojem danom vremenu. dušik: Element koji u jezgri ima sedam protona i šest, sedam, osam, devet ili deset neutrona, ovisno o kojem je izotopu riječ. Najbrojnije su jezgre dušika sa sedam neutrona. egzosolaran (također ekstrasolaran): Odnosi se na objekte izvan Sunčevog sustava. Dajemo prednost prefiksu “egzo” zato što se već koristi u imenici “egzobiologija”, disciplini koja se bavi proučavanjem izvanzemaljskih oblika života. ekscentricitet: Mjera izduženosti elipse, jednaka je omjeru udaljenosti između dva žarišta elipse i njezine duže osi. ekstremofili: Organizmi koji žive na visokim temperaturama, obično između 70 i 100 stupnjeva Celzija. elektromagnetna sila: Jedna od četiri osnovne sile koja djeluje između nabijenih čestica; opada razmjerno kvadratu udaljenosti između čestica. Noviji eksperimenti pokazali su da su ova sila i slaba nuklearna sila različiti oblici jedne jedinstvene elektroslabe sile. elektron: Elementarna čestica jediničnog negativnog naboja koja u atomu kruži oko jezgre. elektroslaba sila: Zajednički oblik elektromagnetne i slabe nuklearne sile koje izgledaju posve različito na razmjerno niskim energijama, ali postaju objedinjene kada djeluju na ogromnim energijama, poput onih koje su bile na djelu u najranijim trenucima svemira. elementarna čestica: Temeljna čestica prirode koja se ne može rastaviti na druge čestice. Protoni i neutroni obično se označavaju kao elementarne čestice iako se i one sastoje od po tri čestice, koje se nazivaju kvarkovi. elementi: Osnovni sastojci materije razvrstani prema broju protona u jezgri. Cjelokupna obična materija u svemiru sastoji se od devedeset dva elementa u rasponu od najmanjeg atoma, vodika (s jednim protonom u jezgri), do najvećeg koji se javlja u prirodi, urana (s devedeset dva protona u jezgri). Elementi teži od urana proizvedeni su u laboratorijima. eliptična galaktika: Galaktika jajastog oblika u kojoj gotovo da nema međuzvjezdanog plina i prašine i čiji oblik izgleda eliptično u
dvodimenzionalnoj projekciji. energija mase: Energetski ekvivalent određene količine mase koji je jednak umnošku mase i kvadrata brzine svjetlosti. enzim: Vrsta molekula, protein ili RNK, koji služi kao podloga na kojoj molekule mogu međudjelovati na određene načine, te u tom smislu djeluje kao katalizator, potičući molekularne reakcije. eukarije: Skupni naziv za organizme koji se klasificiraju kao eukarioti. eukarioti: Jednostanični ili višestanični organizmi koji imaju genetski materijal u svakoj stanici unutar jezgre optočene membranom. Europa: Jedan od Jupiterova četiri velika satelita, poznat po svojoj ledenoj površini ispod koje se možda nalazi ocean. evolucija: U biologiji, rezultat prirodnog odabiranja koje pod izvjesnim okolnostima dovodi do toga da se skupine sličnih organizama, zvane vrste, mijenjaju tijekom vremena, tako da im se potomci značajno razlikuju glede sklopa i izgleda; uopćeno govoreći, svaka postupna promjena nekog objekta u drugi oblik ili stanje razvoja. Fahrenheitova temperaturna ljestvica: Temperaturna ljestvica nazvana prema njemačkom fizičaru Gabrielu Danielu Fahrenheitu (1686– 1736). Uveo ju je u upotrebu 1724. Prema ovoj ljestvici, voda se ledi na 32 stupnja, a vrije na 212 stupnjeva. fisija: Dijeljenje veće atomske jezgre na dvije ili više manjih. Pri fisiji jezgri većih od jezgre željeza oslobađa se energija. Fisija (također se naziva atomska fisija) je izvor energije u svim nuklearnim elektranama. foton: Elementarna čestica bez mase i električnog naboja, prenosi energiju. Struje fotona stvaraju elektromagnetno zračenje i šire se kroz svemir brzinom svjetlosti (299.792 kilometra u sekundi). fotosinteza: Korištenje energije u obliku vidljive svjetlosti ili ultraljubičastih fotona za stvaranje molekula ugljikohidrata iz ugljičnog dioksida i vode. Kod nekih organizama, vodikov sulfid (H2S) ima istu ulogu koju ima voda (H2O) kod većine fotosinteznih procesa na Zemlji. fuzija: Spajanje manjih jezgri u veću. Prilikom spajanja jezgri manjih od jezgre željeza, oslobađa se energija. Fuzija je osnovni izvor energije za nuklearna oružja, kao i za sve zvijezde u svemiru. Također se
naziva nuklearna fuzija i termonuklearna fuzija. galaktika: Velika skupina zvijezda koja broji od više milijuna do mnogo stotina milijarda članova. Na okupu se drži uzajamnim gravitacijskim silama, a obično sadrži značajne količine plina i prašine. galaktičko jato: Velika skupina galaktika, obično udružena s plinom i prašinom i znatno većim količinama tamne materije. Na okupu je drži uzajamno gravitacijsko privlačenje materijala koji ulazi u njezin sastav. Galilej: Svemirska letjelica koju je NASA uputila prema Jupiteru 1990. Kako je stigla na odredište u prosincu 1995, poslala je sondu u Jupiterovu atmosferu, a kasnije godine provela je na stazi oko divovskoga planeta, snimajući njega i njegove satelite. gama zračenje: Elektromagnetno zračenje najviših energija odnosno najkraćih valnih dužina. gen: Dio kromosoma koji određuje, putem genetskog kôda, stvaranje nekog lanca aminokiselina. genetski kôd: Niz “slova” u molekulama DNK ili RNK od kojih svako označava neku aminokiselinu, a sastoji se od tri nanizane molekule slične onima koji sačinjavaju poprečne prečke između dvije zavojite niti molekule DNK. genom: Ukupnost gena jednog organizma. gravitacijska leća: Efekt nekog svemirskog objekta koji dovoljno snažno gravitacijski utječe na zrake svjetlosti koje prolaze pokraj njega tako da ih savija i često dovodi u žarište, stvarajući time svjetliju sliku nego što bi je inače neki promatrač vidio da nema gravitacijske leće. gravitacijska sila: Jedna od četiri osnovne sile. Uvijek djeluje privlačno. G. s. između dva tijela razmjerna je umnošku njihovih masa podijeljenom s kvadratom udaljenosti između njihovih središta. gravitacijsko zračenje (gravitacijski valovi): Zračenje koje se po svemu razlikuje od elektromagnetnog zračenja osim po tome što putuje brzinom svjetlosti. Jači gravitacijski valovi nastaju kada se masivna tijela mimoilaze velikim brzinama. halo: Krajnja vanjska područja galaktike – koja zauzimaju znatno veći prostor od vidljivog dijela galaktike. Tu se nalazi glavnina tamne materije galaktike.
