Od trenutka Velikog praska svemir nije mirovao. Prostor se širi, galaksije se udaljavaju jedna od druge, zvijezde kruže oko središta svojih galaksija, planeti kruže oko zvijezda, a mjeseci oko planeta. Čak se i naš svakodnevni osjećaj mirovanja raspada čim promatramo širu sliku: dok sjedimo na Zemlji, planet se okreće oko svoje osi, putuje oko Sunca, a cijeli Sunčev sustav kreće se oko središta Mliječne staze.
No, pitanje nije samo što se u svemiru kreće. Pravo pitanje glasi: zašto se gibanje uopće nastavlja?
Odgovor počinje u najranijoj povijesti svemira, ali ne završava ondje. Gibanje proizlazi iz širenja prostora, gravitacije, očuvanja količine gibanja, rotacije i činjenice da u svemiru nema općeg trenja koje bi sve polako zaustavilo.
Svemir se ne ponaša kao stroj koji je netko navio pa ga prepustio da se s vremenom smiri. Gibanje je utkano u njegove početne uvjete i u zakone fizike koji ga i danas oblikuju.
Veliki prasak nije bio eksplozija u praznom prostoru
Često se kaže da je sve počelo Velikim praskom. To je korisna slika, ali lako može zavarati. Veliki prasak nije bio eksplozija materije u već postojeći prazan prostor. Prema suvremenoj kozmologiji, riječ je o ranom, vrlo vrućem i gustom stanju iz kojeg se počeo širiti sam prostor.
Kako je za Live Science objasnio Edward Gomez, astrofizičar i direktor obrazovanja u opservatoriju Las Cumbres, svemir se od početka počeo širiti. U tom smislu, gibanje nije naknadno dodano svemiru. Ono je dio njegove povijesti od najranijih trenutaka.
NASA navodi da je svemir prije otprilike 13,8 milijardi godina prošao kroz vrlo rano razdoblje brzog širenja. Taj početni razvoj svemira odredio je uvjete iz kojih su se poslije oblikovale galaksije, zvijezde, planeti i velike strukture koje danas promatramo.
Širi se prostor na najvećim kozmološkim udaljenostima. Zbog toga udaljene galaksije u prosjeku vidimo kako se udaljavaju od nas, a što su dalje, njihovo je udaljavanje veće. Taj odnos poznat je kao Hubbleov zakon, odnosno Hubble-Lemaîtreov zakon.
Širenje prostora nije isto što i obično kretanje kroz prostor
Jedan od najčešćih nesporazuma u astronomiji nastaje kada se širenje svemira zamijeni s običnim kretanjem objekata kroz prostor. Kod svakodnevnog gibanja automobil se kreće cestom, planet se kreće orbitom, a zvijezda se kreće kroz galaksiju. Kod širenja svemira povećavaju se same udaljenosti između vrlo udaljenih, gravitacijski nepovezanih područja prostora.
Zato se često koristi slika točkica na površini balona. Kako se balon napuhuje, točkice se međusobno udaljavaju, iako same ne hodaju po površini balona. Ta usporedba nije savršena, ali dobro pokazuje ključnu ideju: prostor između dalekih galaksija raste.
Na manjim razmjerima to širenje nema praktičan utjecaj. Zemlja se ne udaljava od Sunca zato što se svemir širi. Mjesec ne napušta Zemlju zbog kozmološkog širenja. Atomi u našim tijelima ne rastu zajedno sa svemirom. U takvim sustavima gravitacija, elektromagnetske sile i druge lokalne veze daleko nadjačavaju širenje prostora.
Širenje svemira postaje vidljivo tek na golemim udaljenostima, između galaksija i skupova galaksija koji nisu čvrsto povezani gravitacijom.
Hubbleova napetost pokazuje da širenje još nije potpuno objašnjeno
U posljednjih nekoliko godina širenje svemira ponovno je postalo jedno od najvažnijih pitanja kozmologije. Razlog je Hubbleova napetost, razlika između dvaju načina mjerenja današnje brzine širenja svemira.
Mjerenja koja se oslanjaju na obližnji svemir, primjerice promatranja promjenjivih zvijezda cefeida i supernova tipa Ia, daju jednu vrijednost Hubbleove konstante. Mjerenja izvedena iz ranog svemira, osobito iz kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, daju nešto nižu vrijednost.
NASA objašnjava da mjerenja današnje brzine širenja svemira s pomoću svemirskih teleskopa često daju vrijednosti od oko 70 do 76 kilometara u sekundi po megaparseku, dok mjerenja izvedena iz ranog svemira daju oko 67 do 68 kilometara u sekundi po megaparseku.
To ne znači da znanstvenici ne znaju da se svemir širi. Upravo suprotno: širenje je čvrsto potvrđeno. Problem je precizniji i zanimljiviji. Pitanje je zašto dvije vrlo razvijene metode ne daju potpuno isti rezultat.
