Astronomi već desetljećima istražuju najudaljenije dijelove kozmosa, ali svako promatranje, bez obzira na snagu teleskopa, ima svoju granicu. Ta granica ne proizlazi iz tehnologije nego iz fizike prostorvremena. Naziva se kozmički horizont i određuje koliko daleko možemo vidjeti u prostoru i u vremenu. Razumijevanje toga horizonta temelj je suvremene kozmologije jer pokazuje ne samo što smo sposobni opažati nego i što je u načelu izvan našeg dosega.
Vidljivi svemir i starost kozmosa
Svemir je prema suvremenim mjerenjima star oko 13,8 milijardi godina. Svjetlost putuje ograničenom brzinom pa možemo vidjeti samo objekte čiji je signal imao vremena stići do nas od početnog širenja do danas. Taj dio prostora nazivamo vidljivim svemirom. Intuitivno bi se moglo pretpostaviti da njegov radijus iznosi 13,8 milijardi svjetlosnih godina, no zbog širenja prostora udaljenosti nisu tako jednostavne. Dok je svjetlost dopirala prema nama, sam se prostor rastezao. Zbog toga su najudaljenije galaksije koje danas možemo vidjeti zapravo na comoving udaljenosti od oko 46,5 milijardi svjetlosnih godina, što daje promjer vidljivog svemira od približno 93 milijarde svjetlosnih godina.
Ta brojka često zbunjuje jer se na prvi pogled čini da proturječi relativnosti. Međutim, ne krši se nijedan fizikalni zakon. Ne gibaju se galaksije kroz prostor nadsvjetlosnom brzinom, nego se širi prostor između nas i njih.
Horizont čestica i granica opažanja
Kozmički horizont u najosnovnijem smislu nazivamo horizontom čestica. On označava najveću udaljenost s koje je bilo kakav signal mogao stići do nas od Velikog praska. Sve što se nalazi izvan tog horizonta postoji, ali je izvan našeg pogleda jer nam njegovi fotoni jednostavno nisu imali dovoljno vremena doputovati.
Horizont čestica određuje najdalje slojeve kozmosa koje možemo promatrati. Kako vrijeme prolazi, on raste jer do nas postupno stiže svjetlost iz sve udaljenijih područja. Vidljivi svemir, u tom smislu, nije konačna struktura. On se širi kako vrijeme prolazi, iako se to ne odnosi na ukupan prostor nego na našu mogućnost opažanja.
Kozmičko pozadinsko zračenje kao najstariji mogući signal
Iako se možemo osvrnuti duboko u prošlost, ne možemo vidjeti najranije trenutke Svemira. Prvih nekoliko stotina tisuća godina prostor je bio ispunjen vrućom plazmom elektrona i protona koji su neprestano raspršivali fotone. Svemir je u tom razdoblju bio neproziran. Tek kada se temperatura dovoljno snizila, elektroni i protoni spojili su se u atome vodika, a prostor je postao proziran za svjetlost. Taj trenutak naziva se rekombinacija.
Najstariji signal koji možemo izravno promatrati potječe upravo iz tog razdoblja, kada je svemir bio star oko 380 tisuća godina. Danas ga vidimo kao kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje. Od tada do nas dopire svjetlost koja je tijekom milijardi godina istegnuta u mikrovalni dio spektra zbog širenja prostora. To zračenje predstavlja najudaljeniji optički sloj koji možemo promatrati i prirodnu granicu iza koje ne postoji nikakav svjetlosni trag.
Za još ranija razdoblja moramo se oslanjati na teorijske modele i neizravne tragove, primjerice moguće gravitacijske valove iz inflacijskog razdoblja. No ti valovi još nisu opaženi.
Što je horizont događaja i zašto se povezuje s budućnošću
U kozmologiji se osim horizonta čestica definira i horizont događaja. To je granica koja određuje koje regije svemira nikada nećemo moći vidjeti u budućnosti, bez obzira koliko vremena prošlo. Razlog je ubrzano širenje prostora koje pogoni tamna energija. Zbog tog širenja udaljene se galaksije nalaze u regijama iz kojih svjetlost, poslana danas, više ne može nadvladati ekspanziju i neće dospjeti do našega položaja.
