CUM PUTEM VEDEA LA 46,1 MILIARDE ANI LUMINĂ DEPĂRTARE ÎNTR-UN UNIVERS CU VÂRSTA DE NUMAI 13,8 MILIARDE DE ANI?
Singura constantă din Univers care a fost și poate fi determinată experimental este: viteza luminii în vid. Indiferent încotro sau când, ori în ce direcție călătorește lumina, aceasta se deplasează cu 299.792,5 kilometri pe secundă, parcurgând 9 triliarde de km (9 miliarde de miliarde de km) sau un an lumină, într-un an calendaristic. Au trecut 13,8 miliarde de ani de la Big-Bang, ceea ce ne-ar putea conduce spre ideea că cele mai îndepărtate obiecte din spațiul cosmic, pe care le putem vedea, se află nu mai departe de 13,8 miliarde de ani lumină.
Doar că nu este adevărat, iar cea mai mare distanță până la care putem vedea este: 46,1 miliarde de ani lumină. Cum de putem vedea atât de departe? Este o întrebare bună, ce necesită puțină fizică pentru lămurire.
Putem începe prin a ne reprezenta un Univers în care cele mai îndepărtate obiecte pe care le vedem se află cu adevărat la 13,8 miliarde de ani lumină depărtare. Pentru ca această perspectivă să funcționeze avem nevoie de un Univers în care:
– obiectele rămân la aceeași distanță, unele față de altele, de-a lungul timpului;
-țesătura spațială rămâne statică și exceptată de la contracții sau expansiuni de-a lungul timpului;
-lumina este propagată prin univers într-o linie dreaptă între oricare două puncte, fără a fi afectată de efectele materiei, energiei, curbarea spațială sau orice altceva.
Dacă ne imaginăm că universul ar fi o grilă axele x, y și z – unde spațiul în sine este fix și imuabil, cele trei premise inițiale ar putea funcționa, conducându-ne spre un maxim vizual de 13,8 miliarde de ani lumină. Obiectele ar emite lumină în trecutul îndepărtat, acea lumină ar călători prin univers, până ar ajunge pe retină și noi am recepționa același număr de ani ca vârstă, corespunzători anilor lumină parcurși.
Toate cele trei presupuneri sunt însă incorecte. Obiectele, pentru început, nu rămân la o distanță fixă unele de celelalte, ci mai degrabă se deplasează liber prin spațiul pe care îl ocupă. Efectele gravitaționale mutuale ale tuturor maselor și energiilor pe care obiectele din Univers le conțin produc mișcările de rotație și accelerările, aducând la un loc mase în cadrul unor structuri mai mari precum galaxiile sau roiurile galactice, în timp ce alte regiuni devin lipsite de materie.
Aceste forțe pot deveni extrem de complexe, aruncând stele și gaze din interiorul galaxiilor, creând obiecte cu velocitate ultra-rapidă și tot felul de accelerații. Lumina pe care o vom percepe va fi deplasată spre roșu sau spre albastru, în funcție de velocitatea noastră relativă în raport cu obiectul pe care îl observăm, iar timpul călătoriei cu viteza luminii nu este neapărat corelabil cu distanța actuală între cele două obiecte.
Acest ultim punct este important, pentru că și într-un Univers în care spațiul este static, fix și neschimbător, obiectele ar putea totuși să se deplaseze prin acesta. Ne putem imagina chiar că un obiect ce a fost inițial situat la 13,8 miliarde de ani lumină depărtare, acum 13,8 miliarde de ani, s-a deplasat totuși în raport cu noi, cu o viteză foarte aproape de viteza luminii.
Acea lumină va continua să se propage către noi cu viteza luminii, traversând cei 13,8 miliarde de ani lumină într-un interval de 13,8 miliarde de ani. Dar când lumina inițială ajunge în prezentul nostru, obiectul poate să se fi îndepărtat de două ori mai mult față de distanța inițială: până la 27,6 miliarde de ani lumină, dacă s-a îndepărtat arbitrar față de noi, cu o viteză apropiată de cea a luminii. Chiar în absența modificărilor în țesătura spațială de-a lungul timpului, tot ar fi multe obiecte pe care le vedem astăzi, care sunt real localizate mult mai departe de cei 13,8 miliarde de ani lumină. Singura problemă este că lumina lor ar putea călători cel mult 13,8 miliarde de ani lumină. Modul în care se mișcă obiectele după ce au emis acea lumină este irelevant în acest scenariu ipotetic.
Dar nici țesătura spațiului nu este constantă, marea revelație a lui Einstein, care l-a condus spre formularea Teoriei Relativității Generale: nici spațiul și nici timpul nu sunt statice și fixe, ci formează împreună o țesătură spațiu-timp, cu proprietăți dependente de materia și energia prezente în univers. Considerând un univers care în medie conține o anumită formă de materie sau energie – indiferent dacă este materie normală, materie neagră, fotoni, neutrini, unde gravitaționale, găuri negre, energie neagră, corzi cosmice sau orice fel de combinație a acestora – vom ajunge la concluzia că țesătura spațio-temporală înseși este instabilă, nu poate rămâne statică și neschimbătoare. Ea, în timp – fie va expanda, fie se va contracta, iar – ca urmare – distanțele cosmice dintre obiecte se vor schimba de-a lungul timpului.
