RAKIJA I TAMNA MATERIJA

Galaksija M33 iz Trougla, negde pogrešno nazvana i "Pinewheel" (vrteška) što se zapravo odnosi na M101, je jedan od ključnih objekata za procenu kvaliteta neba po Bortle skali. Tamo je M33 klasifikovana kao objekat koji možete videti direktno ili perifernim vidom, lako ili jedva. U tom slučaju imate nebo tipa Bortle 1-4; ukoliko je ne vidite onda potražite ostale orijentire na skali 5-9. Ja, naravno, nikad nisam M33 uspeo ni da naslutim na nebu Končareva, mesta gde najčešće parkiram teleskop. Na Letenci sam, koliko se sećam, uspeo da je vidim golim okom ali se ne sećam da li je to bilo direktno ili periferno. Što se tiče astrofotografije, isto važi: bolje nebo - bolja fotka.

Radi se o jednom od najdaljih, ako ne i najdaljem objektu koji je moguće videti golim okom. Smatra se da je udaljena oko 2.7 miliona svetlosnih godina (M31 iz Andromede je oko 2.5 miliona). Još uvek traju polemike oko toga ali za sada izgleda da je ova galaksija na orbiti obilaska oko veće M31, i da njih dve i naša Galaksija prilazimo istoj tački u prostoru. Šta će biti - to svi znamo, prelepa eliptična galaksija kao rezultat sudara. 

A kataklizma? Ništa od toga. Galaktički kraci prođu jedan kroz drugi, bez ikakvih zvezdanih sudara, praktično kao kad se dva oblaka na nebu utope u jedan.

Zvanično prvi koji je ovu galaksiju otkrio i katalogizovao je bio Charles Messier, otuda i oznaka M33. W. Herschell je takođe galaksiju svrstao u svoj katalog, mada nije voleo da prepisuje od Francuza. Ostavio nam je oznaku NGC604 koja se odnosi na najveći HII region, odnosno oblak jonizovanog gasa kroz koji plovi jato mladih plavih masivnih zvezda koje svojim sjajem u suštini najviše i doprinose jonizaciji. Priča se da je Herschell ostavio opis još nekih takvih, premda dosta manjih regiona (vidljivih na sledećem snimku) ali bez davanja kataloških oznaka.

Na ovom isečku se vide tri objekta iz NGC kataloga koji predstavljaju magline unutar galaksije M33. Sve tri magline su emisione magline, odnosno oblasti jonizovanog vodonika u kojima se upravo rađaju nove zvezde. Centralna maglina (NGC592) se čak nalazi unutar jedne od spiralnih grana i u njoj je uočen manji broj izuzetno masivnih zvezda, među kojima četiri spadaju u Wolf-Rayet zvezde (mlade vrlo masivne zvezde čija je površinska temperatura od 20 do 200 hiljada Kelvina). Sasvim je jasno da, sa tolikom emitovanom energijom, ove zvezde (kako se danas smatra) ne mogu dugo da traju i u najvećem procentu čine osnovu za nastanak Ib i Ic supernova.

Levo se nalazi NGC588, plavičasta difuzna nebula a desno NGC595, crvenkasti emisioni HII region. Sve tri ove strukture je otkrio isti čovek, Heinrich Louis d'Arrest. Ova otkrića su nastala pre upotrebe fotografije u astronomiji, dakle vizuelno, što nikako nije mala stvar. Primera radi, za centralnu maglinu (NGC592) koja je i najsjajnija, navodi se ukupna magnituda 13mag. Za moj šestoinčni njutn i nebo koje je prilično loše - mrka kapa da ovo ikada vidim... Ja vrlo često i M33 mogu u teleskopu samo da registrujem po veoma slabo izraženom jezgru, ni u kom slučaju uporedivom sa oštro ocrtanim i sjajnim centrom Andromedine galaksije recimo.