helij: Drugi najlakši i drugi najzastupljeniji element, ima jezgru od po dva protona i jednog ili dva neutrona. Zvijezde stvaraju energiju fuzijom vodikovih jezgri (protona) u jezgre helija. Hubbleova konstanta: Konstanta koja se javlja u Hubbleovom zakonu i dovodi u vezu udaljenosti i brzine udaljavanja galaktika. Hubbleov zakon: Zakon koji se odnosi na širenje svemira kakvo uočavamo danas. Brzine udaljavanja dalekih galaktika jednake su umnošku Hubbleove konstante i udaljenosti galaktika od Mliječne staze. infracrveno zračenje: Dio spektra elektromagnetnog zračenja čije su valne dužine nešto duže nego vidljive svjetlosti. ion: Atom koji je izgubio jedan ili više elektrona. ionizacija: Proces pretvaranja atoma u ion tako što mu se uklanja jedan ili više elektrona. izotopi: Vrste raznih atomskih jezgri istog elementa, razlikuju se samo po broju neutrona. jaka sila: Jedna od četiri osnovne sile. Uvijek djeluje privlačno. Djeluje između nukleona (protona, neutrona), povezujući ih u atomskoj jezgri, ali samo ako se međusobno približe unutar udaljenost od približno 10–13 cm. jezgra: (1) Središnji dio atoma, sastavljena od jednog ili više protona i neutrona. (2) Područje u stanici eukariota u kojem se nalazi stanični genetski materijal u obliku kromosoma. (3) Središnje područje galaktike. JWST (svemirski teleskop James Webb): Svemirski teleskop čije se uvođenje u rad očekuje u drugom desetljeću dvadeset prvog stoljeća; zamijenit će svemirski teleskop Hubble od koga će imati veće zrcalo i naprednije instrumente. katalizator: Tvar koja ubrzava određene reakcije između atoma i molekula, ali sama u njima ne sudjeluje. Kelvinova (apsolutna) temperaturna ljestvica: Temperaturna ljestvica nazvana prema lordu Kelvinu (William Thomson, 1824–1907). Uvedena je u upotrebu sredinom devetnaestog stoljeća. Prema ovoj ljestvici, najniža moguća temperatura iznosi, po definiciji, nula kelvina. Stupnjevi na ovoj ljestvici (koji se označavaju slovom K) isti
su kao i na Celzijevoj temperaturnoj ljestvici. Na Kelvinovoj ljestvici voda se ledi na 273,16 stupnjeva, a vrije na 373,16 stupnjeva. kinetička energija: Energija tijela u gibanju. Jednaka je umnošku polovice mase tijela i kvadrata brzine. Prema tome, što je tijelo masivnije (neki kamion, recimo) imat će više kinetičke energije od manje masivnog tijela (nekog tricikla, na primjer ) koje se giba istom brzinom. kisik: Element u čijoj jezgri ima osam protona i sedam, osam, devet, deset, jedanaest ili dvanaest neutrona, ovisno o izotopu. Većina jezgri kisika ima osam neutrona i osam protona. komet (repatica): Fragment pramaterijala Sunčevog sustava, obično “prljava gruda” od leda, kamena, prašine i smrznutog ugljičnog dioksida (suhi led). kozmičko pozadinsko zračenje (KPZ): More fotona nastalih svuda u svemiru ubrzo poslije Velikog praska. Ovo zračenje još ispunjava svemir i sada je temperature 2,73 K. kozmolog: Astrofizičar koji se specijalizirao za proučavanje nastanka svemira i njegovog ustroja u najširim razmjerima. kozmološka konstanta: Konstanta koju je uveo Albert Einstein u svoju jednadžbu što opisuje najšire ponašanje svemira. Konstantom se određuje količina energije, sada nazvane tamna energija, u svakom kubnom centimetru naizgled praznog prostora. KPZ: Vidjeti Kozmičko pozadinsko zračenje. kromosom: Pojedinačna molekula DNK zajedno s proteinima koja idu uz njega. U njegovim podjedinicama, genima, uskladištene su genetske informacije koje se prenose diobom stanice. Kuiperov pojas: Materijal na udaljenosti koja se pruža od 40 astronomskih jedinica (prosječna udaljenost Plutona) do nekoliko stotina astronomskih jedinica od Sunca. U njemu su ostaci iz Sunčevog protoplanetnog diska. Pluton je, u stvari, jedno od najvećih tijela u Kuiperovom pojasu. kvantna mehanika: Opis ponašanja elementarnih čestica, atoma i njihovog međudjelovanja s drugim atomima i fotonima, kao i ponašanja atomskih jezgri. kvazar (kvazizvjezdani radioizvor): Astronomski objekt po izgledu
