2020teascience

CĂLĂTORIE LA MARGINILE UNIVERSULUI

CĂLĂTORIE LA MARGINILE UNIVERSULUI

În ciuda a tot ce am învățat despre Universul nostru, multe întrebări existențiale au rămas fără răspuns. De pildă, nu știm dacă Universul este finit sau infinit, în expansiune; știm doar că dimensiunea sa fizică trebuie să fie mai mare decât porțiunea pe care o putem observa. Nu știm nici dacă universul nostru cuprinde tot ceea ce există, sau mai multe universuri formează un multi-vers. Și rămânem neștiutori asupra a ceea ce s-a întâmplat în cele mai timpurii stadii ale acestuia: în prima fracțiune de secundă a Big-Bang-ului fierbinte, întrucât nu avem dovezile necesare pentru a ajunge la o concluzie robustă.

Există însă, un lucru, despre care putem avea certitudini, anume că Universul are o margine: nu în spațiu, ci în timp. Pentru că Big-Bang-ul s-a produs într-un moment finit, cunoscut, din trecut – acum 13,8 miliarde de ani, cu o marjă de mai puțin de 1% – există o ”margine” sau o limită la cât de departe putem vedea. Chiar și având în vedere viteza luminii, viteza cosmică maximă, există o limită fundamentală privind cât de mult putem vedea în trecut. Cu cât privim mai departe în spațiu, cu atât mai departe putem vedea în trecut. Și iată ce putem vedea, pe măsură ce ne apropiem de marginea universului.

În prezent, vedem Universul așa cum este el la 13,8 miliarde de ani după Big-Bang. Cele mai multe dintre galaxii sunt comasate împreună în grupuri galactice (cum este Grupul Local) și roiuri bogate (cum este roiul Virgo), separate de regiuni enorme de spațiu în mare parte gol, numit vid cosmic. Galaxiile din interiorul acestor grupuri sunt un mix de spirale și eliptice, în care – o galaxie tipică, cum este Calea Lactee formează în medie aproximativ o stea precum Soarele, în fiecare an.

În plus, materia normală din Univers este compusă în mare parte din hidrogen și heliu, dar numai 1-2% din materia normală este compusă din elemente mai grele din tabelul periodic, permițând formarea de planete telurice precum Terra și chimie complexă, chiar organică. Deși există o varietate foarte mare – unele galaxii formează activ stele, unele au găuri negre active, iar altele nu au format stele noi de miliarde de ani – galaxiile pe care le vedem sunt mari, evoluate și grupate împreună, în medie.

Dar cu cât ne uităm mai departe și mai departe, începem să vedem cum a crescut Universul pentru a deveni așa cum arată în prezent. Privind la distanțe foarte mari, vedem că Universul era mai puțin clusterizat și parcă ușor mai uniform, mai ales la scară foarte largă. Vedem că galaxiile sunt mai puțin evoluate și au mase mai mici; există mai multe galaxii spiralice și mai puține galaxii eliptice. În medie, există proporții mai mari de stele albastre, iar rata de formare stelară era mai mare în trecut. Exista mai puțin spațiu între galaxii, în medie, dar masa per total a grupurilor și clusterelor este mai mică în perioadele timpurii.

Se conturează o imagine a Universului în care galaxiile moderne de astăzi erau create de galaxii mai mici cu masă redusă fuzionând împreună pe scale cosmice de timp, reinventându-se împreună pentru a deveni giganții pe care îi vedem astăzi în jurul nostru. Universul, în comparație cu galaxiile din prezent, în perioadele timpurii, era compus din galaxii care: sunt mai mici din punct de vedere fizic, au masa mai redusă, sunt mai apropiate împreună, mai multe ca număr, au culoarea albastră, sunt bogate în gaz, au o rată mai înaltă de formare stelară și prezintă proporții mai mici de elemente grele.

Dar, pe măsură ce ne îndepărtăm tot mai mult – către ere tot mai timpurii – această modificare graduală a imaginii începe să se transforme abrupt. Când privim înapoi în timp, la o distanță care în prezent se află la 19 miliarde de ani lumină depărtare, corespunzând unei perioade când trecuseră doar 3 miliarde de ani de la Big-Bang, vedem că formarea stelară a Universului atinsese zona de maximum: o rată de formare de 20-30 de ori mai mare decât cea pe care o vedem în prezent. O fracție enormă de găuri negre super-masive sunt active la acest moment, emițând cantități enorme de particule și radiație datorită consumului materiei înconjurătoare.