Dodatna promatranja svemirskim teleskopima Hubble i James Webb nisu jednostavno uklonila problem. NASA je 2024. objavila da su Webbova i Hubbleova mjerenja potvrdila da zagonetka oko brzine širenja svemira i dalje postoji. ESA također navodi da su Webbova promatranja važna provjera Hubbleovih mjerenja, jer pomažu ispitati je li razlika posljedica pogrešaka u mjerenju ili nečega dubljeg u našem razumijevanju svemira.
Ako Hubbleova napetost opstane, mogla bi upućivati na to da u našem modelu svemira nedostaje neki dio fizike. Ako se ublaži novim mjerenjima, pokazat će koliko je teško precizno izmjeriti svemir na najvećim udaljenostima. U oba slučaja, riječ je o istom osnovnom pitanju: kako se svemir kretao kroz svoju povijest i kako se širi danas.
Zašto se gibanje ne zaustavlja?
U svakodnevnom životu čini se prirodno da se stvari zaustavljaju. Lopta se kotrlja pa stane. Automobil uspori ako motor prestane raditi. Kamen bačen po tlu brzo izgubi brzinu. Zbog toga lako pomislimo da bi se i svemirska tijela morala s vremenom “umoriti” od gibanja.
No, ta svakodnevna intuicija dolazi iz života u okruženju punom trenja. Na Zemlji predmeti usporavaju zbog dodira s tlom, otpora zraka, gubitka energije u toplinu i drugih lokalnih učinaka. U svemiru, osobito u međuzvjezdanom i međugalaktičkom prostoru, takvog općeg otpora gotovo nema.
Prema Newtonovu prvom zakonu gibanja, tijelo nastavlja mirovati ili se gibati stalnom brzinom po pravcu ako na njega ne djeluje vanjska sila. U svemiru to znači da se objekt ne mora stalno gurati kako bi se kretao. Jednom kad ima brzinu, nastavlja se gibati dok mu neka sila ne promijeni putanju ili brzinu.
Gravitacija ne zaustavlja gibanje. Ona ga preusmjerava. Zbog gravitacije se putanje savijaju, objekti ulaze u orbite, padaju jedni prema drugima, spajaju se ili bivaju izbačeni u nove putanje. Svemir je pun promjena, ali te promjene ne vode prema jednostavnom mirovanju.
Gravitacija pretvara ravno gibanje u orbite
Orbita nije stanje mirovanja. Planet koji kruži oko zvijezde stalno pada prema njoj, ali se istodobno kreće dovoljno brzo u stranu da je ne pogodi. To je srž orbitalnog gibanja.
Zemlja se stalno giba oko Sunca. Da nema Sunčeve gravitacije, nastavila bi se kretati gotovo ravno kroz prostor. Da nema Zemljine bočne brzine, pala bi prema Suncu. Orbita nastaje iz ravnoteže između gravitacijskog privlačenja i gibanja koje objekt već ima.
Isto vrijedi za Mjesec oko Zemlje, satelite oko planeta, zvijezde u galaksijama i galaksije u skupovima galaksija. Gravitacija ne djeluje kao kočnica, nego kao sila koja mijenja smjer gibanja.
Zbog toga je svemir pun kruženja, eliptičnih putanja, bliskih susreta i gravitacijskih izbacivanja. Objekti se ne kreću po savršeno urednim stazama zauvijek. Njihove putanje mijenjaju se zbog međusobnih utjecaja, sudara, prolazaka drugih tijela i raspodjele mase u prostoru.
Rotacija je jedan od najvažnijih tragova nastanka sustava
Dok širenje svemira određuje najveće kozmološke razmjere, na manjim razmjerima posebno je važna rotacija. Zvijezde rotiraju, planeti rotiraju, diskovi plina i prašine rotiraju, a galaksije se okreću oko svojih središta.
Carol Christian, astrofizičarka iz Space Telescope Science Institutea, za Live Science ističe da je rotacija u svemiru gotovo posvuda prisutna. Razlog nije neka posebna “sila rotacije”. Kada se veliki oblak plina i prašine počne urušavati pod vlastitom gravitacijom, sitne početne razlike u gibanju ne nestaju. Kako se materijal skuplja prema središtu, rotacija se pojačava.
To je isti osnovni princip zbog kojeg se klizačica na ledu brže okreće kada privuče ruke uz tijelo. U svemiru taj se proces odvija u mnogo većim razmjerima. Oblak plina i prašine koji se urušava može se spljoštiti u disk, a iz takvog diska mogu nastati zvijezde, planeti, mjeseci i manja tijela.
NASA navodi da je Sunčev sustav nastao prije oko 4,6 milijardi godina iz gustog oblaka međuzvjezdanog plina i prašine. Kada se taj oblak urušio, oblikovao je rotirajući disk materijala. Većina materijala završila je u mladom Suncu, a ostatak je postupno oblikovao planete i druga tijela Sunčeva sustava.
