Gde je u svemiru najhladnije?

[Bred]

Pozivamo Vas da uèestvujete u misaonom eksperimentu u kome mo¾emo zajedno da putujemo i do najudaljenijih predela svemira u potrazi za onim mestom gde je najhladnije. Umesno je da na svoje „putovanje“ krenemo sa planete Zemlje i da, na osnovu raspolo¾ivih podataka, posetimo njene najhladnije predele, a zatim da pregledamo sve planete Sunèevog sistema i, posle toga, nastavimo da „putujemo“ sve dublje u svemirska prostranstva.
autor: profesor Sava Milo¹eviæ

Prizor sa Antartika

Na Zemlji je najhladnije na Ju¾nom Polu (Antartiku). To smo mogli da oèekujemo jer je Antartik zaista „ledeni kontinent“. Mada je to peti po velièini kontinent (posle Azije, Afrike, Severne Amerike i Ju¾ne Amerike), na njemu se nalazi skoro 90% ukupne kolièine leda koji postoji na na¹oj planeti.

Zbog surove klime, prve ekspedicije na Antartiku zabele¾ene su tek 1890. godine, dok su prve nacionalne baze uspostavljene 1920. godine. Danas se na Antartiku nalazi veliki broj nacionalnih i meðunarodnih istra¾ivaèkih stanica. U njima boravi tehnièko osoblje i nauènici koji se bave geofizièkim osobinama Antartika, ali, u sve veæem broju, i nauènici koji tra¾e odgovore na aktuelna pitanja o osobinama kosmosa.

Ruske polarne stanice na Antartiku. Stanica „Vastok“ se nalazi, u sredi¹tu kontinenta, veoma blizu Ju¾nog pola.

Ruska istra¾ivaèka stanica „Vastok“ (Vostok, na engleskom jeziku) je osnovana 16. decembra 1957. U ovoj stanici je izmerena, u zimu 1997. godine, rekordno niska temperatura od −91°C, ali to nije do sada registrovano kao svetski rekord. Kao rekord, jo¹ uvek se navodi temperatura od −89°C koja je izmerena 21. jula 1983. godine, takoðe u istra¾ivaèkoj stanici „Vastok“.

Grafik temperatura na povr¹inama planeta Sunèevog sistema, u zavisnosti od rastojanja R (izra¾enog u astronomskim jedinicama AU) od povr¹ine Sunca.

Ako se sada posvetimo ostalim planetama, i njihovim satelitima, u Sunèevom sistemu, onda dostupne podatke mo¾emo prikazti grafièki. Pri tome, mora biti jasno da podaci o temperaturama T nisu mogli biti dobijeni direktnim merenjem, kao na Antartiku, veæ su ustanovljeni na osnovu analize elektromagnetnog zraèenja sa povr¹ina posmatranih nebeskih tela, koje je registrovano raznim instrumentima (pre svega,

pomoæu teleskopa) sme¹tenim na planinskim vrhovima na Zemlji, ili u balonima i kosmièkim letelicama. Na sledeæoj slici grafièiki su prikazane temperature (u Kelvinima, T/K ) na planetama Sunèevog sistema, u zavisnosti od rastojanja (R/AU) od Sunca, merenog u astronomskim jedinicama du¾ine. Brojevi na grafiku dati su na osama sa odgovarajuæim logaritamskim podeocima. Sa grafika mo¾e da se vidi da je, u okviru Sunèevog sistema, najhladnije na Neptunovom satelitu Tritonu. Na povr¹ini Tritona temperatura je 38K (odnosno −235°C). Podatke o Tritonu registrovali su i poslali, komandnom centru na Zemlji, instrumenti letelice Vojad¾er 2 (engleski naziv Voyager 2) kada je 25. avgusta 1989. proletela pored ovog Neptunovog satelita, na svom putu u prostranstva izvan Sunèevog sistema.

Na¹a zvezda Sunce je samo jedna od 200 milijardi drugih zvezda (raznih velièina i na raznim stupnjevima svog razvoja) koje se nalaze u okviru galaksije poznate pod imenom Mleèni Put. Ova galaksija je tanjirastog (pljosnatog) oblika, radijusa 100000 svetlosnih godina (ly), debljine oko 2ly, sa loptastim ispupèenjem (radijusa 7ly) u svom centru. Sunèev sistem je udaljen 27000ly od centralnog dela galaksije i obiðe ga (tj. kreæe se po zatvorenoj putanji) za vreme od 220 miliona godina. Procenjuje se da je ukupna masa Mleènog Puta isto toliko velika kao kad bi se ova galaksija sastojala od 720 milijardi nebeskih tela takvih da svi imaju istu masu kao Sunce. Meðutim, raspodela materije u okviru Mleènog Puta nije ravnomerna. To je spiralna galaksija, koja po obliku podseæa (na osnovu indirektno dobijene slike) na morsku zvezdu èiji su kraci kru¾no povijeni u smeru suprotnom od smera njenog obrtanja oko svog centra. Astronomska istra¾ivanja pokazuju da zvezde najgu¹æe „naseljavaju“ centralni deo Mleènog Puta, a da gustina „naseljenosti“ opada udaljavanjem ka obodu galaksije.