Horizont događaja u ΛCDM modelu manji je od horizonta čestica. To znači da je dio galaksija koje danas vidimo privremeno dostupan. Kako vrijeme bude prolazilo, njihova će se svjetlost sve više istezati u dulje valne duljine i postupno nestati iz našeg opažajnog dosega. Galaksije ne nestaju. Jednostavno prelaze u područje u kojemu širenje prostorvremena onemogućuje dolazak fotona do nas.
Kako se horizont mijenja tijekom vremena
Kozmički horizont nije čvrsta granica. On se mijenja kako vrijeme prolazi i kako se prostor širi. Vidljivi svemir postupno raste jer do nas stiže svjetlost iz sve udaljenijih regija, čiji su fotoni bili na putu milijardama godina. Naša mogućnost opažanja tako se širi prema van. Istodobno postoji druga granica, horizont događaja, koji određuje dokle će svjetlost iz današnjih događaja moći doprijeti u budućnosti. Zbog ubrzanog širenja svemira regije izvan tog horizonta s vremenom postaju opažajno nedostupne. To znači da je dio galaksija koje danas vidimo privremeno vidljiv i da će u vrlo dalekoj budućnosti nestati iz dosega bilo kakvog signala.
Ova situacija daje suvremenoj kozmologiji poseban položaj. Još uvijek možemo promatrati udaljene galaksije i toplo pozadinsko zračenje, što omogućuje rekonstrukciju ranih faza razvoja svemira. U razdobljima daleko ispred našega vremena većina tih informacija više neće biti dostupna jer će fotoni iz udaljenih struktura postati previše razvučeni i preslabi za opažanje.
Što se nalazi izvan našeg horizonta ostaje otvoreno pitanje. Sve što možemo mjeriti pripada vidljivom svemiru. Prostor može biti konačan ili beskonačan, a regije izvan našeg dosega mogu imati jednaku statističku raspodjelu tvari kao naš dio ili neka drugačija svojstva. Ne postoji fizički signal koji može premostiti granicu horizonta čestica, pa ta područja ostaju izvan domene izravnog opažanja.
Zato kozmički horizont ne označava rub svemira nego rub naše spoznaje. Ukazuje na to da se granica opažanja ne podudara s granicom postojanja. Prostor se može protezati mnogo dalje, ali dio toga prostora trajno je izvan dohvata bilo kakvog mjerenja.
Zašto je kozmički horizont ključan u razumijevanju kozmosa
U kozmologiji se često govori o najudaljenijim galaksijama, najranijim epohama i granicama do kojih seže današnja tehnologija. No stvarna granica nije tehnološka nego fizikalna. Kozmički horizont određuje područje u kojem možemo provjeravati teorije, uspoređivati modele i graditi koherentnu sliku kozmosa. Teorije koje govore o regijama izvan horizonta ne mogu se testirati opažanjem i zato ostaju u domenu spekulativne fizike.
Pravilno razumijevanje horizonta omogućuje pravilno razumijevanje kozmologije u cjelini. Pomaže u tumačenju podataka o širenju svemira, evoluciji galaksija i raspodjeli tvari. Također naglašava činjenicu da naš položaj nije poseban, ali je naš trenutak u kozmičkoj povijesti poseban u jednom smislu. Živimo u razdoblju kada informacije iz ranog svemira još postoje u obliku toplinskog zračenja i udaljenih galaksija. Upravo zbog toga možemo rekonstruirati povijest koja bi u drugim epohama bila izgubljena.
Tako da možemo reći da kozmički horizont nije granica svemira nego granica opažanja. Proizlazi iz starosti kozmosa, ograničene brzine svjetlosti i širenja prostora. Unutar njega možemo proučavati galaksije, pozadinsko zračenje i strukture koje su nastale tijekom milijardi godina. Izvan njega nalazi se prostor čije postojanje možemo pretpostaviti, ali ne i izravno istražiti. Ta razlika određuje sve što znamo o svemiru i sve što će znati buduće generacije.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
