Also Available in:

Zvijezde prirodno ne nastaju—potrebna je ‘tamna tvar’ ‘bog praznina’

po
preveo Mladen Cirjak

Objavljeno: 1. rujan 2015 (GMT+10)

‘Tamna tvar’ je ključan sastojak za prirodno stvaranje zvijezda uzme li se u obzir samo standardna poznata fizika. ‘Tamna tvar’ je teoretski, egzotičan oblik tvari, nepoznat laboratorijskoj fizici, koji nema interakciju sa ili ne emitira svjetlost na bilo koji način, zbog čega ju nije moguće detektirati unutar elektromagnetskog spektra, od radio-valova do gama-zračenja. Sama ‘tamna tvar’, dakle, leži izvan standardne poznate fizike. Ona je izmišljena stvar kojoj je dano jedno posebno svojstvo, da gravitira, to jest, za razliku od normalne tvari, ona je izvor samo gravitacije.

Detekcija ‘tamne tvari’

dark-matter
Slika 1. Slika tamne tvari detektirane uporabom naprednih metoda.

No, da li je tamna tvar detektirana bilo kakvim izravnim mjerenjem? Odnosno, osim pozivanja na njeno postojanje zbog anomalija poput krivulja rotacije galaksija gdje gibanja zvijezda i plinova u krakovima spiralnih galaksija ne prate očekivan Keplar-ov zakon u skladu sa standardnom Newton-skom fizikom? Ne, nije, i to nakon 40 godina potrage u laboratorijskim eksperimentima. Ipak, za nju se vjeruje da postoji – ‘bog praznina’ – te je esencijalna, u protivnom se mnoga opažanja astro-fizike jednostavno ne poklapaju s očekivanim uz aplikaciju standardnih zakona fizike. Vidi Slika 1 za prikaz tamne tvari.

Teorijski fizičar Mordehai Milgrom predložio je alternativu tamnoj tvari, pod nazivom Modificirana Newton-ska Dinamika (Modified Newtonian Dynamics ili MOND) gdje malo mijenja zakon gravitacije na vrlo velikom mjerilu galaksija kako bi riješio problem krivulja rotiranja galaksija i dinamike galaksija na većim mjerilima. U New Scientist članku1 iz 2014. godine novinar Marcus Chown je upitao Milgrom-a:

“Zašto je sada pogodno vrijeme da se alternativa tamnoj tvari uzme ozbiljno?”

Na što je on odgovorio:

“Mnoštvo eksperimenata u potrazi za tamnom tvari, uključujući Large Hadron Collider, mnoge podzemne eksperimente i nekoliko svemirskih misija, nije uspjelo opaziti bilo što uvjerljivo. To dolazi povrh sve jasnijeg shvaćanja da vodeći model tamne tvari ima svoje nedostatke. Između ostaloga, on predviđa da bi trebali vidjeti puno više patuljastih galaksija koje kruže oko Mliječne Staze nego što je to slučaj.

Taj problem sam naglasio u Why is Dark Matter everywhere in the cosmos? U ovom članku fokusirat ću se više na problem, ne formiranja galaksija, već nastanka zvijezda, iako je to dvoje povezano. Bez zvijezda, galaksije ne bi postojale. Prije no dođem do toga, razmotrite slijedeće.

Računalne simulacije svemira velikog mjerila

BBC-jev hedlajn je glasio “Universe evolution recreated in lab2 (Evolucija svemira ponovljena u laboratoriju). Riječ je bila o međunarodnom timu istraživača koji su … stvorili najcjelovitiju vizualnu simulaciju evolucije svemira. Koristili su super računalo kako bi stvorili model navodnog ranog svemira u kojem su pokazali … kako su prve galaksije nastale oko nakupina misteriozne, nevidljive supstance po imenu tamna tvar. Slika 2 prikazuje rezultate njihove simulacije u usporedbi sa stvarnim svemirom. Rezultat izgleda jako dobro, zar ne? Možda su riješili problem porijekla svemira?

universe
Slika 2. Stvarni svemir fotografiran pomoću teleskopa Hubble, lijevo. Desno, ono što proizlazi iz simulacije. Ref 2.

Oni nisu radili na mjerilu veličine zvijezda, već velikom mjerilu strukture svemira i formiranju galaksija. Članak izvještava (moj naglasak dodan):

“U početku, pokazuje niti misteriozne tvari koju kozmolozi nazivaju ‘tamna tvar’ kako se pružaju prazninom svemira poput grana kozmičkog stabla. Kako milijuni godina prolaze, tamna tvar se skuplja i koncentrira kako bi stvorila sjeme prvih galaksija.