Dakle, Heinrich je sedeo maloj opservatorijskoj stolici kao student dok se odvijalo traganje za Neptunom i dao jednu vrlo logičnu sugestiju: dajte da pogledamo crteže tog dela neba od pre nekog vremena koji nam je Le Verrier označio, i da to uporedimo sa trenutnim stanjem, odnosno pogledom kroz teleskop. Ako planeta postoji onda će se videti njen pomak. Rezultat: Galle je te iste noći, nakon svega sat vremena posmatranja i upoređivanja, tačno u ponoć otkrio Neptun. Tako je počela i astronomska karijera mladog Heinrich-a, koji će kasnije otkriti mnogo toga, uključujući i ove tri magline.

Da se vratimo na gorepomenutu NGC604, odnosno najsjajniju mrlju na periferiji M33, magnitude 14. Bez obzira na mali ukupan sjaj, mala je i površina pa vizuelci ističu da je ova maglina zapravo najistaknutija vidljiva struktura u, inače, bledoj i neupadljivoj galaksiji. Ja nisam probao vizuelno, premda ne sumnjam da bih je detektovao - a za detalje je potreban veliki dobson.

Ili astrofotografija.

Ovo je desetostruko uvećan isečak kombinacije 750mm žižne daljine i 18mpx krop senzora. Svaki piksel zauzima nešto malo preko jedne ugaone sekunde na nebu (tačnije 1.18 arcsec). Tačno se vide različite zone kondenzacije, a da li mogu da se vide i pojedinačne zvezde?

Unutar ove emisione magline se nalazi veliki broj Wolf-Rayet zvezda i nekoliko crvenih supergiganata. Na osnovu merenja sa HST, konkretno pomoću NICMOS F110W i F160W došlo se do rezultata da većina zvezda ove strukture ima magnitudu 18.5mag-21.5mag (F110W) i 17.5mag-21mag (F160W). O ovim filterima ne znam ništa, kao ni o korišćenoj NICMOS kameri, osim da je nivo šuma negde oko jednog fotona po pikselu na svakih 450sec eksponiranja. Impresivno ako mene pitate, naročito ako se zna da je nivo zodijačke svetlosti na ovoj kameri u proseku jedan elektron po pikselu u sekundi. Mene je interesovalo kako ove filtere da prebacim u V band, odnosno u vizuelne, posmatračke magnitude, ali sam u toj potrazi ostao kratkih rukava.

Uostalom, ako nekog interesuju dalje pojedinosti evo korisnog štiva. Mada, kad bolje razmislim, prebacivanje merenja iz bliskog infracrvenog u vizelni opseg nema mnogo smisla. Tamnocrveni objekti su najbolji dokaz toga, tu se njihove magnitude drastično razlikuju, a ja ovde imam jednog potvrđenog crvenog giganta i nekoliko kandidata. Drugim rečima, verovatno je da će magnitude u V bendu, odnosno zeleni kanal na DSLR-u imati još niže magnitude za crvene objekte, a biće malo više za plave objekte (O zvezde i WR zvezde).

Na snimku su označeni položaji najsjajnijih WR zvezda (plavo) i crvenih supergiganata (crveno) na osnovu snimaka sa HST teleskopa. Moj snimak je dodatno uvećan, odnosno 20x od originalne rezolucije da bismo nešto uočili ako postoji, ali ništa nije bilo moguće videti. Realno ovde značajan limit može biti i nestabilnost atmosfere, ne samo apertura tj magnituda.

Ok, zvezde u NGC604 ne mogu da razlučim, a da li nešto drugo mogu? Mogu pojedinačna zvezdana jata, koja su u literaturi već označena kao otvorena jata A, B, C i D.

I generalno je jako teško detektovati zvezde nekom uobičajenom amaterskom opremom u drugoj galaksiji. Mada...

Ovo je snimak u zelenom kanalu gde se vidi B342 (ili B324, negde je neko pogrešio očigledno) koja je najsjajnija zvezda u galaksiji M33. Ovde ne računamo kojekakve kosmičke kataklizme i druge kratkotrajne objekte (recimo kao LBV); ovde je reč striktno o supergigantu A klase. Sjaj je 15.2mag u V bendu, otuda i zeleni kanal na snimku, pošto se oni najvećim delom podudaraju. Polemika oko toga da li je ovo zvezda naše Galaksije u superpoziciji sa M33 ili je zaista najsjajnija zvezda tamošnje galaksije je trajala jedno stotinak godina, i okončana je rezultatima iz 1990. godine gde je definitivno zvezda postavljena na svoje (pravo) mesto. Ko ima dobsona aperture burenceta za rakiju može i da proba da pomoću svega navedenog nađe zvezdu, ko nema ostaju mu samo rakija i astrofotografija - kombinacija koja ne može da omane.

