Kakvu to udaljenost zvijezda zapravo mjerimo?

Kakvu to udaljenost zvijezda zapravo mjerimo?

Do sada smo naučili kako mjerimo udaljenost zvijezda. Kad govorimo o udaljenostima takvih nevjerojatnih razmjera, i to u kontekstu svemira koji se neprestano širi, neizbježno se nameće pitanje kakvu to udaljenost astronomi zapravo mjere. Je li to udaljenost između položaja koje smo mi i ta galaksija zauzimali eonima prije, kad je galaksija isijavala svjetlost koju tek sad vidimo? Ili je to udaljenost između naše sadašnje lokacije i mjesta na kojem je galaksija bila eonima prije, kad je emitirala svjetlost koju upravo vidimo? Ili je to možda ipak udaljenost između našeg današnjeg položaja i trenutačne lokacije te galaksije?

U nastavku pročitajte kako popularni fizičar i autor Brian Greene razmišlja o ovom problemu.

On nam govori da zamislimo da želimo izmjeriti pravocrtne udaljenosti između tri grada – New Yorka, Los Angelesa i Austina. Uzimate zemljovid Sjedinjenih Američkih Država i mjerite udaljenosti na papiru. Otkrivate da je New York na 39 centimetara od Los Angelesa, Los Angeles se nalazi 19 centimetara od Austina, a Austin 24 centimetara od New Yorka. Ove centimetre možete pretvoriti u stvarne razdaljine koristeći se legendom na karti koja kaže da je upotrijebljeno mjerilo koje izjednačava 100 kilometara stvarne udaljenosti i 1 centimetar na karti. Na temelju toga možete zaključiti da su tri grada međusobno udaljena 3900,1900 i 2400 kilometara, tim redom.

Sad zamislite da je površina Zemlje ravnomjerno nabubrila, i to tako da su se sve razdaljine udvostručile. To bi svakako bila prilično radikalna transformacija, no čak i u tom slučaju vaš zemljovid Sjedinjenih Država i dalje će biti savršeno vjerodostojan ako uvrstite ovu važnu izmjenu. Morate prilagoditi legendu tako da mjerilo bude 1 centimetar na karti = 200 kilometara u stvarnom prostoru. Ono što je na zemljovidu 39,19 i 24 centimetra sada će u stvarnosti odgovarati razdaljinama od 7800, 3800 i 4800 kilometara rastegnutih diljem Sjedinjenih Država. Kad bi se Zemljino širenje nastavilo, naš statični i nepromjenjivi zemljovid i dalje bi bio točan sve dok redovito usklađujemo njegovu legendu s važećim mjerilom – 1 centimetar = 200 kilometara u podne, 1 centimetar = 300 kilometara u 14 sati, 1 centimetar = 400 kilometara u 16 sati – kako bismo iskazali koliko su se lokacije tih gradova međusobno udaljile širenjem površine.

Zemlja koja se širi predstavlja koristan model jer se slični zaključci mogu primijeniti i na šireći svemir. Galaksije se ne pomiču samostalno, na vlastiti pogon. Prije bi se moglo reći da su poput gradova na površini Zemlje koja se širi, jureći se razmiču zato što bubri supstrat u koji su uronjene – prostor glavom i bradom. To znači da bi karta galaksija koju je neki kozmički kartograf izradio milijardama godina prije i danas bila točna, kao što je bila i onda, u trenutku nastanka. No kao i u slučaju legende zemljovida koji prikazuje Zemlju koja bubri, i legenda kozmičke karte morala bi se neprestano ažurirati kako bi mjerilo – odnos između udaljenosti na karti i stvarnih razdaljina – i dalje bilo precizno. Kozmološko mjerilo naziva se faktor vremenski ovisne veličine svemira i u svemiru koji se širi taj je faktor s vremenom sve veći.

Kad god razmišljate o svemiru koji se širi, zamislite nepromjenjivu kozmičku kartu. Predočite si je kao da je riječ o običnoj zemljopisnoj karti koja leži na stolu, a morate samo povremeno ažurirati njezinu legendu, pratili kozmičko širenje. Uz malo prakse vidjet ćete da taj pristup uvelike pojednostavljuje konceptualne zamke.

Sada zamislite svjetlost eksplozije supernove u dalekoj galaksiji Noa. Uspoređujemo li prividni sjaj supernove s njezinim apsolutnim sjajem, zapravo mjerimo slabljenje intenziteta svjetlosti od isijavanja (slika a) do primanja njezina signala (slika c), i to na temelju njezina širenja na velikoj sferi (prikaz u obliku kruga na slici d) tijekom putovanja. Mjerenjem stupnja slabljenja određujemo veličinu sfere – njezinu površnu – a zatim, uz pomoć prstohvata srednjoškolske geometrije, možemo izračunati i polumjer sfere. Taj polumjer u cijelosti prati putanju svjetlosti, pa je njegova dužina jednaka udaljenosti koju je svjetlost prevalila. No sada se pojavljuje i pitanje zbog kojeg smo i počeli ovu raspravu: kojemu od tri kandidata udaljenosti, ako ijednome, odgovara ovo mjerenje?

Prostor se nije prestao širiti dok je svjetlost brzala na svom putu. Statična kozmička karta zahtijeva samo jedno – redovito ažuriranje faktorom veličine iz legende, tj. vremenski ovisnim mjerilom. No budući da je tek sada do nas stigla svjetlost supernove i budući da je svjetlost tek sada okončala svoje putovanje, moramo upotrijebiti mjerilo koje je upravo sada upisano u legendu karte svemira kako bi se udaljenosti na karti – putanja od supernove do nas, kao što je prikazano na slici d – mogle prevesti na stvarne razdaljine u fizičkom svijetu. Taj postupak jasno govori u prilog tome da je rezultat sadašnja udaljenost između nas i trenutačne lokacije galaksije Noa. Dakle, treća od tri ponuđene mogućnosti.

Također možemo primijetiti da se zbog neprestanog širenja prostora već prijeđena putanja fotona nastavlja rastezati još dugo nakon što foton napusti to područje. Kad bi foton iscrtao liniju na prostoru koja prati njegov prijeđeni put, ta bi se lija širenjem prostora produžila. Uzmemo li faktor vremenski ovisne veličine u trenutku kad je svjetlosti stigla do nas i primijenimo li ga na cijelu njezinu putanju, treći odgovor izravno bi u cijelosti uključio to širenje. To je pravi pristup jer razina do koje intenzitet svjetlosti slabi ovisi o sadašnjoj veličini sfere kojom se svjetlost širi – čak je i polumjer te sfere dužina putanje svjetlosti sada, a uključuje i rastezanje prostora koje se dogodilo u međuvremenu, nakon što je svjetlost već prošla tim područjem.

Kad uspoređujemo apsolutni sjaj supernove s njezinim prividnim sjajem, zapravo određujemo sadašnju udaljenost između nas i galaksije u kojoj se eksplozija dogodila.