Koliko je zapravo star svemir?

Koliko je zapravo star svemir? Od početka ovog vijeka procjene se kreću oko 13,7–13,8 milijardi godina, broj dobijen kombinovanjem nekoliko nezavisnih mjerenja koja se iznenađujuće dobro slažu. Ali otkad je svemirski teleskop James Webb počeo da nam šalje fotografije izuzetno dalekih galaksija, taj broj je ponovo u fokusu.

Jesu li neke od tih galaksija zaista "prestare" za svoju navodnu starost? I ako jesu, znači li to da je sam svemir stariji nego što mislimo?

Galaksije koje su prerano odrasle

Ubrzo nakon lansiranja, James Webb je počeo da pronalazi galaksije na ogromnim crvenim pomacima, što znači da gledamo svjetlost koja je krenula ka nama samo nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska.

Problem je u tome što su neke od tih galaksija izgledale mnogo zrelije, masivnije i bolje organizovane nego što bi standardni model formiranja galaksija predvidio za tako rano doba svemira.

Važno je odmah reći jednu stvar koja se u prvim medijskim izvještajima često gubila: nisu svi ovi "nemogući" kandidati kasnije i potvrđeni. Rane procjene crvenog pomaka na osnovu JWST snimaka rade se fotometrijski, odnosno na osnovu boje galaksije, a to je metoda koja može dati pogrešan rezultat.

Jedan od najpoznatijih takvih slučajeva je galaksija nazvana CEERS-93316, za koju je prvobitna fotometrijska procjena pokazala ogroman crveni pomak od 16,4, što bi je činilo jednom od najdaljih ikad zabilježenih.

Kada su astronomi 2023. godine uradili spektroskopsko mjerenje, mnogo preciznije od fotometrijskog, ispostavilo se da je stvarni crveni pomak te galaksije svega 4,9. Objašnjenje je bilo gotovo poetično: kombinacija emisije nebularnih linija i pocrvenjivanja od prašine oponašala je boje mnogo udaljenijeg objekta.

To, međutim, ne znači da je cijela priča bila lažna uzbuna. Isto istraživanje, objavljeno u časopisu Nature, spektroskopski je potvrdilo dvije izuzetno sjajne galaksije na crvenom pomaku većem od 11, dakle iz prvih nekoliko stotina miliona godina postojanja svemira. Te dvije galaksije jesu stvarne, i jesu neobično svijetle za svoju starost.

Dakle, glavna poruka nije da je James Webb dokazao da je svemir stariji. Poruka je da se neke strukture u ranom svemiru formiraju brže i efikasnije nego što smo očekivali, a istovremeno da treba biti oprezan prema svakom pojedinačnom "rekordu" dok ga ne potvrdi spektroskopija.

Crveni pomak: Kako mjerimo starost svemira

Da bismo razumjeli zašto je ovo uopšte sporno pitanje, treba se vratiti na osnovni alat kojim astronomi mjere udaljenost i starost u svemiru: crveni pomak.

Kako se svemir širi, povećava se i talasna dužina svjetlosti koja kroz njega putuje, zbog čega se ona pomjera prema crvenom dijelu spektra. Pošto se svemir širi, gotovo sve udaljene galaksije se od nas udaljavaju, pa što je galaksija dalja (i, u praksi, što je svjetlost koju vidimo starija), to je njen crveni pomak veći.

Ovo mjerenje, kombinovano sa ΛCDM kosmološkim modelom, standardnim okvirom kosmologije koji uključuje širenje svemira, tamnu materiju i tamnu energiju, dovelo je do procjene da je svemir star oko 13,8 milijardi godina.

Taj model uspješno objašnjava ogroman broj nezavisnih opažanja, od kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja do raspodjele galaksija u velikim razmjerama. Upravo zato iznenadni dolazak neočekivano zrelih ranih galaksija izaziva toliko pažnje: neki dijelovi slagalice jednostavno ne pristaju lako u taj inače vrlo uspješan okvir.

Može li svemir biti star 26,7 milijardi godina?

Jedan od pokušaja da se ova zagonetka riješi stigao je 2023. godine od Rajendre Gupte, fizičara sa Univerziteta u Otavi, u radu objavljenom u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Njegov model kombinuje dvije stare i neobične ideje.

