Astronomi više ne bulje u nebo. Zrake koje putuju milijardama godina ipak opaze. Podatke ponekad oboje lažnim bojama.

Ako crna rupa po definiciji ne zrači, kako je opažena crna rupa za čije su otkriće Reinhard Genzel i Andrea Ghez, zajedno s Rogerom Penroseom, dobili ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku. Dario Hrupec, iz vlastitog iskustva u svjetskim opservatorijima objašnjava kako rade suvremeni astronomi i zašto rade to što rade

• Za fascinantne slike maglice Konjska glava potrebno je prikupljati svjetlost dulje vrijeme, rekonstruirati sliku u lažnim bojama

O novim spoznajama u astronomiji piše se puno, ali obično na način koji je samo informativan. Primjerice, znanstvenik A sa sveučilišta B otkrio je objekt C teleskopom D. Suhoparnost se malo začini nekim rekordom i nekom spekulacijom, ali rijetko se govori kako je opažanje provedeno. Zato prosječan čitatelj ima krivu sliku što astronomi ustvari rade i zašto to uopće rade.

• Od gledanja do opažanja

U svakodnevnom su govoru gledanje, promatranje i opažanje više-manje sinonimi. Doduše, postoji fina gradacija u smislu svjesnosti. Gledati možemo, a da ne vidimo. Recimo gledamo u daljinu i o nečem razmišljamo pa nam do svijesti ne dopire ono što vidimo. Promatramo, primjerice, nekoga ili nešto iz znatiželje. Tu je već svijest uključena, no ne postoji nužno i neka svjesna svrha. Konačno, kad opažamo, uočavamo neke detalje koji nam nešto znače. Mogli bismo reći da je promatranje  pasivno gledanje, a opažanje aktivno gledanje.

Za razliku od svakodnevnog govora, u kojem su sinonimi poželjni jer pridonose bogatstvu jezika, u strukovnom nazivlju sinonimi su skroz nepoželjni. Jezik struke preferira jedan na jedan: jedan naziv za jedan pojam. A taj odabrani naziv mora biti vrlo precizno definiran. Njegovo značenje ne mora se u potpunosti poklapati sa značenjem iste riječi koja se koristi u općem jeziku.

Astronomi mogu zamišljeno gledati u nebo, mogu zaneseno promatrati zalazak Sunca, ali kad rade svoj posao oni nebeske objekte opažaju. Opažanje (engl. observation) je ključna riječ u astronomiji. Znači aktivno prikupljanje podataka, manje samim našim osjetilima a više produžecima tih osjetila: mjernim instrumentima. Astronomsko opažanje je redovito kvantitativno, uključuje numeričke vrijednosti dobivene mjerenjem.

• Od golog oka do teleskopa u širem smislu

Drevna je astronomija rođena kad je promatranje noćnog neba preraslo u opažanje, odnosno kad je čovjek počeo s namjerom pratiti i bilježiti položaje nebeskih objekata, prije tri do četiri tisuće godina. S vremenom su razvijena razna pomagala, poput astrolaba, za mjerenje položaja objekata na nebu. Astronomija golog oka trajala je sve do otprilike 1600. i kulminirala opažanjima koja je proveo Tycho Brahe, a iskoristio Johannes Kepler, na čijim je pak temeljima kasnije gradio Isaac Newton. Začetnik astronomije u današnjem smislu je Galileo Galilei.

Opservatoriji su mjesto gdje astronomi odbacuju pretpostavke svojih prethodnika. IceCube opservatorij na Južnom polu, kojim upravlja University of Wisconsin-Madison