sličan zvijezdi, ali čiji spektar pokazuje veliki crveni pomak zbog ogromne udaljenosti od Mliječne staze. logaritamska ljestvica: Metoda prikazivanja podataka tako da ogromni brojevi mogu stati na isti list papira. Logaritamska ljestvica povećava se eksponencijalno (1, 10, 100, 1000, 10.000. …), a ne aritmetički (1, 2, 3, 4, 5, …). lokalna skupina: Naziv za oko dvadeset pet galaktika u neposrednom susjedstvu Mliječne staze.. U lokalnu skupinu spadaju Veliki i Mali Magellanov oblak i velika galaktika Andromeda. maglica: Raspršena masa plina i prašine koju obično iznutra osvjetljavaju sjajne mlade zvijezde koje su nedavno stvorene od te građe. Mali Magellanov oblak: Manja od dvije nepravilne galaktike koje su sateliti Mliječne staze. masa: Mjera materijalnog sadržaja nekog predmeta. Ne treba je brkati s težinom, koja je mjera djelovanja gravitacijske sile na neki objekt. Kod predmeta na površini Zemlje, međutim, masa i težina su po definiciji jednake. međuzvjezdana prašina: Čestice prašine, od koji se svaka sastoji od po oko milijun atoma, vjerojatno izbačene u međuzvjezdani prostor iz atmosfera vrlo razrijeđenih zvijezda crvenih divova. međuzvjezdani plin: Plin u sastavu galaktike koji nije dio nijedne zvijezde. međuzvjezdani oblak: Područje međuzvjezdanog prostora s gustoćom znatno većom od prosječne i promjera obično više desetaka svjetlosnih godina; gustoća materije kreće se u rasponu od deset atoma do više milijuna molekula po kubnom centimetru. metabolizam: Ukupnost kemijskih procesa u organizmu mjerenih opsegom potrošnje energije. Životinja s visokim metabolizmom mora trošiti energiju (hranu) znatno češće kako bi opstala. meteor: Sjajna pruga na nebu nastala kao posljedica zagrijavanja meteoroida prilikom prolaska kroz Zemljinu atmosferu. meteorski pljusak: Veliki broj meteora uočen na određenom dijelu neba, nastao kao posljedica presijecanja Zemljine staze i velikog broja meteoroida u kratkom vremenu. meteorit: Meteoroid koji uspijeva opstati pri prolasku kroz Zemljinu
atmosferu i padne na Zemlju. meteoroid: Nebesko tijelo od kamena ili metala, odnosno od mješavine metala i kamena, manje od asteroida, koje kruži oko Sunca; m. su ostatci iz doba nastajanja Sunčevoga sustava ili su nastali pri sudarima većih tijela u sustavu naše zvijezde. Mliječna staza: Galaktika koja sadrži približno 300 milijarda zvijezda, među kojima i Sunce. Obuhvaća također međuzvjezdani plin i prašinu, kao i velike količine tamne materije. modificirana Newtonova dinamika (MOND): Varijanta teorije gra vitacije koju je izložio izraelski fizičar Mordehai Milgrom. nastanjiva zona: Područje oko neke zvijezde u kojem njezina toplina može održavati u tekućem stanju jedan ili više otapala; to je sferno područje oko zvijezde omeđeno unutrašnjom i vanjskom granicom. nepravilna galaktika: Galaktika nepravilnog oblika koji nije ni spiralni (diskoliki) ni eliptični. neutrino: Elementarna čestica bez naboja i mase znatno manje od mase elektrona. Nastaje ili biva apsorbirana u reakcijama među elementarnim česticama kojima upravlja slaba sila. neutron: Elementarna čestica bez naboja; jedan od dva sastavna dijela atomske jezgre. neutronska zvijezda: Mali ostaci (manji od trideset kilometara u promjeru) jezgre poslije eksplozije supernove. Sastoji se gotovo potpuno od neutrona i toliko je gusta da je u jednom kubnom centimetru sabijena masa dva ogromna prekooceanska broda. NLO (neidentificirani leteći objekt): Objekti viđeni na nebu Zemlje za koje se ne može lako pronaći prirodno objašnjenje, što ukazuje ili na duboko neznanje znanstvene zajednice ili na duboko neznanje očevidaca. nuklearna fuzija: Spajanje dvije jezgre pod utjecajem jake sile, što se događa samo ako se jezgre međusobno približe na udaljenost koja odgovara veličini protona (10–13 centimetara). nukleinska kiselina: DNK ili RNK. nukleotid: Jedna od poprečnih molekula kod DNK i RNK. Kôd DNK ima četiri nukleotida: adenin, citozin, guanin i timin; kod RNK uracil igra ulogu koju kod DNK ima timin.