Inače M33 je najmanja spiralna galaksija naše Lokalne grupe. Pripada tipu spiralnih bez prečke, odnosno relativno slabo razvijene spiralne grane nastupaju odmah iz nukleusa. Centar je takođe slabo izražen, galaksija nema ispupčenje već je ravna kao palačinka; zapravo centralni deo galaksije je jedno veliko HII područje sa izvorom X-zračenja gde je masa pretpostavljena na 3000 solarnih. Ovo implicira da se ne radi o supermasivnoj crnoj rupi uobičajenoj za galaktičke centre, budući da je njihova masa milione ili milijarde puta veća od Sunčeve. Prema svecu i tropar, dakle, radi se o minijaturnoj crnoj rupi u bledoj i anemičnoj galaksijici. Masa cele M33 je takva da vidljiva materija čini oko 10¹⁰ solarnih masa, uz još pet puta veću masu koja se deklariše kao tamna materija.

Tamna materija, šta je to?
To je Kajzer Soze nauke kraja XX i početka XIX veka. Nešto kao eter u XIX veku - svi ga traže ali niko ga ne nalazi.

Ako ćemo iskreno, za eter nije postojao nijedan dokaz da on postoji, osim što je postojao kao hipoteza u ljudskim glavama. Za tamnu materiju ipak imamo neuporedivo više indikacija da ona postoji, odnosno mnogo situacija možemo objasniti jednom jedinom hipotezom o tamnoj materiji. Ako zanemarimo tu pretpostavku i odbacimo tamnu materiju onda moramo da uvedemo bar još nekoliko drugih hipoteza da bismo objasnili svaku opaženu čudnovatost, što u suštini možda makar malo daje na značaju pretpostavci o tamnoj materiji.

Spisak čudnovatosti koje se najbolje opisuju tamnom materijom:

1) Distorzija galaktičke distribucije. Kad pogledamo mapu svemira do najudaljenijih poznatih galaksija, odnosno kad pogledamo njihove izmerene radijalne brzine, videćemo da najveća galaktička superjata privlače okolne galaksije, kao i da se superjata u suštini sporije šire nego praznine. Ovo je vrlo malo izraženo i teško za merenje, ali je to ipak teoretski predvideo polovinom osamdesetih Nik Keiser (Kajzer Soze?), dosta pre nego što je izmereno i statistički obrađeno.

2) Galaktičko jato Metak (Bulett cluster). Sudar dva galaktička jata, kako pokazuju radijalne brzine, ima svoj centar koji je značajno izmešten van centra materije koja se vidi u optičkom delu spektra.

3) Pozadinsko kosmičko mikrotalasno zračenje.  Šum je vrlo anizotropan ali ukoliko se merenje izvrši veoma precizno (što je postalo moguće tek nedavno) dobijamo seriju pikova od kojih se prvi odnosi na barionsku materiju a treći na tamnu materiju.

4) Gravitaciona sočiva. Lansiranjem HST dobili smo mogućnost da otkrijemo mnoge slike iskrivljenih galaksija koje se nalaze iza masivnih galaktičkih jata. Takva iskrivljenja su mogla biti objašnjenja samo enormnom gravitacijom, odnosno enormnom masom. Ono što je tu ukazivalo na tamnu materiju je činjenica da mi možemo na osnovu vidljivog spektra da damo procenu mase nekog galaktičkog jata, a sve te procene mase su nedovoljne za efekat sočiva. Drugim rečima, ova jata su prepuna tamne materije, jer da nisu - ne bi ni bilo gravitacionih sočiva.