Zanimljivo je da Mleèni Put ima dva manja „satelita“, odnosno dve manje galaksije, poznate pod nazivima Veliki Magelanov oblak i mali Magelanov oblak. Veliki oblak se nalazi na rastojanju 170000ly od spoljne granice Mleènog Puta, dok je manji oblak dalji, udaljen je 210000ly od iste granice. U stvari, skoro sve galaksije u kosmosu pojavljuju se u obliku posebnih grupa, tzv. klastera (po engleskoj reèi cluster, sa znaèenjem jato, grozd, skup, mno¹tvo). Mleèni Put pripada jednoj grupi galaksija koja je poznata pod nazivom Lokalni Klaster, a koja (grupa) obuhvata, na rastojanju od oko 2,5 miliona svetlosnih godina, jo¹ dve velike spiralne galaksije (Andromedu i Triangulum) i oko 20 patuljastih galaksija (takvih da svaka posebno sadr¾i nekoliko milijardi zvezda). Mnoge patuljaste zvezde pojavljuju se kao sateliti velikih spiralnih galaksija. Neke druge galaktièke grupacije imaju u svom sastavu stotine, i hiljade, galaksija rasporeðenih u delovima kosmosa razmera i do nekoliko stotina miliona svetlosnih godina. Takve grupacije poznate su pod nazivom Superklasteri. Najbli¾a takva grupacija je poznata pod nazivom Virgo Superklaster i prostire se u delu kosmosa razmera 40 miliona svetlosnih godina. Na¹ lokalni klaster pojavljuje se kao dekorativni obod ovog superklastera. Na kraju, na jo¹ veæim razmerama, mogu se zapaziti galaksije grupisane u meðusobno povezane klastere koji obrazuju velike zvezdane snopove (filamente, prema srednjevekovnom latinskom izrazu filamentum), èija mre¾a ima pak nepopunjene delove prostora (¹upljine) razmera nekoliko stotina miliona svetlosnih godina. Prema tome, mo¾emo da zakljuèimo da materija u kosmosu, na velikim rastojanjima, lièi na neku d¾inovsku penu, sa velikim ¹upljinama, koje skoro ne sadr¾e bilo kakvu galaksiju, a koje su omeðene zvezdanim snopovima u kojima se nalaze skoro sve galaksije. Danas se procenjuje da se u vidljivom delu kosmosa nalazi sto milijardi galaksija.

Ovde moramo pa¾ljivo slu¹ati i èitati upozorenja da navedene podatke treba prihvatiti sa dozom opreznosti, odnosno s oèekivanjem da æe se u buduænosti pojaviti bolje procene, ali i s verovanjem da one sigurno neæe promeniti sliku o kosmosu kao prostoru koji je prepun zanimljivih objekata i pojava za koje ima dovoljno mesta, jer je kosmos za vidljivu materiju maltene prazan. Zaista, procenjuje se da srednja gustina materije u svemiru iznosi 3(tri) deseta dela jednog milijarditog dela jednog trilionitog dela kilograma materije sme¹tene u jednom kubnom metru kosmosa. S druge strane, procenjuje se da se, u srednjem, 7 (sedam) milijardita dela jednog bilionitog dela kilograma materije Mleènog Puta nalazi u jednom kubnom metru kosmièkog prostora. Na kraju, utvrðeno je da su zvezde i galaksije povezane tzv. interstelarnim medijumom, koji kao neki dim pro¾ima meðuprostor u kome se kome¹aju molekuli gasa i tzv. kosmièka pra¹ina. Gas je veoma malih gustina i u svom sastavu mo¾e da ima vodonik, helijum i atome nekih te¾ih elemenata, a „pra¹ina“ se sastoji od malih silikatnih èestica, ugljenikovih èestica, minijaturnih zrnca leda, i, ponekad, èestica jedinjenja gvo¾ða.