oblak prašine: Oblaci plina u međuzvjezdanom prostoru koji su dovoljno hladni da se u njima atomi povezuju u molekule; mnoge molekule zatim se spajaju, oblikujući čestice prašine koje sadrže milijune atoma. oksidacija: Povezivanje s atomima kisika. Tipičan primjer je hrđanje metala izloženog djelovanju kisika Zemljine atmosfere. Oortov oblak: Milijarde ili bilijuni kometa koji kruže oko Sunca. Oni su prvi nastali kada se protosunce počelo skupljati. Gotovo svi se gibaju po stazama koje su tisućama ili desecima tisuća puta veće od Zemljine staze. opća teorija relativnosti: Postavio ju je Albert Einstein 1915. kao prirodno proširenje specijalne teorije relativnosti na tijela u stanju ubrzavanja. To je suvremena teorija gravitacije koja uspješno objašnjava mnoge rezultate do kojih se ne može doći u okviru Newtonove teorije gravitacije. Njezina osnovna premisa je “načelo ekvivalentnosti” prema kojem, na primjer, neka osoba u svemirskom brodu ne može razlikovati ubrzava li letjelica kroz prostor ili miruje u gravitacijskom polju koje bi izazvalo isto ubrzanje. Iz ovog jednostavnog, ali i vrlo dubokog načela niče potpuno novo razumijevanje prirode gravitacije. Prema Einsteinu, gravitacija nije sila u tradicionalnom značenju ovog pojma. Gravitacija je zakrivljenost prostora u blizini neke mase. Gibanje nekog tijela potpuno je određeno njegovom brzinom i opsegom zakrivljenosti koja se tu javlja. Iako je izrazito kontraintuitivna, kao da se protivi “zdravom razumu”, opća teorija relativnosti objašnjava sva poznata ponašanja gravitacijskih sustava koji su ikada podvrgnuti proučavanju te predviđa mnoštvo još kontraintuitivnijih pojava koje eksperimenti neprekidno potvrđuju. Primjera radi, Einstein je predvidio da će snažno gravitacijsko polje izobličiti prostor i uočljivo savinuti zraku svjetlosti u svojoj blizini. Promatranjem je ustanovljeno da zraka zvjezdane svjetlosti koja prolazi tik uz rub Sunca (za vrijeme potpune pomrčine) biva savinuta točno onoliko koliko je Einstein izračunao. Možda se najznačajnija primjena opće teorije relativnosti odnosi na opis našeg svemira koji se širi i u kojem cjelokupni prostor biva zakrivljen ukupnom gravitacijom stotina milijarda galaktika. Važna, ali trenutno još neprovjerena posljedica ove teorije je postojanje “gravitona” – čestica koje nose gravitacijsku silu i javljaju o naglim promjenama gravitacijskog polja, poput onih
pri eksploziji supernova. organski spojevi: Kemijski spojevi s atomima ugljika kao važnim elementom sklopa; molekule zasnovane na ugljiku. Život je organske prirode. ozon (O3): Molekule od tri atoma kisika koje na velikim visinama u atmosferi Zemlje štite površinu planeta od ultraljubičastog zračenja. panspermija: Hipoteza prema kojoj se život prenositi po svemiru, na primjer s planeta na planet unutar Sunčevog sustava. planet: Veće tijelo koje kruži oko neke zvijezde, a samo nije zvijezda. Po novoj kategorizaciji, Sunčev sustav broj osam planeta. Pluton se više ne smatra planetom. planetezimal: Tijelo znatno manje od planeta. Sudaranjem i stapanjem ovih tijela nastaju planeti. plavi pomak: Pomicanje prema višim frekvencijama odnosno kraćim valnim dužinama izazvano Dopplerovim efektom. početna singularnost: Trenutak u kojem je počelo širenje svemira; također se naziva Veliki prasak. polumjer crne jame: Za svaki objekt mase M, mjeren u jedinicama mase Sunca, ovaj polumjer iznosi 2M kilometara. Također se naziva događajni obzor. pomrčina: Djelomično ili potpuno zaklanjanje jednog nebeskog tijela drugim; promatraču izgleda da se tijela nalaze gotovo ili potpuno jedno iza drugog. prečkasta spiralna galaktika: Spiralna galaktika kod koje su zvijezde i plinovi raspoređeni u središnjim područjima u obliku koji nalikuje na izduženu prečku. prirodno odabiranje: Razlike u uspjehu pri razmnožavanju među organizmima iste vrste. P. o. je okretačka sila evolucije života na Zemlji. prividni sjaj: Sjaj koji nekog nebeskog tijela na nebu Zemlje. P. s. ovisi o apsolutnom sjaju tijela i njegovoj udaljenosti od nas. prokarioti: Jedna od tri grane života. To su jednostanični organizmi kod kojih se genetski materijal ne nalazi u jasno određenoj staničnoj jezgri.
prostorvrijeme: Matematički spoj prostora i vremena u okviru kojeg se vrijeme shvaća kao koordinata ravnopravna s tri prostorne koordinate. Specijalna teorija relativnosti pokazala je da se priroda najtočnije opisuje prostorvremenskim formalizmom. Svi događaji opisuju se pomoću tri prostorne i jednom vremenskom koordinatom. Matematika koja se ovdje primjenjuje ne pravi razliku među njima. protein: Duga molekula koja se sastoji od jednog ili više lanaca aminokiselina. proton: Elementarna čestica s jediničnim pozitivnim nabojem. Nalazi se u jezgri svakog atoma. Broj protona u jezgri atoma određuje identitet tog elementa. Element s jednim protonom je vodik, s dva protona helij, a sa devedeset dva uranij. protoplanet: Planet u odmaklim fazama nastajanja. protoplanetni disk: Disk plina i prašine oko zvijezde u nastajanju i iz kojeg se mogu stvoriti pojedinačni planeti. protozvijezda: Zvijezda u nastajanju. Skuplja se iz znatno većeg oblaka plina i prašine djelovanjem vlastite gravitacije. pulsar: Tijelo koje u pravilnim razmacima emitira impulse radio-fotona (a često i fotona viših energija). P. je u stvari neutronska zvijezda koja proizvodi zračenje zbog ubrzavanja nabijenih čestica u snažnom magnetnom polju ove zvijezde. radioaktivno raspadanje: Proces kojim se neke vrste atomskih jezgri spontano pretvaraju u druge vrste. rendgensko zračenje: Fotoni s frekvencijama višim od ultraljubičastog zračenja, ali manjim od gama zračenja. revolucija: Kruženje oko nekog objekta, na primjer, Zemlje oko Sunca. Revolucija se često brka s rotacijom. RNK (ribonukleinska kiselina): Velika, složena molekula, stvorena od istih vrsta molekula kao i DNK, koji obavlja razne značajne zadatke u živoj stanici, računajući tu i prijenos genetskih poruka složenih u DNK do mjesta gdje se grade proteini. satelit: Razmjerno malo tijelo koje kruži oko znatno većeg i masivnijeg; točnije govoreći, oba tijela kruže oko zajedničkog središta masa, pri čemu je veličina staza obrnuto razmjerna masama tijela. SETI: Potraga za izvanzemaljskom inteligencijom.