Zato planeti u Sunčevu sustavu uglavnom kruže oko Sunca u istoj ravnini i u istom smjeru. Oni su nastali iz zajedničkog rotirajućeg diska, a ne iz nasumične zbirke tijela koja su se kasnije slučajno posložila.
Sunce se također kreće
Iz perspektive Zemlje, Sunce često doživljavamo kao središte našeg sustava i prividno mirnu točku oko koje se sve odvija. U širem smislu, Sunce je također putnik.
NASA navodi da Sunce zajedno s planetima, asteroidima, kometima i drugim tijelima Sunčeva sustava kruži oko središta Mliječne staze. Cijeli Sunčev sustav kreće se prosječnom brzinom od oko 720.000 kilometara na sat. Unatoč toj golemoj brzini, za jedan obilazak oko središta galaksije potrebno je oko 230 milijuna godina.
To znači da se Zemlja ne vraća svake godine na isto mjesto u galaksiji. Dok kruži oko Sunca, Sunce se kreće kroz Mliječnu stazu, a Mliječna staza se kreće unutar Lokalne skupine galaksija. Ni jedna od tih razina gibanja ne poništava prethodnu. One se zbrajaju u složenu sliku kretanja kroz svemir.
Postoji čak i kozmički način da se izmjeri naše gibanje u odnosu na rani svemir. Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje dolazi iz svih smjerova i predstavlja toplinski trag mladog svemira. U njegovu se obrascu vidi mala razlika u temperaturi između suprotnih smjerova na nebu. Taj se uzorak tumači kao posljedica gibanja Sunčeva sustava u odnosu na kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.
To ne znači da postoji apsolutno mirovanje u starom, jednostavnom smislu. Fizika ne traži jednu povlaštenu točku svemira. No kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje omogućuje astronomima da vrlo precizno opišu naše gibanje u odnosu na materijal iz ranog svemira.
Galaksije se okreću drukčije nego što se očekivalo
Rotacija galaksija dovela je do jednog od najvažnijih otkrića moderne astronomije. Ako bismo računali samo vidljivu materiju, zvijezde u vanjskim dijelovima spiralnih galaksija trebale bi se gibati sporije od zvijezda bliže središtu. U stvarnosti se često kreću prebrzo da bi ih vidljiva masa galaksije mogla gravitacijski zadržati.
Taj problem snažno je povezan s radom Vere Rubin i drugih astronoma koji su proučavali rotacijske krivulje galaksija. Mjerenja su pokazala da se zvijezde u vanjskim dijelovima galaksija ne ponašaju onako kako bi se očekivalo kada bi u galaksijama postojala samo vidljiva materija. To upućuje na postojanje dodatne mase koju ne vidimo izravno.
Ta nevidljiva komponenta naziva se tamna tvar. Ona ne emitira svjetlost kao zvijezde, ne sjaji poput plina zagrijanog na visoke temperature i ne može se promatrati običnim teleskopima na isti način kao vidljiva materija. Ipak, njezina gravitacija utječe na gibanje galaksija, galaktičkih skupova i svjetlosti koja prolazi kroz svemir.
Tamna tvar zato nije uvedena kao ukrasna ideja, nego kao pokušaj objašnjenja stvarnih mjerenja. Gibanje zvijezda i galaksija pokazalo je da u svemiru postoji više gravitacije nego što je možemo objasniti vidljivom materijom.
Kretanje ne znači kaos
Na prvi pogled, svemir može djelovati kao golemi kaos. Sve se kreće: planeti, zvijezde, oblaci plina, galaksije, skupovi galaksija i sam prostor na najvećim razmjerima. No to gibanje nije nasumično u jednostavnom smislu. Iza njega stoje pravilnosti.
Planeti zadržavaju orbite jer gravitacija i početna brzina stvaraju stabilne putanje. Zvijezde nastaju u oblacima plina koji se urušavaju i rotiraju. Galaksije nose tragove spajanja, sudara i dugotrajne gravitacijske evolucije. Širenje svemira pokazuje kako se mijenja sama geometrija prostora na najvećim udaljenostima.
Svemir ne miruje jer nikada nije bio statičan sustav. Početno širenje, očuvanje količine gibanja, gravitacija i gotovo potpuni izostanak trenja na velikim razmjerima znače da se gibanje nastavlja, mijenja oblik i prenosi kroz kozmičku povijest.
Zato je kretanje jedan od najdubljih tragova nastanka i razvoja svemira. Ono povezuje najranije širenje prostora, nastanak galaksija, rođenje zvijezda, oblikovanje planeta i putanju Zemlje kroz Mliječnu stazu. Kada pogledamo noćno nebo, ne gledamo nepomičnu pozornicu. Gledamo sustav u kojem se sve mijenja, od najmanjih čestica do najvećih struktura koje možemo promatrati.