5) Procena mase galaktičkih jata. Slično kao i prethodno, galaktička jata se mogu staviti na kantar i izmeriti pomoću radijalnih brzina članica, kao i pomoću spektra X-zračenja koje onda može da ukaže na temperaturu i pritisak na mestu nastanka. I ponovo, galaktička jata ispadaju otprilike pet puta lakša merena ovim metodama koje uključuju barionsku materiju. Drugim rečima, 4/5 izgleda da je tamna materija.

6) Disperzija brzina rotacije zvezda u eliptičnim galaksijama. Ovo može veoma lepo da se teorijski simulira, misli se na brzinu rotacije pojedinih zvezda u eliptičnim galaksijama, mada je činjenica da tu ima više haotičnosti u rotaciji nego kod spiralnih sistema. Međutim, osim par izolovanih slučajeva, nijedna eliptična galaksija ne pokazuje izmerene rezultate koji se poklapaju sa teorijskim modelima. Drugim rečima, postoji velika dodatna masa koja vrši uticaj.

7) Rotacija spiralnih galaksija. Suprotno uvreženom mišljenju da galaktički spiralni kraci rotiraju kao vrtlog vode u kadi ili lavabou, ovo nije slučaj. Merenja ugaone brzine pojedinačnih zvezda iz tih krakova su pokazala da je brzina bliže centru galaksije i na periferiji kraka relativno slična, odnosno da spiralne galaksije rotiraju maltene kao čvrsta tela. Kao točak, preciznije. Naravno da ovo nije doslovno slučaj, razlika u brzinama postoji ali je mnogo manja nego što smo očekivali na osnovu Keplerovih zakona. Jedino moguće logično objašnjenje je da postoji velika masa koja je locirana na periferiji svih spiralnih galaksija, kao neki gigantski nevidljivi  prsten u halou, tako da je vidljivi deo neke galaksije zapravo jedan mali deo njene mase. Na taj način bi spiralni krakovi rotirali unifomrnije jer nije centar mase u centru galaksije, već je centar mase mnogo šire distribuiran, maltene na celu vidljivu spiralnu galaksiju.

Kako bismo definisali nešto o tamnoj materiji (i njenoj sestri hipotetskoj tamnoj energiji) moramo da u najužim crtama razjasnimo strukturu materije i energije, po današnjim shvatanjima.

Priča je sledeća. Od polovine prošlog veka postoji predstava u fizici da se sve na ovom i okolnim svetovima sastoji od molekula, oni od atoma, a oni od protona, elektrona i neutrona. Toliko o materiji, a o energiji se zna da je nosilac foton.

Vremenom je otkriveno mnogo toga u ovoj oblasti, tako da se osnovne čestice materije dalje rastavljaju na kvarkove a energije na leptone. Pritom su neutron i proton sastavljeni iz po tri kvarka između kojih jaku silu (kohezioni faktor atomskog jezgra) prenose gluoni, slično kao što po svemiru elektromagnetnu silu prenose fotoni. Proton i neutron su osnova tzv barionske materije, odnosno prilično je tačno reći da praktično sve što možemo videti u svakodnevnom životu predstavlja barionsku materiju. S druge stane elektroni su leptoni i ne spadaju u barione; na njih ne deluje jaka sila a i ne mogu se dalje deliti; međutim, elektroni i dalje spadaju u ovu našu, klasičnu materiju.

Međutim, gorepomenuta tamna materija bi trebala sama po sebi takođe da bude nebarionska. To onda znači da će ona biti veoma inertna, da će posledično biti vrlo teška za detekciju i verovatno sveprisutna. Ali je ipak i činjenica da tamna materija učestvuje u nečemu - u gravitaciji. Dakle, ne radi ništa, nema interakcije, samo pravi brojno stanje. Kao apstinenti na izborima.