sila: Sposobnost obavljanja rada ili izazivanja fizičke promjene; utjecaj koji nastoji ubrzati tijelo u pravcu u kojem djeluje na njega. slaba sila: Jedna od četiri osnovne sile koja djeluje samo između elementarnih čestica na udaljenostima od 10–15 m ili manjim. Odgovorna je za raspadanje određenih elementarnih čestica u neke druge. Skorašnja istraživanja pokazala su da su s. s. i elektromagnetna sila različiti oblici jedne te iste elektroslabe sile. smeđi patuljak: Tijelo sa sastavom sličnim sastavu zvijezda, ali bez dovoljno mase da postane zvijezda tako što bi otpočela nuklearna fuzija u jezgri. specijalna teorija relativnosti: Postavio ju je Albert Einstein 1905. Ona pruža novo razumijevanje prostora, vremena i gibanja. Teorija se temelji na dva “načela relativnosti”: (1) brzina svjetlosti ista je za svakog promatrača, bez obzira na to kako je mjeri; (2) zakoni fizike isti su u svakom sustavu koji ili miruje ili se giba stalnom brzinom. Teorija je kasnije proširena kako bi obuhvatila i sustave u stanju ubrzavanja, postavši opća teorija relativnosti. Pokazalo se da su dva načela relativnosti koja je Einstein pretpostavio potvrđena u svakom obavljenom pokusu ili promatranju. Einstein je izveo logičke zaključke iz načela relativnosti i predvidio mnoštvo neobičnih zamisli, među kojima su: – Ne postoje apsolutno isti događaji. Ono što je istovremeno za jednog promatrača za drugoga može ne biti. – Što se brže gibate, to vaše vrijeme sporije teče u odnosu na nekoga tko vas promatra. – Što se brže gibate, to masivniji postajete, te vam tako motori vaše svemirske letjelice sve manje uspijevaju povećati brzinu. – Što se brže gibate, to je vaša svemirska letjelica kraća – sve postaje kraće u smjeru gibanja. – Pri brzini svjetlosti, vrijeme se zaustavlja, dužina vam iznosi nula, a masa postaje beskonačna. Stoga materijalno tijelo nikada ne može postići brzinu svjetlosti. Eksperimenti su potpuno potvrdili sva ova Einsteinova predviđanja. Izvrstan primjer za to su čestice koje imaju neko svoje vrijeme poluraspada. Kada im se brzina poveća gotovo do brzine svjetlosti (u akceleratorima), vrijeme poluraspada im se povećava točno u skladu
s teorijom relativnosti. Također, sve ih je teže dalje ubrzavati, što znači da im se masa povećala. spektar: Raspored fotona prema frekvenciji i valnoj dužini. Često se daje u obliku grafikona koji prikazuje broj fotona svake pojedine frekvencije i valne dužine. spiralna galaktika (spiralna maglica): Galaktika u obliku vrlo spljoštenog diskom zvijezda, plina i prašine, sa spiralnim krakovima. spiralni krakovi: Dijelovi diska spiralne galaktike, sadrže najmlađe, najtoplije, najsvjetlije zvijezde te divovske oblake plina i prašine u kojima su ove zvijezde nedavno nastale i još nastaju. sublimacija: Prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje, odnosno iz plinovitog u čvrsto, bez prolaska kroz tekuće stanje. submilimetarsko područje: Područje elektromagnetnog zračenja sa frekvencijama i valnim dužinama između radio-područja i infracrvenog područja. Sunčev sustav: Skupni naziv za Sunce i tijela koja kruže oko njega: planeti, njihovi sateliti, asteroidi, meteoroidi, kometi i međuplanetna prašina. Sunčev vjetar: Čestice izbačene sa Sunca, poglavito protoni i elektroni, koji se neprekidno odlijevaju s gornjih slojeva naše zvijezde. Odljev postaje naročito opsežan u vrijeme jakih Sunčevih baklji. supermasivna crna jama: Crna jama mase stotinu i više masa Sunca. supernova: Zvijezda koja eksplodira kad u njoj prestane nuklearna fuzija. Tijekom nekoliko tjedana trajanja sjaj joj je usporediv sa sjajem čitave jedne galaktike. Supernove stvaraju i šalju u međuzvjezdani prostor elemente teže od vodika i helija. svemirski teleskop Hubble: Svemirski teleskop lansiran 1991. koji nam je dao čudesne slike mnoštva astronomskih objekata zahvaljujući činjenici da promatra svemir s položaja iznad Zemljine atmosfere. svemir: Obično se pod ovim pojmom podrazumijeva sve što postoji, premda se, u skladu s novim teorijama, za ono što označavamo kao svemir može jednoga dana ustanoviti da je samo dio znatno većeg kozmosa zvanog “multiverzum”. svjetlosna godina: Udaljenost od približno 10 bilijuna kilometara koju svjetlost ili neki drugi oblik elektromagnetnog zračenja prijeđe za