În ultimele 11 miliarde de ani, evoluția Universului a încetinit. Sigur, gravitația a continuat să colapseze structuri, dar energia întunecată a început să opună rezistență, ajungând să domine expansiunea Universului încă de acum 6 miliarde de ani. Stele noi continuă se se formeze, dar vârful formării stelare se află în trecutul îndepărtat. Și găurile negre super-masive au continuat să crească și să strălucească la fel de puternic, o fracțiune dintre ele fiind totuși mai fade și mai inactive în prezent, decât erau atunci.

Depărtându-ne și mai mult, tot mai mult, tot mai aproape de ”marginea” definită de startul Big-Bang-ului, începem să descoperim modificări tot mai semnificative. Privind la o depărtare de 19 miliarde de ani lumină, când Universul avea vârsta de numai 3 miliarde de ani, formarea stelară era la rata maximă, iar Universul deținea probabil 0,3 – 05% elemente grele.

Însă, când ajungem la o distanță de 27 miliarde de ani lumină depărtare, Universul avea vârsta de numai 1 miliard de ani. Formarea stelară era mult mai mică, pe măsură ce stelele se formau la rate echivalente cu o pătrime din cât a atins la vârful de rată. Procentajul de materie normală din care sunt compuse elementele grele se modifică precipitat: către 0,1% la vârsta de 1 miliard de ani, către numai 0,01% – la vârsta de 500 milioane de ani. Planetele telurice precum Terra, în asemenea condiții, probabil că erau imposibile. Nu numai că fundalul cosmic cu microunde a fost semnificativ mai fierbinte – fiind mai degrabă în infraroșu decât în lungimile de undă ale microundelor – dar fiecare galaxie din Univers ar trebui să fi fost tânără și plină de stele tinere; probabil că nu existau galaxii eliptice la început.

Mergând mai departe de atât înseamnă să forțăm limitele instrumentației noastre actuale, dar telescoape precum Keck, Spitzer și Hubble deja au început să ne ducă în acel punct. Odată ce ne ducem către distanțe de aproximativ 29 miliarde de ani lumină, sau mai departe – corespunzând timpului când Universul avea vârsta de numai 700-800 milioane de ani – trecem de prima margine a Universului: marginea transparenței.

În prezent considerăm spațiul transparent pentru lumina vizibilă, dar acest lucru este adevărat doar pentru că nu este plin de materiale care să blocheze lumina, precum praful sau gazul neutru. Dar, în timpuri primordiale, înainte de a se forma suficiente stele, Universul era plin de gaz neutru și nu se ionizase deplin prin intermediul radiațiilor ultraviolete de la aceste stele. Drept urmare, o mare parte a luminii pe care o vedem este obturată de acești atomi neutri și numai după ce s-au format suficiente stele, Universul a devenit complet reionizat. Acesta este motivul pentru care telescoapele cu vedere în infraroșu, precum așteptatul James Webb Telescope al NASA, sunt atât de importante pentru investigarea universului timpuriu: există o ”margine” până la care putem accede în lungimile de undă cu care suntem familiarizați.

La distanțe de 31 miliarde de ani lumină, corespunzătoare timpului scurs de 550 milioane de ani după Big-Bang, atingem marginea a ceea ce numim reionizare: unde majoritatea Universului este în mare parte transparent în raport cu lumina optică.

Reionizarea este un proces gradual ce se desfășoară inegal; este – în multe feluri – ca un perete zguduit și poros. Unele zone au experimentat mai devreme această ionizare, motiv pentru care Hubble a putut surprinde cea mai îndepărtată galaxie, până în prezent (32 miliarde ani lumină depărtare, la numai 407 milioane de ani după Big-Bang), dar alte regiuni au rămas parțial neutre, până la trecerea a aproape un miliard de ani.