Prva je hipoteza britanskog fizičara i nobelovca Paula Diraca iz 1937. godine, prema kojoj takozvane fundamentalne fizičke konstante, brojevi koji određuju jačinu osnovnih sila u prirodi, možda nisu zaista konstantni, nego su se mijenjali tokom istorije svemira.

Druga je teorija "umornog svjetla" švicarskog astronoma Fritza Zwickyja iz 1929. godine, prema kojoj bi foton mogao postepeno gubiti energiju na dugom putovanju kroz svemir, što bi se opazilo kao crveni pomak, čak i bez širenja prostora.

Možda vas zanima: Misteriozni svemirski objekt šalje signal svake 44 minute

Gupta ove dvije ideje spaja u hibridni model koji naziva "CCC+TL" (promjenljive konstante sprege plus umorno svjetlo). Suština je matematička: ako se dio crvenog pomaka koji pripisujemo širenju svemira zapravo barem djelimično duguje promjeni fizičkih konstanti i gubitku energije fotona, onda se vrijeme potrebno za formiranje posmatranih ranih galaksija može razvući sa nekoliko stotina miliona na nekoliko milijardi godina.

Prema njegovom proračunu, to bi svemir učinilo starim čak 26,7 milijardi godina, skoro dvostruko više od trenutne procjene.

Ovdje je, ipak, nužna velika ograda. Guptin model je alternativni teorijski prijedlog, a ne nova, potvrđena procjena starosti svemira koju bi naučna zajednica prihvatila kao zamjenu za postojeću.

Takvi modeli se objavljuju i raspravljaju upravo zato da bi se testirale granice onoga što znamo, ali ovaj model još nije dobio nezavisnu opažačku potvrdu koja bi pokazala da njegove pretpostavke bolje objašnjavaju podatke od standardnog kosmološkog modela.

Guptin model je 2026. dobio još jedan test. Rajendra Gupta i Nikolaos Samaras objavili su u časopisu Universe studiju koja provjerava da li CCC+TL može sačuvati predviđanja primordijalne nukleosinteze (BBN), procesa u kojem su u prvim minutama svemira nastali laki elementi.

Pokazali su da se, uz posebno skaliranje interakcijskih i raspadnih stopa, količine lakih elemenata mogu sačuvati gotovo identičnim onima u ΛCDM-u, unutar numeričke greške, pa BBN ne isključuje CCC+TL.

To je važan test konzistentnosti, ali ne i nezavisna potvrda: rad provjerava kompatibilnost modela s BBN-om, ne mjeri starost svemira i dolazi od istog autora koji je model predložio.

Autori napominju i da niža barionska gustoća može ublažiti problem litijuma-7, ali povećava deuterijum, pa BBN sam po sebi ne odlučuje između tih procjena. Rad se bavi samo BBN-om, ne i zapažanjima koja isključuju jednostavno umorno svjetlo.

Zašto teorija umornog svjetla nije prihvaćena

Vrijedi objasniti zašto je ideja o "umornom svjetlu", iako stara gotovo vijek, ostala na margini kosmologije.

Možda vas zanima: Entropija: Najnerazumljiviji koncept u fizici

Zwickyjeva originalna zamisao iz 1929. bila je jednostavna: foton gubi energiju dok putuje kroz prostor, pa to izgleda kao crveni pomak, čak i da se svemir uopšte ne širi. Na prvi pogled, ovo bi moglo objasniti crveni pomak bez potrebe za širenjem prostora, ali teorija se sudara sa nekoliko nezavisnih posmatranja koja jednostavan model umornog svjetla ne može objasniti.

Prvo, posmatranja udaljenih supernova pokazuju da njihove eksplozije, kada ih gledamo izdaleka, traju duže nego u njihovom mirovanju, baš onoliko duže koliko predviđa širenje prostora, takozvana vremenska dilatacija. Jednostavno umorno svjetlo ne predviđa ovaj efekat.

Drugo, takozvani Tolmanov test površinskog sjaja galaksija, koji poredi koliko blijede izgledaju udaljene galaksije u odnosu na svoju veličinu, daje rezultate koji odgovaraju svemiru koji se širi, a ne statičnom svemiru sa umornim svjetlom.

Treće, postojanje i oblik kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, ostatka topline iz rane faze svemira, teško je objasniti bez stvarnog širenja prostora iz vrelog i gustog početnog stanja.