Vidimo da kosmos ima veoma zanimljiv nehomogeni sastav, pa zato mo¾emo da oèekujemo da je slièan raspored i temperatura nebeskih tela. Na primer, na povr¹ini Sunca temperatura je oko 6000K, a prema jednom od najpoznatijih dijagrama u astrofizici, tzv. Herc¹prung-Raselovom dijagramu, sledi da temperature povr¹ina poznatih zvezda mogu biti u intervalu od 2500K do 28500K. Izgleda da na¹u potragu za najhladnijem nebeskim telom, ili pojavom, ne mo¾emo lako da zavr¹imo. Meðutim, ako imamo u vidu da su svuda u kosmosu prisutna elektromagnetna polja razlièitog porekla i razlièitih inteziteta situacija æe se preokrenuti u na¹u korist. Podsetimo se Plankovog zakona zraèenja, prema kome intenzitet zraèenja zavisi od temperature izvora elektromagnetnog polja i to tako da se maksimum, energije izraèene u jedinici vremena, pomera ka veæim talasnim du¾inama (odnosno, ka manjim frekvencama) kad se temperatura izvora zraèenja smanjuje.
Na slici je plankov zakon zraèenja prikazan za tri razlièite temperature izvora zraèenja (3000K, 4500K i 6000K). Na vertikalnoj osi je dat odgovarajuæi intezitet zraèenja, tj. energija izraèena u jedinici vremena u jediniènom prostornom uglu, dok je na donjoj horizontalnoj osi data logaritamska skala talasnih du¾ina zraèenja, a na gornjoj horizontalnoj osi je data logaritamska skala odgovarajuæih frekvenci.

1962. godine Bell-ove Laboratorije dale su astrofizièarima Arno Penzijasu i Robertu Vilsonu veliku radio antenu sme¹tenu u mestu Holmdel (Nju D¾ersi, SAD) da je koriste za svoje istra¾ivaèke svrhe. Antena je bila napravljena za komunikaciju meðu satelitima ali se ispostavilo da je za takve svrhe vrlo brzo bila prevaziðena (vidi Sl.5). Penzijas i Vilson su nameravali da antenu iskoriste za prouèavanje radio signala koji dolaze iz meðugalaktièkog prostora. Meðutim, bili su veoma razoèarani kada su, uprkos svim moguæim prepravkama radio-antene u radio-teleskop, mogli da registruju jednolièan ¹um bez obzira na pravac, odnosno bez obzira na mesto u kosmosu ka kome su usmerili svoj ureðaj. Konaèno, kroz diskusiju sa iskusnim kolegama, zakljuèili su da su u pitanju radio talasi koji se prostiru kroz ceo kosmos i imaju takvu frekvencu (i talasnu du¾inu) koja odgovara toplotnom zraèenju temperature od oko 3K. Zatim je 1964. godine sledio revolucionarni zakljuèak da to zraèenje predstavlja relikt (ostatak) velikog praska (Big Bang) koji se desio pre 13,7 milijardi godina.

Po¹to se kosmos posle velikog praska postepeno hladio, poèev od veoma visoke temperature od deset triliona Kelvina (èiju vrednost mo¾emo da iska¾emo kao broj koji se dobija kad se deset milijardi pomno¾i sa jo¹ jednom milijardom), dana¹nje sveprisutno elektromagnetno polje obièno nazivaju „pozadinsko zraèenje“ (prema engleskoj reèi background radiation), jer se njegovo ishodi¹te nalazi u pozadini bilo kog kosmièkog objekta koji posmatramo sa Zemlje. Penzijas i Vilson su za svoje otkriæe 1978. godine dobili Nobelovu nagradu, a 18. novembra 1989. lansiran je satelit COBE (èije je ime skraæenica engleskog izraza Cosmic Background Exolorer). Instrumenti sme¹teni na COBE satelitu su veæ 1990. godine potvrdili da svuda u kosmosu postoji reliktno zraèenje radio-talasa koje taèno odgovara Plankovom zraèenju pri temperaturi od 2,725K. Izgledalo je da je tako naðena najni¾a temperatura u kosmosu.

Radio-antena u mestu Holmdel (Nju D¾ersi, SAD) pomoæu koje su Arno Penzijas i Robert Vilson 1965. godine otkrili sveprisutno kosmièko reliktno (pozadinsko) mikrotalsno zraèenje.