Totuși, dincolo de limitele instrumentelor noastre actuale, stelele și galaxiile trebuie să fi existat cu siguranță. Cele mai îndepărtate galaxii pe care le-am identificat vreodată conțin indicații că o generație anterioară de stele a trăit în interiorul lor, iar acestea erau deja foarte strălucitoare și masive. Dincolo de limitele de vizibilitate a telescoapelor noastre din prezent, cu toate acestea putem măsura semnele indirecte ale formării stelelor: prin intermediul emisiei de lumină de la atomii de hidrogen, care se produc numai prin formarea stelelor, survine ionizarea și apoi electronii liberi se recombină cu nucleele ionizate, emițând după aceea lumină.

În prezent, deținem doar indicații indirecte ale semnăturilor formării stelare timpurii, care ne arată că la numai 180-260 milioane de ani după Big-Bang existau deja galaxii tinere. Aceste proto-galaxii au format destule stele pentru ca noi să vedem primele indicii ale existenței lor îngropate în informații, corespunzând unei distanțe de 34 – 36 miliarde de ani lumină. Deși, telescoapele noastre actuale nu pot vedea direct aceste galaxii, astronomii consideră că următorul telescop James Webb va reuși să pătrundă până acolo.

Însă, chiar și dincolo de acel punct, încă mai există surse de lumină – și primele regiuni de spațiu ionizat din Univers. Primele stele care au apărut în Univers, iar dacă am putea vedea atât de departe, acestea s-ar situa la 38 – 40 miliarde de ani lumină depărtare, corespunzând unei evoluții de numai 50 – 100 milioane de ani după Big-Bang.

Înainte de acest punct, Universul era doar întunecat, plin de atomi neutri și radiația remanentă în microunde a Big-Bang-ului.

Mergând și mai mult înapoi în spațiu-timp, există ”margini” suplimentare de interes. La distanța de 44 miliarde de ani lumină, radiația de la Big-Bang a fost atât de fierbinte, încât a devenit vizibilă: dacă ar fi fost acolo un ochi uman, ar fi putut vedea radiația începând să strălucească în roșu, similar cu o suprafață fierbinte înroșită. Iar aceasta corespunde unei etape de timp de doar 3 milioane de ani după Big-Bang.

Dacă vom călători și mai departe, cam la 45,4 miliarde de ani lumină depărtare, vom ajunge la momentul când Universul avea doar 380.000 de ani după Big-Bang, când a devenit prea fierbinte pentru a putea menține stabili atomii neutri. Acesta este punctul de origine al fundalului cosmic de microunde al Big-Bang-ului. Dacă ați văzut vreodată faimoasa imagine cu pete fierbinți (roșii) și reci (albastre) de la Satelitul Planck, ai este originea radiației.

Și – chiar înainte de acest punct – la 46 miliarde de ani lumină depărtare, ajungem la cele mai timpurii momente ale universului: starea ultra-energetică a Big-Bang-ului fierbinte, unde au fost create primele nuclee atomice, protoni și neutroni – și chiar prima formă stabilă de materie. Toate aceste stadii, totul poate fi descris ca fiind ”supa primordială” cosmică, unde fiecare particulă și antiparticulă în existență sunt create din energie pură.

Ce rezidă dincolo de frontierele aceste supe de energie-înaltă, rămâne un mister. Nu avem dovezi directe asupra a ceea ce a survenit în acele stadii timpurii, deși multe dintre predicțiile inflației cosmice au fost indirect confirmate. Marginea universului, așa cum ne apare nouă, este unică din perspectiva noastră; putem vedea înapoi în timp, în toate direcțiile 13,8 miliarde de ani, o situație care depinde de locația spațio-temporală a observatorului care privește.

Universul are multe margini: marginea transparenței, marginea stelelor și galaxiilor, marginea atomilor neutri și marginea orizontului cosmic de la însuși Big-Bang-ul. Putem privi atât de departe cât ne vor permite instrumentele pe care le avem, însă întotdeauna va exista o limită fundamentală. Chiar dacă spațiul în sine este infinit, cantitatea de timp scursă de la Big-Bang nu este infinită. Indiferent cât vom aștepta, întotdeauna va exista o ”margine” pe care nu vom fi niciodată capabili să o traversăm pentru a vedea trecutul.

Sursa: FORBES; By: Ethan Siegel; Traducere și adaptare: Crișan Ciprian

OPINIA DUMNEAVOASTRĂ CONTEAZĂ!

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.