godinu dana. svjetlost (vidljiva svjetlost): Elektromagnetno zračenje koje se sastoji od fotona čiju frekvenciju odnosno valnu dužinu zamjećuje naše oko. tamna energija: Energija koja se ne može ni vidjeti ni otkriti neposrednim mjerenjem, čiji iznos ovisi o veličini kozmološke konstante i koja dovodi do širenja svemira. tamna materija: Materija nepoznatog oblika koja ne emitira elektromagnetno zračenje i za koju je ustanovljeno, po gravitacijskoj sili kojom djeluje na običnu materiju, da pripada ukupnom korpusu materije u svemiru. tektonika ploča: Lagano kretanje ploča koje sačinjavaju koru Zemlje i drugih planeta. teleskop (gama, rendgenski, ultraljubičasti, optički, infracrveni, mikrovalni, radio): Postoje teleskopi i detektori za svaki dio spektra. Neki dijelovi spektra ne stižu do površine Zemlje. Da bismo promatrali na gama, rendgenskom, ultraljubičastom i infracrvenom području zračenja, na kojima emitiraju mnogi svemirski objekti, teleskopi su morali biti podignuti na stazu iznad apsorbirajuće Zemljine atmosfere. Teleskopi ima više vrsta, ali imaju tri zajednička svojstva: (1) Sakupljaju fotone. (2) Dovode fotone u žarište svog optičkog sustava. (3) Bilježe fotone nekom vrstom detektora. temperatura: Mjera prosječne kinetičke energije slučajnog gibanja unutar skupine čestica. Na apsolutnoj ili Kelvinovoj temperaturnoj ljestvici, temperatura nekog plina upravo je razmjerna prosječnoj kinetičkoj energiji čestica u plinu. termofil: Organizam kojem pogoduju visoke temperature, blizu točke ključanja vode. termonuklearna fuzija: Drugi naziv za nuklearnu fuziju, koja se ponekad označava i samo kao fuzija. termonuklearni proces: Svaki proces koji se odnosi na ponašanje atomske jezgre na vrlo visokim temperaturama. toplinska energija: Energija sadržana u nekom objektu (čvrstom, tekućem ili plinovitom) koja nastaje zbog vibracija atoma i molekula. Prosječna kinetička energija ovih vibracija i je fizikalna definicija temperature.
učinak staklenika: Planetna atmosfera zarobljava infracrveno zračenje, što dovodi do porasta temperature na površini i neposredno iznad nje. ugljični dioksid: Molekula CO2 koja sadrži po jedan ugljikov atom i dva atoma kisika. ugljikohidrat: Molekula od atoma ugljika, vodika i kisika, obično s dvostruko više atoma vodika nego kisika. ugljik: Element čija atomska jezgra ima šest protona, a razni izotopi imaju po šest, sedam ili osam neutrona. ultraljubičasto zračenje: Fotoni s frekvencijama i valnim dužinama između područja vidljive svjetlosti i rendgenskog zračenja. unutrašnji planeti: Planeti Merkur, Venera, Zemlja i Mars, koji su sve mali, gusti i kameniti u usporedbi s plinovitim divovskim planetima. Veliki Magellanov oblak: Veća od dvije nepravilne satelitske galaktike Mliječne staze. Veliki prasak: Znanstveni opis nastanka svemira, utemeljen na hipotezi da je svemir počeo eksplozijom prije približno 14 milijarda godina, kada su nastali prostor i materija. Svemir se danas i dalje širi u svim pravcima kao posljedica te prvobitne eksplozije. virus: Korpus molekula nukleinskih kiselina i proteina koji se može umnožavati samo u stanici “domaćinu” nekog drugog organizma. vodik: Najlakši i najzastupljeniji element, jezgra sadrži po jedan proton i nula, jedan ili dva neutrona. Voyager (svemirska letjelica): Dvije svemirske letjelice, Voyager 1 i Voyager 2, koje je NASA lansirala sa Zemlje 1978. i koje su nekoliko godina zatim prošle pokraj Jupitera i Saturna; Voyager 2 prošao je pokraj Urana 1986. i Neptuna 1989. WMAP satelit (Vilkinsonov istraživač mikrovalne anizotropije): Satelit lansiran 2001. sa zadatkom da znatno detaljnije nego raniji satelit COBE proučava kozmičko pozadinsko zračenje. zračenje: Skraćeni oblik od elektromagnetnog zračenja. Također, pučki naziv za bilo koju česticu ili oblik svjetlosti koji su štetni za ljudsko zdravlje. zvijezda: Masa plina koju na okupu drži gravitacija. U njezinom središtu, reakcije nuklearne fuzije pretvaraju masu u zračenje koje zagrijava cijelu zvijezdu i emitira se u svemir.
zviježđe: Dio nebeskog svoda u kojem su zvijezde, gledano sa Zemlje, prividno raspoređene kao po nekom crtežu, koji se, uz veliku maštu, mogu zamisliti da su neke životinje, junaci iz mitova i legendi, neki uporabni predmeti itd. Do danas su se u astronomiji održala zviježđa najvećim dijelom iz starogrčke mitološke baštine, a ona na južnom nebu, antičkim narodima nepoznatom, su novijeg datuma. Cijeli nebeski svod podijeljen je na 88 zviježđa i ona nam olakšavaju orijentaciju i imenovanja zvijezda i drugih nebeskih objekata. zvjezdano jato: Skupina zvijezda nastalih u isto vrijeme i na istom mjestu. U stanju je ostati okupljena milijardama godina zahvaljujući uzajamnom gravitacijskom privlačenju. zvijezda padalica: Popularni naziv za meteor. život: Svojstvo tvari da se umnožava i razvija.