Morali su upotrijebiti tamnu tvar kao ‘sjeme’ u protivnom galaksije u njihovim simulacijama ne bi nastale. Profesor Carlos Frenk (Durham University) je rekao (moj naglasak dodan):

“Možete načiniti da zvijezde i galaksije izgledaju kao prava stvar. No, tamna tvar je ta koja upravlja.

Bez tog nepoznatog ‘boga praznina’ jednostavno ne možete učiniti da te simulacije proizvedu išta što nalikuje stvarnom svemiru. Zakoni znane fizike neće to dopustiti. dr Vogelsberger pri Massachusetts Institute of Technology (MIT) je rekao (moj naglasak dodan):

Ako ne uključite tamnu tvar (u simulaciji) to neće nalikovati stvarnom svemiru.

Konačno kozmolog dr Robin Catchpole (Institute of Astronomy in Cambridge) dodaje ono što je novinar nazvao upozorenjem (moj naglasak dodan):

Iako je držao da je simulacija ‘spektakularna’, dodao je, ‘ne smijete biti zavedeni samom vizualnom ljepotom te stvari. ‘Dobivate strukture koje izgledaju kao galaksije, a da one nemaju mnogo veze s fizikom nastanka galaksija.

Esencijalni sastojak formiranja zvijezda

Kao što profesor Carlos Frenk ističe u gore citiranim članku,2 tamna tvar je ključna za nastanak zvijezda, a on misli prirodno, to jest, samo uz poznate zakone fizike.

Vidljivi svemir sadrži oko 1011 galaksija koje sadrže u prosjeku po 1011 zvijezda, što ukupno iznosi približno 1022 zvijezda. Prema tome, njihovo je nastajanje za svemir fundamentalno. Bez zvijezda ne bi bilo svemira. Međutim, iz sekularne perspektive, teoretsko razumijevanje nastanka zvijezda je poprilično manjkavo, no teoretičari se nadaju i nastavljaju istraživanja pomoću računalnih simulacija u pokušaju rekonstruiranja povijesti ranog svemira i formiranja zvijezda.

Glavna poteškoća je modeliranje fizičkog procesa formiranja, koji uključuje gravitaciju, dinamiku visoko turbulentnih plinova, magnetska polja, zračenje, molekularnu i kemiju prašine. Formiranje zvijezda također uključuje enorman raspon duljina i vremena, pretpostavljajući jedino naturalističke procese, što simulacije čini teškim, čak i sa super-računalima.

bigbang-star-formation
Slika 3. Priča o nastanku zvijezda (Izvor: Spitzer Science Center. Vidi Ref. 3.).

Danas, tamna tvar se dodaje kao esencijalni sastojak svim simulacijama formiranja zvijezda jer jednom kada bilo koji zamišljeni oblak vodika kondenzira do određene veličine dođe u hidrodinamičku ravnotežu. To znači da je sila usmjerena prema vani, koju uzrokuje akumulirani tlak uslijed zagrijavanja zgusnutog oblaka, jednaka sili usmjerenoj prema unutra koja nastaje zbog uzajamnog gravitacijskog privlačenja sveukupne tvari unutar oblaka. U tom stanju, daljnje zgušnjavanje nije moguće, osim ako se ne uvede nešto što će prevladati to ograničenje.

Možda čujete izraz ‘virijalni’ sustav. U takvom stanju uspostavljena je ravnoteža između kinetičke energije i potencijalne gravitacijske energije oblaka. Jednom kada se to postigne, više nije moguće ostvariti promjenu osim ako se energija ne usmjeri od oblaka hladeći ga, što može trajati neodređeno vrijeme, a ako je gustoća materije ispod određene vrijednosti hlađenje nije moguće. Način zaobilaženja toga je da se krene sa puno više tamne nego normalne tvari, što odmah nadvladava to stanje ravnoteže. To se opravdava pretpostavkom da spiralne galaksije sadrže 85% tamne tvari.

Za bilo koji pra-oblak plina – koji se sastoji uglavnom od vodika – smatra se da je produkt navodnog vrućeg velikog praska, pri kojem su, pretpostavlja se, nastali jedino vodik, helij i malo litija, procesom nuklearne fuzije.3 Prema toj priči, nakon 3 do 20 minuta temperatura vatrene kugle velikog praska je pala do mjere kada se fuzija više nije mogla odvijati.

