Kako smo se našli ispred svetlosti sa tih [dalekih] objekata? Jer [i] naša materija potiče iz oblasti Velikog Praska!

ALMA opservatorija, čiji teleskopi su korišćeni za merenje crvenog pomeranja galaksije HD1. By ESO - http://www.eso.org/public/images/ann13040a/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25950276

To je pitanje čitaoca Dejana Mišića na skorašnji članak o otkriću do sada najstarije i najudaljenije galaksije. Najbolji odgovor daje standardna paradigma o evoluciji ranog svemira, hipoteza o takozvanoj inflacionoj fazi širenja. Evo kako to izgleda u slučaju nas i galaksije HD1.

Kako je objašnjeno u članku, astronomi su izmerili da novotkrivena galaksije nazvana HD1 ima rekordno veliko crveno pomeranje 13.27! To znači da ultraljubičasta svetlost koju ta galaksija emituje nama stiže kao daleko infracrveno, skoro mikrotalasno zračenje! Kada se na taj rezultat primeni zakon širenja svemira koji je ustanovljen u poslednjih dvadesetak godina imamo ovu situaciju:

U sadašnje vreme, kada je svemir star oko 13.7 milijardi godina, rastojanje od nas do galaksije HD1 iznosi oko 33.4 milijardi svetlosnih godina. To je do sada najveće poznato rastojanje do neke galaksije, pa je dakle HD1 za sada najdalja poznata galaksija.  

Kada je sada primljena svetlost krenula od te galaksije naše međusobno rastojanje je bilo 1+13.27 = 14.27 puta manje, dakle oko 2.3 milijarde svetlosnih godina. Starost svemira je tada bila samo oko 323 miliona godina. To je najraniji period iz koga smo dobili sliku neke galaksije, pa otuda pridev najstarija galaksija. (Podrazumeva se da HD1 i dalje postoji!)

I tu dolazimo do pitanja u naslovu. U doba kada je svemir bio star samo (da zaokružimo) 300 miliona godina, najveće moguće rastojanje koje je svetlost mogla da preleti do tada bilo je brzina svetlosti puta 300 miliona godina, dakle 300 miliona svetlosnih godina. S druge strane, kako je navedeno, u to doba rastojanje od HD1 do lokacije gde će nešto kasnije početi formiranje naše galaksije bilo je čitavih 2.3 milijarde godina. Preko sedam puta veće!

Ako zamislimo standardnu sliku Velikog praska u kojoj sva materija potiče iz iste „tačke“ to znači da su materija naše galaksije i materija galaksije HD1 pobegle na veće medjusobno rastojanje nego što je svetlost do tada mogla da prevali! Materija je dakle pobegla „ispred svetlosti“, kako je to napisao Dejan Mišić. Kako je to moguće?!?

*

Ova situacija je jedan od primera za ono što se u kosmologiji zove „problem horizonta.“ Sve do pre četrdeset i nešto godina ovaj naizgled paradoks bio je ignorisan kao deo opšte misterije Velikog praska. Tada je novi i burni razvoj fizike elementarnih čestica inspirisao fizičare da razmatraju kosmološke posledice tih modela, drugim rečima, da konstruišu detaljniju sliku ponašanja materije u vrlo ranom svemiru. Tako je došlo do eureka momenta: fizika elementarnih čestica implicira da je u vrlo ranom svemiru došlo do vrlo kratke faze eksplozivnog, ubrzanog širenja sa brzinama mnogo većim od brzine svetlosti!

Ta faza je dobila ime inflaciona faza, ili kosmička inflacija.

Klasičan koncept Velikog praska u kome svemir počinje od stanja nulte zapremine, beskonačne gustine i beskonačne brzine širenja, sada je uglavnom samo od istorijskog značaja. Umesto Velikog praska, kosmolozi za početak našeg vidljivog svemira uzimaju svršetak inflacione faze. Zapremina je još uvek mala: u standardnom inflacionom modelu po svršetku inflacione faze sav sada vidljivi svemir je veličine teniske loptice! Ali to nije nulta zapremina, gustina nije beskonačna, i brzina širenja je konačna. Inflaciona kosmologija je racionalan model sa kojim može da se računa. Detalji zavise od specifičnog, uvek hipotetičnog modela fizike elementarnih čestica koji je u osnovi ove slike.

Ono što je ovde važno je da kao posledica inflacije svake dve tačke u prostoru su za vrlo kratko vreme razvučene na rastojanje koje je veće od rastojanja koje svetlost može da preleti za to isto kratko vreme, tako da komunikacija na primer izmedju naše buduće lokacije i one u kojoj će biti galaksija HD1 nije bila moguća. Sa svršetkom inflacije svemir ulazi u fazu usporenog širenja, sporijeg od brzine svetlosti. Zona oko buduće HD1 do koje svetlost može da stigne postaje sve veća i veća, ali kao što vidimo čitavih 300 miliona godina od kraja inflacije te dve lokacije još uvek nisu u kontaku: „materija je pobegla svetlosti“ kao posledica prethodne inflacione faze. To je odgovor na postavljeno pitanje.

Drugi važan faktor je da je „teniska loptica“ eksplozivno razvučena od mnogo manje mikroskopske zapremine, tako da su fizička svojstva u svakoj lokaciji ista, osim malih kvantnih fluktuacija. Zbog toga kasnije formiranje sličnih galaksija je svuda moguće, pa svemir izgleda homogen, ali je na nekim mestima, kao na primer na lokaciji buduće galaksije HD1, gustina novo formirane materije bila veća, pa je ta galaksija formirana pre naše. Najstarije zvezde naše galaksije možda čitavih 500 miliona godina posle HD1, a disk naše Galaksije milijardama godina kasnije.

*

Svetlost HD1 je putovala u svim pravcima pa i prema našoj Galaksiji. Proteklo je kako vidimo oko 13.7 – 0.3 = 13.4 milijardi godina da ta svetlost stigne do nas i i prikazuje HD1 onakvom  kakva je ta galaksija bila onda, u dalekoj prošlosti i u ranoj fazi svog razvoja, verovatno još u procesu formiranja. Odatle, naizgled paradoksalno, može da se pročita da su astronomi snimili najraniju ili najmladju galaksiju. U sadašnje vreme HD1 izgleda verovatno kao i mnoge druge galaksije koje vidimo na noćnom nebu.

S druge strane, mnoge ili bar neke od nama poznatih galaksija verovatno su postojale u isto rano vreme kad i HD1 ali pošto su nam bliže njihova svetlost je do nas putovala kraće vreme, pa ih vidimo onako kako su izgledale u bližoj prošlosti a ne iz doba iz koga vidimo HD1. Značaj dalekih galaksija je u tome što jedino kod njih možemo da vidimo kako izgleda rana faza ili možda čak i početak formiranja galaksija. Cilj takvih posmatranja je da se nadje što više galaksija na velikim i različitim rastojanjima. Poredjenjem njihovih medjusobnih razlika, i poredjenjem sa bližim galaksijama daje nam vremeplov njihovog razvoja, od formiranja do sadašnje epohe. To je svrha ovih posmatranja.