Galilei nije otkrio teleskop nego je prvi koji je taj instrument ciljano usmjerio u noćno nebo. Idućih tristotinjak godina doba je klasične astronomije čiji je zaštitni znak optički teleskop. S vremenom je taj teleskop postajao sve veći, sve moćniji, sve osjetljiviji, ali je ostao neka vrsta dalekozora, optičkog instrumenta za opažanje dalekih objekata. Tek se sredinom dvadesetog stoljeća počinju rađati nove astronomije: radioastronomija, infracrvena astronomija, ultraljubičasta astronomija, rendgenska astronomija, gama-astronomija pa onda i astronomije koje se ne temelje elektromagnetskom valovima nego na drugim nositeljima informacija: neutrinska astronomija i astronomija gravitacijskih valova. Instrumenti koje te astronomije koriste tek se uvjetno mogu zvati teleskopima. To su teleskopi u širem smislu. Oni su izgubili svaku fizičku sličnost s prototipom teleskopa, Galilejevim dalekozorom, a bitno je proširen i pojam samog opažanja. Slika astronoma koji noć provodi s okom na okularu svojeg teleskopa je kliše koji živi još samo u crtićima. Astronomija je danas nešto sasvim drukčije. 

• Zašto astronomi opažaju?

Prije nego navedem neke primjere kako astronomi danas opažaju, reći ću zašto uopće opažaju. Kao prvo, i astronomi su ljudi pa se među njima može naći cijeli spektar ljudskih motiva za bavljenje svojom strukom, od onih plemenitih do manje plemenitih. Ipak, smatram da većina astronoma dijeli opći cilj prirodnih znanosti – razumjeti svijet. Konkretno, astronomi opažaju da bi potvrdili ili opovrgli neku znanstvenu hipotezu kojom se pokušava objasniti neka prirodna pojava. Mjesto na kojem se ta opažanja (ili opservacije) provode je opservatorij. U Đavoljem rječniku Ambrose Bierce definira opservatorij kao: “mjesto na kojem astronomi odbacuju pretpostavke svojih prethodnika”.

Izvrsno rečeno. U tome je sva bit. Astronomi opažaju zato da bi na temelju tih opažanja mogli odbaciti krive pretpostavke. Tako funkcionira astronomija. Tako funkcioniraju sve prirodne znanosti. I tako proizvode pouzdano znanje, a i neke nusproizvode. Jedan od nusproizvoda je razvoj novih tehnologija. Te se tehnologije doduše mogu zlorabiti, a mogu se i koristiti za dobrobit čovječanstva. Izbor je na nama samima. Drugi nusproizvod je razvoj znanstvene slike svijeta, nasuprot teološke slike svijeta.

Znam da mnogima ova tvrdnja teško pada, ali ne mogu je prešutjeti. Da, astronomske spoznaje podupiru moderni humanizam čije su temeljne pretpostavke sloboda mišljenja i znanstvena istraživanja te racionalnost ljudskoga djelovanja. Bez toga su demokracija i civilizacijski napredak nezamislivi. A kako to astronomija postiže? Tako da nam otvara kozmičku perspektivu. U zadnjem poglavlju knjige Astrofizika za ljude u žurbi Neil de Grasse Tyson to sjajno objašnjava. Između ostalog kaže: “Kozmička perspektiva podsjeća nas da u svemiru, u kojemu nema zraka, zastava ne vijori – i tako nameće zaključak da mahanje zastavama i istraživanje svemira nisu nužno kompatibilni. Kozmička perspektiva ne stavlja nas samo u gensko srodstvo sa svim životom na Zemlji, nego također cijeni naše kemijsko srodstvo sa svakim još neotkrivenim oblikom života u svemiru, baš kao i atomsko srodstvo sa samim svemirom.”

• PRIMJER 1: Kako su astronomi opazili zračenje najviših energija iz provale gama-zraka?

Rušenje uvriježene, ali pogrešne, slike astronoma koji svemir opaža gledanjem kroz okular optičkog teleskopa počet ću na vlastitom primjeru. Kad sam, prije desetak godina, prvi put dobio priliku posjetiti netom dovršeni GranTeCan, najveći optički teleskop u svojoj kategoriji, smješten na kanarskom otoku La Palmi, još sam se naivno nadao da ću moći pogledati svemir uživo, onako kroz okular velikog teleskopa. Naravno da nije bilo ništa od toga. Kompjutor je onaj koji “gleda”, kroz svoje senzore i elektroniku. Mi eventualno možemo sliku uživo pogledati na nekom od računalnih zaslona. Ali to nije previše spektakularno. Za one fascinantne slike maglice Konjska glava ili maglice Rakovica ili dubokog svemira s mnoštvom galaksija potrebno je prikupljati svjetlost dulje vrijeme, rekonstruirati sliku u lažnim bojama i još svašta drugo. Uglavnom, daleko od “ptičica!” i “voilà!”. A to je tek optička astronomija.