Inicijalno su elementi (H, He) bili u stanju vruće plazme, no nakon približno 380,000 godina ta se plazma dovoljno ohladila da su se elektroni rekombinirali sa protonima i ostalim jezgrama stvarajući u biti jedino plinove vidik i helij. Iz tog plina, smatra se, nakon milijardu godina, manje-više (model je fleksibilan), nastale su prve zvijezde.4 Ali, i to veliko ALI, ne postoji poznati zakon prirode (fizike) koji bi dozvolio formiranje prvih zvijezda iz navodnih pra-oblaka plina.

Slika 3 prikazuje navodni proces nastajanja zvijezde. No, primijetite da na slici 3(a) simulacija započinje gustom jezgrom, takvom da se gravitacijski kolaps može dogoditi na slici 3(b). ‘Nešto’ je dodano na početku, u protivnom ništa se ne može dogoditi.

Jeans-ova granica

Bez toga ‘nečega’, fundamentalna fizika nužno mora biti prekršena ili Jeans-ova granica5 mora biti nadvladana ili kompresijom ili hlađenjem oblaka. Međutim, jednom kada je ta granica pređena, gravitacija može preuzeti [slika 3(b)] i dodatno komprimirati oblak, kako bi se formirala proto-zvijezda [slika 3(c)]. No, bez nekog mehanizma koji bi nadvladao to prirodno ograničenje oblak bi se prirodno zagrijao, a to bi spriječilo daljnje sabijanje, uzrokujući ravnotežu.

U računalnim simulacijama formiranja zvijezda računalni program obično započinje takvom gustoćom da je Jeans-ova masa već postignuta, pa granica nije problem jer simulacija započinje nakon te točke [kao što je prikazano na slikama 3(a) i (b)]. Jeans-ova masa =–1/2 T3/2, gdje je K konstanta, ρ je gustoća oblaka, a T apsolutna temperatura.

Svemir bez zvijezda, to jest, svemir koji sadrži jedino vodik, nešto helija i znane zakone fizike, nije svemir u kojem živimo. Naturalistički postoje samo 3 moguća pravca istraživanja kako bi se nadvladao ovaj problem, odnosno, da zvijezde nastanu prirodnim putem.

  1. Hlađenje oblaka tako da se može nastaviti komprimirati, povećavajući svoju gustoću (ρ). Dopuštajući dovoljno vremena za hlađenje nada se da je Jeans-ova granica nadvladana;
  2. Komprimirati oblak da se prijeđe Jeans-ova granica, pomoću magnetnih polja kao što je slučaj kod tokamak uređaja6 kako bi se zarobila vruća plazma, ili, nekom vanjskom silom npr. supernovom, da se oblak sabije preko Jeans-ove granice;
  3. Uvesti neku novu egzotičnu tvar na koju ne utječu normalni termodinamički principi, jer ona nema interakciju sa normalnom tvari, tako ona uzrokuje dodatnu gravitacijsku silu na oblak, ali bez da doprinosi njegovom zagrijavanju. Tako se ona koristi za rješavanje problema stanja ravnoteže u oblaku koji ga sprečava u tome da dalje kolabira i stvori zvijezdu.

Predloženo je da obližnja eksplozija zvijezde (supernova) može komprimirati oblak plina, te se teoretizira da je naše Sunce nastalo nakon supernove crvenog diva u našem galaktičkom susjedstvu. Udarni valovi su generirani valovima koji putuju prema vani i koji su nastali eksplozijom. Vidi sliku 4 koja prikazuje kako (‘kozmički biseri’) vruća plazma putuje od izvora središnje eksplozije prema van. Ali ideja udarnih valova supernove koji su potrebni za sabijanje oblaka plina uvodi problem ‘kokoši i jajeta’, pa se teško može kvalificirati za objašnjenje porijekla prvih zvijezda, populacije zvijezda III, ubrzo nakon navodnog velikog praska.

Supernova-SN1987A
Slika 4. Supernova SN1987A’s Cosmic Pearls
Zahvala: P. Challis, R. Kirshner (CfA), and B. Sugerman (STScI), NASA.

Magnetna polja unutar oblaka plinova se također istražuju. Ona ne pomažu, već, zapravo, odmažu kolaps, osima ako oblak može ukloniti magnatska polja difuziranjem iona koji ih nose. Najveća nada je formiranje zvijezda hlađenjem, putem infra-crvenog zračenja molekularnog vodika, ali ti zahtijeva puno vremena, zato simulacije započinju mješavinom tamne tvari i vodika (normalne tvari). Nema nade za nastanak zvijezda bez pomoći pretpostavljene tamne tvari, bez obzira koliko stotina milijuna godina dozvolite tom procesu. Fizika je i dalje problem.