KAZALO A aerobni organizmi Alfa Centauri radioporuka do alkohol aluminij Alpher, Ralph aluminij aminokiseline amonijak Anderson, Carl David Andromedina maglica (galaktika) antigravitacija antimaterija antineutron antivodik antropsko načelo Apollo apsolutni sjaj Arecibo, radioteleskop arheje Aristarh Aristotel Arizona, meteorski krater u Arp, Halton asimetrija, čestica i antičestica asteroid sudari sa , K-T granica astrobiologija atomski broj aurore, borealis i australis B bakterije
berilij bijeli patuljak blazari Bondi, Hermann bor Bose, Satyendranath bozoni Bruno, Giordano Burbidge, Geoffrey i Margaret C Cassini-Huygens, letjelica cefeide Ceres CERN (Europski centar za nuklearna istraživanja) Chadwick, James Chomolungma cijan civilizacija, procjena broja procjena životnog vijeka COBE (COsmic Background Explorer – istraživač kozmičke pozadine) Coma, jato crna jama supermasivna crveni divovi D Darwin, Charles Deimos deuterij Dirac, Paul A.M. Djevica, superjato u zviježđu DNK Dopplerov efekt Drake, Frank Drakeova jednadžba
dušik E E = mc2 Eddington, Arthur egzosolarni planeti traganje za Einstein, Albert i širenje svemira Einsteinova opća teorija relativnosti ; v. i Opća teorija relativnosti ekpirotski model ekstremofili elektromagnetizam elektromagnetna sila, nastanak elektroni i prozirnost svemira i stvaranje atoma elektroslaba sila, nastanak Eliot, T. S. eliptične maglice energetska gustoća svemira energija, pretvaranje u materiju era kvarkova i leptona ESA eukarije Europa, Jupiterov mjesec život na F fazni prijelaz Faraday, Michael Fermi, Enrico Fobos formaldehid fosfor fotoni frekvencija i energija kao tlak zračenja
Fowler, William Friedmann, Alexander fuzija, vodika u helij G galaktička jata Galaktika, naša broj zvijezda u civilizacije u središte galaktike crna jama u središtu halo nastanak sudari Galapagos galaktike s aktivnim jezgrama (AGN) galij Galilej, Galileo Galle, G. Johann gama zračenje Gamow, George Ganimed Gell-Mann, Murray geostacionarna staza germanij Gold, Thomas gravitacija i nastanak galaktika kolaps zvijezde korištenje za letjelice oslobođena od ostalih sila Guth, Alan H hadroni, era Halleyev komet Harkins, D. William
Haron Hawking, Stephen Hawkingovo zračenje helij naziv po Suncu Herschel, Caroline Herschel, William Herman, Robert Hindenburg Hirošima Holmberg, Erik Hooker, teleskop na Mount Wilsonu Hoyle, Fred Homo sapiens Hubble, Edwin Hubbleov dijagram Hubbleova konstanta Hynek, J. Allen I inflacija inflacijska era inflacijski model i fazni prijelaz infracrvena svjetlosti infracrveni teleskop Spitzer (SIRTF) Io iridij izotopi izvanzemaljska bića izvanzemaljske civilizacije, kontakt J jaka nuklearna sila Jeans, James jedinstvena teorija (“veliko ujedinjenje”) Jupiter i skretanje kometa
K kalcij kalij-40 Kalisto Kant, Immanuel Kapteyn, Jacobus Cornelius Kepler, Johannes Kepler, projekt NASA-e kisik i postojanje života kao zagađenje klasična fizika klor kometi i voda Kopernik, Nikola kozmičko pozadinsko zračenje (KPZ) i anizotropija u njemu kozmološka konstanta i multiverzumi kritična gustoća (ΩM) kuglasta jata Kuiper, Gerald Kuiperov pojas kometa kvantna fluktuacija vakuuma kvantna gravitacija, teorija kvantna mehanika i fluktuacije kvarkovi kvazar L laser led Lemaître, Georges Edouard Le Verrier, Joseph
leptoni litij Lowell, Percival Lukrecije M Magellanovi oblaci maser Mars i život na njemu mjeseci tekuća voda materija, pretvaranje u energiju međuzvjezdana prašina Merkur metan metil-alkohol Miller, Stanley Miranda Mjesec, Zemljin i voda najstarije stijene nastanak sudarom usporenje vrtnje Mliječna staza potraga za životom središte Milgrom, Mordehai MOND (Modificirana Newtonova dinamika) multiverzum i život N N galaktike NASA nastanjiva zona natrij
“nedostajuća masa” neon neobične galaktike, Arpove nepravilne galaktike (maglice) Neptun neptunij neutrino neutron otkriće Newton, Isaac zakon gravitacije NLO (neidentificirani leteći objekti) i otmice ljudi nuklearna fuzija, v. termonuklearna fuzija nukleosinteza O Opća teorija relativnosti Oelert, Walter Oort, Jan Oortov oblak Orionov krak Orionova maglica osmij P panspermija parovi čestica i antičestica Penzias, Arno periodni sustav elemenata Piazzi, Giuseppe Pioneer, letjelice pirit Planck, Max Planckova era planetezimali planeti