Kod drugih astronomija, primjerice kod visokoenergijske gama-astronomije kojom se osobno bavim, još je dulji put od opažanja do konstrukcije nekog ekvivalenta slike. Evo konkretnog primjera: prestižni znanstveni časopis Nature u studenom prošle godine objavio je dva članka vezana uz otkriće gama-zračenja vrlo visokih energija iz izvora nazvanog GRB 190114C.

Izvorna gama-zraka, koja je putovala 4,5 milijarde godina, nestane, a materijaliziraju se čestica i antičestica. MAGIC teleskop (Researchgate)

GRB  (engl. gamma-ray burst), ili provala gama-zračenja, je kratkotrajna i iznimno snažna eksplozija koje se obično događa na ogromnim udaljenostima. Konkretni događaj, GRB 190114C, dogodio se u galaksiji od nas udaljenoj 4,5 milijardi svjetlosnih godina. Drugim riječima, to zračenje je putovalo toliko vremena koliko je otprilike stara Zemlja. U samo nekoliko sekundi oslobodila se veća energija od ukupne energije koju je Sunce emitiralo od svojeg nastanka do danas. Takvi su događaji godinama smatrani najmisterioznijim pojavama u svemiru. Danas smo uvjereni da se radi o eksploziji ogromne zvijezde, zvane hipernova, čiji se vanjski slojevi razlete u okolni svemir, a središnji dio se uruši u crnu rupu. Pri nastanku crne rupe formiraju se i dva nasuprotna mlaza čestica i zračenja koji se od središta eksplozije udaljavaju gotovo brzinom svjetlosti. Tu su nastali i visokoenergijski fotoni koji su, gotovo pet milijardi godina kasnije, detektirani na Zemlji teleskopima MAGIC.

Teleskopi MAGIC su teleskopi posebne vrste smješteni na opservatoriju Roque de los Muchachos na vrhu kanarskog otoka La Palma. Služe za opažanje, recimo to tako, nevidljive svjetlosti iz svemira. Vidljiva svjetlost je ona koju možemo opaziti golim okom. Ultraljubičasto, rendgensko i gama-zračenje su te druge svjetlosti, nevidljive golim okom no vidljive posebnim instrumentima. Priroda im je ista, ali energija nije. Gama-zračenje vrlo visokih energija, koje su teleskopi MAGIC detektirali iz izvora GRB 190114C je otprilike bilijun (milijun milijuna) puta veće energije od energije vidljive svjetlosti.

To gama-zračenje vrlo visokih energija, srećom po život na Zemlji, ne prolazi kroz atmosferu. Pa kako ga onda teleskopi MAGIC, smješteni na površini Zemlje, opažaju? Posredno, zahvaljujući nekim učincima koje u atmosferi izaziva kozmičko gama-zračenje. Priča ide ovako. Kozmičko gama-zračenje vrlo visokih energija koje dođe do Zemlje u gornjim slojevima atmosfere ostvari interakciju s nekom atomskom jezgrom dušika ili kisika. U toj interakciji izvorna gama-zraka, koja je bila putovala 4,5 milijarde godina, nestane, a nastane par čestica-antičestica. Doslovno, čestica i antičestica se materijaliziraju. Većinu energije koju je gama-zraka donijela dobije novostvoreni par. I on ju odnosi dolje u niže slojeve atmosfere. Putem stvara nove parove čestica-antičestica. I to se ponavlja milijune ili čak milijarde puta.