Ovo što slijedi je kako Scientific American članak pod naslovom “The First Stars in the Universe”7 (Prve zvijezde u svemiru) opisuje procese (moj naglasak dodan):

Ovo hlađenje igra esencijalnu ulogu u odvajanju normale tvari pra-sustava od tamne tvari. Vodik koji se hladi bi se slegao u spljoštenu rotirajuću konfiguraciju koja je grudasta i filamentna, te moguće u obliku diska. No, stoga što čestice tamne tvari ne bi emitirale zračenje ili gubile energiju, one bi ostale raštrkane unutar pra-oblaka. Tako bi sustav u kojem nastaje zvijezda postao sličan minijaturnoj galaksiji, sa diskom obične tvari i aureolom tamne tvari. Unutar diska, najgušće grude plina bi se nastavile skupljati, a vremenom bi neke od njih prošle kroz odbjegli kolaps i postale zvijezde.

Slijedeće je napisano u zaglavlju niza grafika koje ilustriraju navodno formiranje zvijezda i galaksija.

PRIMEVAL TURMOIL Proces koji je doveo do stvaranja prvih zvijezda bio je veoma različit od načina na koji se one formiraju danas. No, silovito umiranje nekih od tih zvijezda utrlo je put ka nastanku svemira koji vidimo danas.

To je ilustriramo mojom slikom 5 (kopirano) koja prikazuje proto-galaksiju načinjenu od tamne tvari i obične tvari (vodika).

first-forming-systems
Slika 5. Iz ref 7, strana 8. Prvi sustavi formiranja zvijezda – malene proto galaksije – bili su sačinjeni od elementarnih čestica po imenu tamna tvar (prikazano crvenom bojom). Obična tvar – uglavnom vodik (plavo) – u početku je bio pomiješan sa tamnom tvari (izvorni tekst).

Tamna tvar je ovdje ‘bog praznina’ kojega se koristi kako bi se nadvladala osnovna fizika koja prirodno onemogućava kolaps oblaka u zvijezdu. Zapravo, pretpostavlja se da je najveći dio prvih proto-galaksija8 bio sačinjen od tamne tvari (nepoznatog tipa elementarne čestice9). Tamnoj tvari pripisuju se svojstva potrebna da se postigne željeni rezultat. Ona ne odašilje zračenje, što znači da ju nije moguće vidjeti normalnim elektromagnetskim metodama detekcije; ona ne gubi energiju jer nema interakciju sa česticama normalne tvari. Ona je ‘bog’ koji gravitira, stvara snažne gravitacijske sile, dovoljno snažne da nadvladaju otpor tlaka vrućih plinova unutar oblaka, uzrokujući da normalna tvar, vodik, kolabira u zvijezdu. Ovo je jednostavno pričanje priča u svom najboljem izdanju.

Dalje se tvrdi da danas opažamo zvijezde u nastajanju tamo gdje vanjske sile, poput udarnih valova obližnjih supernova nisu prisutne. Najveći broj formiranja zvijezda navodno se odvija u ‘valovima gustoće’ krakova spiralnih galaksija, koji su gravitacijski efekt proizašao iz interakcije mnoštva zvijezda, plina, i prašine koji orbitiraju unutar potencijala galaktičkog gravitacijskog polja. Vidi sliku 6.

Razmotajmo ovo. Prije svega, čak i kada bi bilo točno da postojeća tvar unutar krakova spiralnih galaksija osigurava potreban potencijal gravitacijskog polja koji čini da oblaci plina kolabiraju u zvijezde, to ne rješava problem prvih zvijezda. Drugo, argument koji se ovdje koristi – ‘valovi gustoće’ – je teorija koja ima zadatak poduprijeti razvoj strukture spiralnih krakova što ima iste probleme kao i većina astrofizike – potreba za tamnom tvari. Zbog anomalije krivulja rotacije zvijezda u predjelu diska pretpostavlja se da tamna tvar postoji u aureoli koja okružuje galaksiju, te se nalazi svugdje osim u njenom središtu, gdje bi ju najviše očekivali. Ali ona tamo nije potrebna. Sjetite se, ona nije opažena, samo se poziva na njeno postojanje kako bi se riješili problemi gibanja zvijezda.