Tipična analogija tamne materije su neutrini: milioni njih svake sekunde prolaze kroz ljudsko telo praktično bez ikakve reakcije (neko bi rekao - eto, neutrini su ta tamna materija i kraj... Ali po današnjem shvatanju neutrino nema nikakvu masu, samim tim ni gravitaciju). Moguće je da imamo takvu situaciju sa tamnom materijom, da ona prolazi kroz sve objekte u Galaksiji i da ih sveprisutno prožima, mada je najmanje isto toliko moguće da imamo tamnu materiju prvenstveno u halou naše Galaksije, a možda i između svih galaksija kao intergalaktički medijum. A možda čak i rezervoari tamne materije leže u centru svake zvezde, samo mi to ne možemo da detektujemo? I tako dalje, da ne nabrajam... Ovo su, između ostalog, zvanične hipoteze o ponašanju tamne materije a ne neka moja razmišljanja na tu temu. Dakle, prilično više toga se ne zna nego što se zna, odnosno pretpostavlja a za šta imamo nekakve indicije da bi to moglo da bude tako.

Da se vratimo na (barionsku) materiju. Barioni su čestice koje su sastavljene iz kvarkova, obično su malo teže (kao što im ime i kaže, barios na grčkom je težak) i učestvuju u jakoj sili. Najpoznatiji barioni su proton i neutron, svaki sastavljen iz tri kvarka; mada postoje i teži barioni, sastavljeni iz pet kvarkova - a i oni lakši. Lista broji stotinak što otkrivenih što predviđenih čestica, za sad. I čovek bi se s pravom možda zapitao čemu tolika šematičnost, kako znamo da ovaj ima tri a ovaj pet kvarkova, da li nije moguće da nešto ima 4.75 kvarkova i slično, odnosno da li kvarkovi nisu nekakva iluzija? Da li su svi kvarkovi iste veličine, ima li tu nekakvih odstupanja itd. Paralela između strukture Sunčevog sistema i orbitala kod atoma je više nego očigledna; iako ne postoje dve planete iste mase ili dva meseca istog prečnika. Nijedan astronom nije se drznuo da planete klasifikuje na tri ili pet kvarkova, ili da sve imaju 1836 puta manju masu od zvezde i slično. Drugim rečima, u astronomiji je sve precizno izmereno i prilično haotično u pogledu statističke distribucije npr mase, a zašto to nije slučaj u kvantnoj fizici? Zašto su tamo sve čestice kao klonirane?

Poenta je u načinu kako nauka funkcioniše na samim rubovima saznanja, odnosno na granici zemlje i magle. Postoji priča kako se mladi pilot obučava u instrumentalnom letenju (letenje bez vizuelnih orijentira, dakle noću, kroz oblak, iznad mora i slično). Na glavu mu se stavi kačket koji ga sprečava da vidi kroz vetrobran i polaznik mora sve vreme let da provede zadubljen u instrumente. Naravno da on tu ima sve što mu je potrebno; veštački horizont za nagib po osama, variometar i kompas su zapravo najpotrebniji, a brzinomer i štoperica mu daju mogućnost da računa pređeni put.

Pilotu je rečeno da treba bezrezervno da veruje instrumentima, a ne svojim čulima. Šta god da se desi njegova glava zavisi od poštovanja onog što vidi na tim indikatorima, a nikako svojoj intuiciji, čulima ravnoteže i prostorne orijentacije. Objašnjenje: čovek je izuzetno podložan iluzijama kad nema jasne vizuelne orijentire - isto tako i kad su ove kvantne čestice u pitanju. Šema sa kvarkovima je zapravo vrlo precizno opisana magla kroz koju letimo i da bi eksperimentalni rezultati i predložene jednačine mogli da se usklade potreban je ovakav nekakav model. "Veruj instrumentima!" važi i u naučnoj laboratoriji; prošlo je vreme naučnika koji su svoje saznanje vezivali za intuiciju umesto za izmerene činjenice. Drugim rečima, mi smo sve ovo uprostili da bi kvantna fizika mogla da funkcioniše u glavama ljudi s početka XXI veka. Sasvim je sigurno da će se sutra ova skala strukture materije menjati i da će se mnoge stvari, zapravo velika većina, dopunjavati i izbacivati. Nama je bitno da mi danas letimo po instrumentima i da tako prelazimo deo puta koji ne moraju sutradan da prelaze buduće generacije, pošto smo to mi već danas umesto njih uradili.

Eto, zato tamna materija uopšte postoji, zato što tako stoji na našim instrumentima.