Većina novostvorenih čestica putuju, pazite sad, brže od svjetlosti u zraku. I zato što su brže od svjetlosti u zraku i zato što nose električni naboj putem stvaraju svjetlost posebne vrste koju nazivamo Čerenkovljeva svjetlost. Ona je ultraljubičasta i dijelom vidljiva (plavkasta), ali vrlo slabašna. No, posebno osjetljivi fotosenzori u kamerama teleskopa MAGIC mogu ju opaziti. Da bi prikupili što više Čerenkovljeve svjetlosti nastale u atmosferskom pljusku čestica i antičestica, teleskopi MAGIC imaju velike reflektore, promjera oko 17 metara. Čerenkovljeva svjetlost se reflektira u kameru i tamo formira sliku. Ali ne sliku kozmičkog izvora, nego sliku atmosferskog pljuska iniciranog jednom jedinom kozmičkom gama-zrakom. Ta slika se parametrizira, parametri se uspoređuju s Monte Carlo simulacijama pljuskova te se na temelju te usporedbe određuje energija i smjer upada visokoenergijske gama-zrake. Zatim se postupak ponavlja. Foton po foton prikuplja se opažački skup podataka iz kojeg postepeno nastaje slika izvora. Osim slike izvora tako se dobivaju i drugi podaci o procesu u kojem su nastale gama-zrake vrlo visoke energije pri rođenju jedne daleke crne rupe.

• PRIMJER 2: Kako su astronomi opazili supermasivnu crnu rupu u središtu naše galaksije?

U odnosu na tu daleku crnu rupu, nastalu u procesu GRB 190114C, cijela je naša galaksija blisko susjedstvo. A u tom susjedstvu, praktički u našem kozmičkom dvorištu, u samom središtu galaksije nalazi se jedna supermasivna crna rupa. Za njezino otkriće Nobelovu nagradu za fiziku upravo su dobili Reinhard Genzel i Andrea Ghez. Treći laureat, Roger Penrose nagrađen je “za otkriće da je nastanak crnih rupa predviđen općom teorijom relativnosti”.

Ovogodišnja dobitnica Nobelove nagrade za fiziku (astronomiju), Andrea Ghez, na poslu (Izvor Big Island Now)

To što je ta crna rupa supermasivna, četiri milijuna puta masivnija od Sunca, ne znači i da je jako velika. S obzirom na veličinu galaksije, ona je sićušna. S pozicije Zemlje, njezina je veličina tek 50 kutnih mikrosekundi. To je otprilike kao da jedno zrnce pijeska na Floridi gledamo s Kanarskih otoka, dakle preko cijelog Atlantika, od Afrike do Amerike. Dodatni je problem što je središte galaksije, unutar kojega se ta crna rupa nalazi, zaklonjeno kozmičkom prašinom koja dobrim dijelom blokira vidljivu svjetlost. Dakle, ono zrno pijeska koje gledamo preko cijelog Atlantika još je u gustoj magli.

Kako, dakle, u takvim nemogućim uvjetima opaziti kozmički objekt? Opet posredno. Umjesto izravnog opažanja crne rupe, što je po definiciji neizvedivo jer sama crna rupa ne zrači, mogu se opažati gibanja zvijezda koje su u neposrednoj blizini te crne rupe. Iz parametara gibanja okolnih zvijezda mogu se izračunati karakteristike središnje crne rupe. Ali ni opažanje okolnih zvijezda nije jednostavno, zbog zaklonjenosti galaktičkog središta kozmičkom prašinom.

Međutim, kozmičkoj prašini može se doskočiti. Naime, infracrvena svjetlost lakše prolazi kroz kozmičku prašinu nego vidljiva svjetlost. To je zato što ima veću valnu duljinu pa se na zrncima prašine manje raspršuje. I kao što su teleskopi MAGIC prilagođeni opažanju Čerenkovljeve svjetlosti (osim u vidljivom, osjetljivi su i u ultraljubičastom području) tako postoje teleskopi prilagođeni opažanju kroz kozmičku prašinu (osim u vidljivom, osjetljivi su i u infracrvenom  području). To su teleskopi VLT (engl. Very Large Telescope), smješteni u čileanskoj pustinji Atacama. Njih su koristile istraživačke grupe koje su vodili Reinhard Genzel i Andrea Ghez. Oboje su razvijali detekcijske metode koje su pomicale granice opažanja. A nove granice opažanja ne određuju samo nove granice spoznaje nego i redefiniraju samu astronomiju.