Meðutim, sedam godina kasnije, dva astrofizièara Ragvhendra Sahai i Lars-Ake Nyman objavili su èlanak u èasopisu „Astrofizièki ®urnal“, oktobra 1997, u kome su saop¹tili da su, na osnovu svojih posmatranja, obavljenih pomoæu radiotelskopa u meðunarodnoj opservatoriji u mestu La Sila (Èile), otkrili da popularna kosmièka maglina Bumerang ima najni¾u tempereturu u kosmosu → 1K (vidi Sl.7). U stvari naziv Bumerang dali su 1980. godine australijski astronomi Kejt Tejlor i Majk Skerot, koji su svoja osmatranja obavljali koristeæi Anglo-Australijski teleskop u istra¾ivaèkom centru Sajding Springu, koji se nalazi 451km severozapadno od Sidneja. Njima se uèinilo da posmatrana nebula ima oblik bumeranga, pa su je tako nazvali. Ali, kasnija preciznija istra¾ivanja su pokazala da posmatrana maglina pre lièi na leptir ma¹nu nego na australijski bumerang. Ipak, pored struène oznake (ESO 172-7), ostalo je u upotrebi popularno ime Bumerang nebula. Nebula je, u stvari, latinski naziv za maglinu (maglovit oblak), a u sluèaju kosmièkih maglina u njhovom sadra¾aju preovlaðuje vodonik i èestice drugih elemenata od kojih je sasatavljena zvezda koju data maglina okru¾uje. Bumerang maglina je udaljena 5000ly od Zemlje, a nalazi se u zvezdanoj konstelaciji Kentaurus.

Snimak magline Bumerang, dobijen pomoæu instrumenata sme¹tenih na Hablovom kosmièkom teleskopu.

Ovde se postavlja jedno va¾no pitanje. Kako je moguæe da se na mestu gde se nalazi Bumerang maglina ne primeæuje „sveprisutno“ pozadinsko zraèenje èija je temperatura veæa od 1K? Ovo se mo¾e objasniti èinjenicom da se u centru Bumerang magline nalazi zvezda koja je slièna Suncu, ali koja je mnogo starija od Sunca, tj. koja je u takvoj fazi svoje evolucije kada skoro eruptivno izbacuje ogromne kolièine gasova. Bumerangova centralna zvezda izbacuje gasove koji se kreæu brzinom od 590000 km/h. Ovi izuzetno brzi „vetrovi“ hlade materiju (pre svega ugljen-monoksid) koja se nalazi na putu njihovg kretanja. Tako ohlaðena materija mo¾e da apsorbuje èak i toplotnu energiju koja dopire putem mikrotalasnog elektromagnetnog pozadinskog zraèenja, pa se na taj naèin temperatura spu¹ta na 1K. Energija koju apsorbuje gas ugljen-monoksida bila je registrvana kao karakteristièan radio-signal pomoæu, ¹vedskog submilimetarskog radio-teleskopa postavljenog u meðunarodnoj opservatoriji u Èileu. Podatke koji su dobijeni pomoæu teleskopa na Zemlji, potvrdili su podaci koji su 1998. godine dobijeni pomoæu Hablovog teleskopa.

Prema tome, na kraju mo¾emo da zakljuèimo da danas znamo da u kosmosu postoji objekat sa najni¾om zabele¾enom temperaturom – to je Bumerang maglina sa temperaturom od 1K, odnosno temperaturom koja je manja od kosmièkog reliktnog zraèenja 2,725K. Ali, ako se prisetimo koliko u kosmosu ima galaksija i raznih vrsta zvezda, ne mo¾emo da izbegnemo da postavimo pitanje o tome da æe u buduænosti mo¾da biti otkriveno neko drugo kosmièko telo, ili pojava, koja ima temperaturu ispod 1K.

Kao prilog ovakvom razmi¹ljanju, navedimo da su fizièari koji se bave ostvarivanjem niskih temperatura odavno pre¹li navedenu „granicu“, tj.spustili su temperaturu hlaðenog objekta ispod jednog hiljaditog dela Kelvina, tako da danas u velikom broju laboratorija u svetu ima fri¾idera koji kontinuirano odr¾avaju temperaturu od 1mK. Ali to nije donja granica koja je ostvarena u laboratorijama za fiziku niskih temperatura. Navedimo da je istra¾ivaèka grupa Profesora V. Keterlea (Nobelova nagrada 2001), na Masaèusetskom Institutu za Tehnoligiju (MIT), uspela 2003. godine da ostvari temperaturu koja je manja od jednog milijarditog dela Kelvina.

Da li su takvi rezultati va¾ni za kosmiæka istra¾ivanja? Jeste, veoma su va¾ni i korisni. Na primer, satelit COBE poneo je sa sobom Djuarovu „bocu“ napunjenu sa 650 litara teènog helijuma (ohlaðenog do 1,6 Kelvina), ¹to je omoguæilo drugim instrumentima na satelitu da obave veoma precizna snimanja inteziteta pozadinskog zraèenja. O ostalim brojnim vezama izmeðu fizike niskih temperatura i kosmièkih istra¾ivanja biæe reèi nekom drugom prilikom.

b92