gravitacijski utjecaj na matičnu zvijezdu i njihovi mjeseci plinoviti divovi planetne maglice platina Platon Pluton plutonij Pope, Alexander pozitron prečkaste galaktike proton Ptelemej R radiovalovi rendgensko zračenje RNK Rubin, Vera S Sagan, Carl Saturn Schwarzschild, Karl Sedna selenij SETI Seyfertove galaktike silicij singularnost slaba nuklearna sila nastanak spektar Spinoza spiralne maglice Steinhardt, Paul Strijelac, zviježđe
sumpor Sunce, gubitak mase nastanak zvijezde rođene s njim Sunčev sustav i kometi potraga za životom superjata, galaktička supernove svemir, bombardiranje iz homogeni, izotropni obogaćenje elementima prve milijarde godina širenje i hlađenje starost Svemirski teleskop Hubble “Hubbleovo duboko područje” Svemirski teleskop James Webb (JWST) Swift, Jonathan Š širenje svemira, Hubbleovo otkriće kritična gustoća T tamna energija tamna materija Tarantula, maglica tehnecij tektonika ploča “teleskop za neutrine” teorija gravitacije, v. Einsteinova opća teorija relativnosti
teorija stalnog stanja termonuklearna fuzija temperatura Titan jezera etana na spuštanje Huygensa titanij titanij oksid (TiO) Tombaugh, Clyde Toomre, Alar i Juri torij Trimaine, Scott Triton Turek, Neil Turner, Michael Tyson, Anthony U učinak staklenika ugljični dioksid na Veneri ugljik ugljikohidrati ultraljubičasto zračenje Uran uranij Urey, Harold V vakuum Veliki Magellanov oblak Veliki prasak Venera i voda atmosfera vidljiva svjetlost virtualne čestice voda, tekuća
eliksir života kao univerzalno otapalo porijeklo vodik vodikov cijanid vodikov sulfid (H2S) Voyager, letjelice W Wächtershäuser, Günter Weinberg, Stephen Williams, Robert Wilson, Robert WMAP (Wilkinsonova sonda za mikrovalnu anizotropiju) Y Yucatan, poluotok, krater Z Zemlja, atmosfera bombardiranje svemirskim materijalom udaljenost od Sunca i plinoviti divovi i višekratno nastajanje života Zohner, Nathan zvijezde masa, donja granica masivne prve rađanje , rodilište u Orionovoj maglici smrt vrlo masivnih starost zvjezdana jata Zwicky, Fritz
Ž željezo , u središte zvijezde živa život, kandidati u Sunčevom sustavu kao jedinstvena pojava nastanak na Zemlji
OSTALE DOSAD IZAŠLE KNJIGE O ZNANSTVENIM TEMAMA, KOJE SU OBJAVILI IZVORI i SVEUČILIŠNA KNJIŽARA (BIBLIOTEKE LUČ i VISOVI ZNANOSTI): BOŽJA ČESTICA (L. Lederman) BOŽJA JEDNADŽBA (A. Aczel) BUDUĆNOST PROSTORVREMENA (više autora) BUDUĆNOST SVEMIRA I DRUGI ESEJI (S. Hawking) CAREV NOVI UM (R. Penrose) DIGITALNA BIOLOGIJA (Peter Bentley) FERMATOV POSLJEDNJI TEOREM (A. Aczel) GEJA (J. Lovelock) GENOM (M. Ridley) H2O – BIOGRAFIJA VODE (P. Ball) IZVORI INDIVIDUALNOSTI (T. Švob) JESMO LI SAMI U SVEMIRU (više autora) KAD SLUČAJNOST ODLUČUJE (A. Aczel) KAKO NAPRAVITI VREMENSKI STROJ (P. Davies) KAOS (J. Gleick) KOLIKO SUNACA KOLIKO SVJETOVA (C. Sagan) KRATKA POVIJEST VREMENA (S. Hawking) MIROSLAV RADMAN: ČOVJEK KOJI JE SRUŠIO GENETSKI ZID (članci i intervjui) MOJ POGLED NA SVIJET (A. Einstein) MOJA TEORIJA (A. Einstein) MUŠKI SPOL – ŽENSKI SPOL (Jessel/Moir) O PRIRODI PROSTORA I VREMENA (Hawking/Penrose) OSVETA GEJE (J. Lovelock) PETO ČUDO (P. Davies)
PLAVA TOČKA U BESKRAJU (C. Sagan) PLAVI PLANET (više autora) POSLJEDNJE TRI MINUTE (P. Davies) POSTANAK, OPSTANAK, NESTANAK (T. Švob) PRIČA O MOZGU (S. Greenfi eld) PRVE TRI MINUTE (S. Weinberg) RAČUNALO I MOZAK (J. von Neumann) RJEČNIK ZANIMLJIVIH I NEOBIČNIH BROJEVA (D. Wells) SEBIČNI GEN - novo izdanje (R. Dawkins) SMIŠLJANJE BUDUĆNOST (M. i J. Gribbin) SVEMIR U ORAHOVOJ LJUSCI (S. Hawking) TAJNI ŽIVOT KLICA (P. Tierno) TVAR ŽIVOTA (E. Widmaier) U POTRAZI ZA KONAČNOM TEORIJOM (S. Weinberg “VI SE SIGURNO ŠALITE MR. FEYNMAN” (R. Feynman) VODIČ KROZ ELEMENTE (J. Emsley) VODIČ KROZ ZNANOST (J. Gribbin) ŽIVOT I SMRT PLANETA ZEMLJE (P. D. Ward i D. Brownlee)