Teorija ‘valova gustoće’ također se koristi kako bi se podržala ideja o tome da 10 milijardi godina stara galaksija može imati svega jedan ili dva kruga (namota) u svojoj spiralnoj strukturi, kada bi nakon 200 milijuna godina morala imati 50 namota. Astronomi ponekad to nazivaju ‘wind-up problemom’ krakova spirala. Problem se javlja jer se unutarnji dijelovi diska tih galaksija rotiraju brže od vanjskih dijelova. Galaksije nisu kruta tijela, pa kako se rotiraju, trebale bi se naviti do te mjere da bi njihova spiralna struktura bila uništena nakon više od 10 milijardi godina njihova navodnog životnog vijeka. Ta opservacijska činjenica je nešto što su biblijski kreacionisti dugo koristili kao dokaz koji podržava mladi svemir. Galaksije su, zapravo, stvorene gotovo onakve kakvima ih opažamo, pa ne postoji ‘wind-up problem.’

Bodes-galaxy
Slika 6. Bode-ova galaksija pokazuje snažne emisije iz oblaka vodika (obojeno rozom bojom). Za ta područja unutar krakova spirala se tvrdi da su to mjesta formiranja novih zvijezda.

Sve je to dio pripovijedanja. Da li su oblaci, uslijed kolapsa u zvijezde, zaista opaženi u tim galaksijama? Ne! Jake emisije astronomima znače aktivne mlade zvijezde, pa u skladu s time oni izvještavaju o područjima formiranja zvijezda. Bilo koji kreacionistički model temeljen na bibliji također mora objasniti prve zvijezde kao i zvijezde koje nastaju u galaksijama, no iz razloga što iskaz iz Postanka kaže da je Bog zvijezde stvorio četvrtog dana stvaranja, mi znamo da ih je Bog tog dana stvorio nadnaravno. A stoga što i dalje postoji problem Jeans-onove granice nije vjerojatno da bi mnogo zvijezda nastalo nakon 4. dana tjedna stvaranja.

Zaključak

Potrebno je izmisliti nepoznato – tamnu tvar – sa odgovarajućim svojstvima – neznanog ‘boga praznina’ – kako bi se zvijezde formirale prirodno. Bez toga, to jednostavno nije moguće!

Ali, zašto izmisliti tu nepoznatu stvar? Razna su područja u astrofizici i kozmologiji gdje se poziva na tamnu tvar radi rješavanja nekog problema. No, još važnije od toga, zašto izmisliti ‘boga’ kako bi se zaobišli ustanovljeni zakoni fizike i objasnilo formiranje zvijezda? Da li je razlog taj što bi, ako to ne učine, astronomi morali priznati da materijalizam nije dovoljan, te da je svemir više od vodika, helija, nešto težih elemenata, magnetnih polja, zračenja i zakona fizike?

Preporučene bilješke

  1. Chown, M., Forget dark matter—embrace my MOND theory instead, New Scientist 222(2967):26–27, 3 May 2014. Natrag na tekst.
  2. Ghosh, P., Universe evolution recreated in lab, bbc.com, 7 May 2014. Natrag na tekst.
  3. The physics of the universe, physicsoftheuniverse.com, accessed 2 July 2015. Natrag na tekst.
  4. Njih se naziva zvijezdama III populacije, zvijezdama siromašnim metalima (gdje metal znači bilo koji element atomskog broja većeg od helija). Njihovo ne uočavanje već je dogo velik problem velikog praska. Prve zvijezde populacije III trebale su se formirati pri crvenim pomacima z = 10-30. Za James Webb svemirski teleskop, koji je trebao biti lansiran 2018. se nada da će biti u mogućnosti detektirati neke od prvih galaksija, no sumnja se da će moći otkriti prve zvijezde, zvijezde populacije III. U stvarnosti, sve zvijezde ikada opažene, čak i u ultra-dubokom polju Hubble-a, nisu zvijezde populacije III. Natrag na tekst.
  5. Jeans instability, wikipedia.org, accessed 2 July 2015. Natrag na tekst.
  6. Tokamak, wikipedia.org, accessed 01 July 2015. Natrag na tekst.
  7. Larson, R.B., and Bromm, V., The First Stars in the Universe, Special Edition, “The Secret Life of Stars”, Scientific American 14(4):7-9, 2004. Natrag na tekst.
  8. Ref. 7, p. 8. Natrag na tekst.
  9. Hartnett, J.G., Dark Matter and the Standard Model of particle physics—a search in the ‘Dark’, September 2014; creation.com/dark-search. Natrag na tekst.