Începând cu anii 1910 și 1920, observațiile directe au confirmat această imagine. Am descoperit că nebuloasele eliptice și spiralice de pe cer erau galaxii de sine stătătoare, situate mult dincolo de galaxia noastră și am descoperit că cu cât privim mai în adâncimea cosmosului, cu atât lumina obiectelor îndepărtate este mai deplasată spre roșu. În contextul teoriei generale a relativității lui Einstein, aceasta a condus spre o singură concluzie: UNIVERSUL ESTE ÎN EXPANSIUNE.
Țesatură spațiului nu rămâne constantă în timp, ci expandează, împingând departe unele față de altele, obiecte neconectate gravitațional. Este ca și cum galaxiile individuale și grupurile / grupurile de galaxii ar fi stafide încorporate într-o mare de aluat invizibil (asemănător spațiului) și că, pe măsură ce aluatul a dospit, stafidele au fost împinse, deplasate față de starea inițială. Spațiul dintre aceste obiecte se extinde și asta face ca obiectele individuale să apară îndepărtate în raportul dintre ele.
Acest lucru are implicații enorme pentru observațiile noastre. Când observăm un obiect distant, nu vedem doar lumina pe care acesta o emite, nici nu vom suprinde doar lumina deplasată de către viteza relativă a sursei și observatorului. În loc de asta, vedem cum universul în expansiune a afectat lumina efectelor cumulative ale expansiunii spațiului care s-a produs în fiecare punct de-a lungul voiajului său.
Dacă dorim să probăm limitele absolute a cât de mult putem vedea în trecut, ne vom uita după lumina emisă – pe cât posibil – aproape acum 13,8 miliarde de ani, care a ajuns astăzi în prezentul nostru. Vom calcula, bazându-ne pe lumina ce o vedem astăzi:
-cât de mult timp a călătorit lumina;
-cum a expansionat Universul între momentul de atunci și cel de acum;
-ce forme diferite de energie trebuie luate în seamă și cuantificate ca interacțiune pe durata voiajului;
-cât de îndepărtat trebuie să fie astăzi acel obiect față de momentul de start, ținând cont de expansiunea Universului.
Nu am făcut acest lucru, până la acest punct, doar pentru câteva obiecte, ci literalmente pentru milioane de obiecte, situate la distanțe uriașe față de vecinătatea cosmică, până la obiecte aflate la peste 30 miliarde de ani lumină.
Poate vă veți întreba cum este posibil să vedem obiecte situate la mai mult de 30 de miliarde de ani lumină depărtare? Se datorează faptului că spațiul dintre două puncte – cum ar fi cel de observare cu cel observat – expandează în timp. Cel mai îndepărtat obiect pe care l-am văzut vreodată și-a început călătoria luminică spre noi acum 13,4 miliarde de ani; îl vedem cum arăta la momentul când vârsta sa era de 407 milioane ani după Big-Bang, sau 3% din vârsta actuală a universului. Lumina pe care o vedem este deplasată spre roșu cu un factor de 12, pentru că lungimea de undă a luminii observate este de 1210% din cea de la momentul emiterii sale. Și după o călătorie de 13,4 miliarde de ani, acel obiect se află acum la o distanță de 32,1 miliarde ani lumină depărtare de noi, datorită expansiunii universului.
Pe baza unei suite întregi de observații realizate – măsurând nu doar deplasarea spre roșu și distanțele obiectelor dar și radiația cosmică de fundal ca rămășiță energetică a Big-Bang-ului, roiurile de galaxii și alte caracteristice de scară largă din structura universului, lentilele gravitaționale, coliziunea roiurilor galactice, abundența elementelor luminoase create înainte de formarea oricăror stele etc. – putem determina compoziția universului și proporțiile constituenților.
În prezent, cele mai bune estimări apreciază că trăim într-un Univers compus din:
-0,01% radiație în forma fotonilor;
-0,1% neutrini, care au o masă foarte mică, ușor sub zero;
-4,9% materie normală, adică protoni, neutroni și electroni;
-27% materie neagră;
-68% energie neagră.
Aceste date încadrează imaginea pe care o avem asupra universului și conturează dinamica istorică a expansiunii sale începută la momentul Big-Bang. Din aceste date, putem extrate o valoare unică pentru dimensiunea universului vizibil: 46,1 miliarde de ani lumină în toate direcțiile.
Dacă limita a ceea ce putem vedea într-un univers cu vârsta de 13,8 miliarde de ani ar fi fost doar 13,8 miliarde de ani lumină, am fi avut dovada că Relativitatea Generală este eronată iar obiectele nu se pot deplasa unele față de altele spre locații mai îndepărtate, de-a lungul timpului. Dar întrucât dovezile observaționale confirmă deplasarea obiectelor, teoria relativității generale este corectă, iar Universul este în expansiune, dominat de un mix de materie neagră și energie neagră.
Ca o concluzie, ținând cont de toate informațiile acumulate, am descoperit că Universul care a început cu un Big-Bang fierbinte acum 13,8 miliarde de ani, s-a aflat de atunci în expansiune și cele mai distante lumini care ajung acum la noi, sunt localizate în prezent la o depărtare de 46,1 miliarde de ani lumină. Spațiul dintre noi și cel mai distante obiecte libere pe care le observăm continuă să crească cu o rată de 6,5 ani lumină per an calendaristic la frontierele universului.
Sursa: Medium.com; Originally published on Forbes.com; Signed by Ethan Siegel; Traducere și adaptare pentru PLANETARIUBM.ro: Crișan Petru Ciprian