Zbog ovoga je bitno razlikovati Zwickyjevu originalnu, jednostavnu ideju, koju je astronomska zajednica uglavnom napustila još prije nekoliko decenija, od Guptinog mnogo složenijeg hibridnog modela, koji pokušava da zaobiđe neke od ovih problema uvodeći dodatnu promjenljivost fizičkih konstanti.

I dalje, kritičari ovog pristupa ističu da uvođenje dva nova slobodna parametra, umjesto da rješava problem, samo otvara prostor da se model podesi da odgovara bilo kojem posmatranju, što samo po sebi nije isto što i dokazati da je taj mehanizam stvaran.

Je li naš model svemira pogrešan?

Sve ovo ne znači da je naš trenutni model svemira, takozvani ΛCDM, savršen i da nema otvorenih pitanja. Naprotiv, ima ih nekoliko ozbiljnih.

Oko 95 posto sadržaja svemira u ovom modelu čine tamna materija i tamna energija, dvije pojave koje mjerimo kroz njihove gravitacione i kosmološke efekte, ali čiju suštinsku prirodu i dalje ne razumijemo.

Tu je i takozvana Hubbleova napetost, neslaganje između dvije različite metode mjerenja brzine širenja svemira koje bi, prema modelu, trebalo da daju isti rezultat, a ne daju. I konačno, tu je i samo pitanje kako su se galaksije koje je otkrio James Webb uspjele formirati tako brzo i efikasno.

Važno je, ipak, ne povezivati sva ova pitanja automatski u jednu priču o "pogrešnoj" starosti svemira. Tamna materija, tamna energija, Hubbleova napetost i brzo formiranje ranih galaksija predstavljaju različite, zasebne probleme i ograničenja u našem razumijevanju kosmosa, a ne nužno dijelove iste zagonetke koja bi se riješila samo time što bismo svemir proglasili dvostruko starijim.

Koliko je star svemir zapravo?

Vratimo se na pitanje s početka. Najbolji odgovor koji danas imamo i dalje je otprilike 13,8 milijardi godina.

To nije proizvoljna pretpostavka izvučena ni iz čega, nego rezultat modela koji uspješno objašnjava veliki broj potpuno nezavisnih astronomskih opažanja, od pozadinskog zračenja do raspodjele galaksija kroz svemir.

Ali to ne znači da je naše razumijevanje svemira završeno. James Webb pokazuje da su pojedini dijelovi njegove rane istorije složeniji, i zanimljiviji, nego što smo očekivali.

Alternativni modeli, poput Guptinog, pokazuju da postoje i drugačiji pokušaji da se te zagonetke objasne, čak i ako većina njih na kraju ne izdrži provjeru. Svaka ozbiljna nova teorija, na kraju krajeva, mora objasniti ne samo onu anomaliju koja je potakla njen nastanak, nego i sve ono što postojeći model već uspješno objašnjava, a to je visoka letvica.

Možda još uvijek ne znamo sve o tome kako je naš svemir nastao ni koliko je zapravo star. Ali upravo nas ta nepoznanica tjera da zavirujemo sve dublje u njegove tajne.

Foto naslovnice: Adam Krypel sa Pexelsa

IZVORI

• Gupta, R.P., "JWST early Universe observations and ΛCDM cosmology", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 524(3), 2023, str. 3385–3395
• Gupta, R.P.; Samaras, N., "A Big Bang Nucleosynthesis Consistency Test of the CCC+TL Cosmology", Universe, 12(7), 2026, 193
• Arrabal Haro, P. et al., "Confirmation and refutation of very luminous galaxies in the early Universe", Nature, 622, 2023, str. 707–711
• University of Ottawa, "Reinventing cosmology: uOttawa research puts age of universe at 26.7 — not 13.7 — billion years"
• Siegel, E., "Is the Universe 13.8 or 26.7 billion years old?", Big Think
• Aghanim, N. et al. (Planck Collaboration), "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters", Astronomy & Astrophysics, 641, A6, 2020.
• Labbé, I. et al., "A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang", Nature, 616, 2023, str. 266–269.
• Goldhaber, G. et al., "Timescale Stretch Parameterization of Type Ia Supernova B-Band Light Curves", The Astrophysical Journal, 558(1), 2001, str. 359–368.
• Lubin, L.M., Sandage, A., "The Tolman Surface Brightness Test for the Reality of the Expansion", The Astronomical Journal, 122, 2001, str. 1084–1103.