11 DESCOPERIRI ȘTIINȚIFICE CARE AU MODELAT ÎNȚELEGEREA ACTUALĂ A UNIVERSULUI

Cu exact un secol în urmă, concepția asupra Universului era cu totul diferită față de cea actuală. Stelele din interiorul Căii Lactee și distanțele între ele erau cunoscute, însă imaginea unui Univers conceput ca fiind static, se limita la dimensiunea calculată a galaxiei noastre, obiectele din adâncime părând să aparțină structurii acestuia. Teoria graviației a lui Newton guverna înțelegerea cosmosului, nefiind încă depășită de teoria revoluționară a lui Einstein, iar idei științifice precum Big-Bang-ul, materia neagră și energia neagră nu apăruseră. Fiecare decadă, începând de acum un veac, a fost marcată prin avans sau salturi conceptuale și tehnologice semnificative, până în zilele noastre și fiecare asemenea avans a condus treptat la modelarea înțelegerii științifice a Universului din prezent.

Anii 1910 – Confirmarea Teoriei lui Einstein . Relativitatea Generală a fost faimoasă pentru că a oferit explicații pe care gravitația newtoniană nu le-a putut da: precesia orbitei lui Mercur în jurul Soarelui. Dar nu este suficient ca o teorie să explice ceva deja observat; trebuie să poată oferi predicții asupra a ceva ce nu a fost încă văzut. În timp ce multe asemenea predicții au fost confirmate de-a lungul secolului trecut, precum dilatarea gravitațională a timpului, deplasarea spre roșu datorită gravitației etc. – prima asemenea confirmare a fost cea a curbării luminii stelare, realizată în timpul unei eclipse solare totale, observată de Eddington și colaboratorii săi, în 1919 – ce confirma teoria lui Einstein și infirma teoria lui Newton. Din acest punct, înțelegerea asupra Universului se va modifica substanțial.

Anii 1920 – Încă nu știam de prezența unui Univers mult mai mare, dincolo de granițele Căii Lactee, dar totul s-a schimbat odată cu contribuția științifică a lui Edwin Hubble. În timp ce observa câteva nebuloase spiralate pe cer, Hubble a reușit să fixeze individual câteva stele variabile de același tip cu cele cunoscute în Calea Lactee. Numai că strălucirea lor era atât de redusă încât ar fi trebuit să fie dispuse la milioane de ani lumină depărtare, plasându-le astfel mult mai departe în raport cu granițele galaxiei noastre. Hubble nu s-a oprit însă aici, ci a măsurat viteza de îndepărtare și distanțele pentru o duzină de galaxii, descoperind vastul Univers în expansiune pe care astăzi îl cunoaștem destul de bine.

Anii 1930 – Mult timp s-a considerat că dacă am putea măsura toată masa cuprinsă în stele și – poate, dacă am adăuga gazul și praful, am putea calcula toată materia din Univers. Totuși, prin observarea galaxiilor dintr-un cluster galactic foarte dens (precum roiul galactic Coma), Fritz Zwicky a arătat că stelele observate și ceea ce cunoaștem ca ”materie normală” (ex. atomi) erau insuficiente pentru a explica mișcările interne din cadrul roiului galactic. El a botezat materia lipsă cu numele de ”materie neagră”, însă observațiile lui Zwicky au fost ignorate până în anii 1970, când materia normală a fost mai bine cunoscută, iar materia neagră a fost arătată a fi prezentă din abundență, individual, în galaxiile aflate în rotație. Acum știm că raportul de masă între materia neagră și materia normală este de 5 la 1.

Anii 1940 – În timp ce marea majoritate a resurselor observaționale și experimentale au fost dirijate spre sateliții de spionaj, realizarea de rachete și dezvoltarea tehnologiei nucleare, fizicienii teoreticieni nu s-au oprit din studiul cosmologiei. În 1945, extrapolarea lui George Gamow aplicată universului în expansiune a condus la următoarea ipoteză: dacă Universul prezent este în expansiune și se răcește, atunci în trecut trebuie să fi fost mai fierbinte și mai dens. Mergând și mai departe în timp, trebuie să fi existat un moment în care a fost atât de fierbinte și de dens, încât atomii neutri nu se puteau forma, iar înainte nici nucleii atomici nu se puteau forma. Dacă toate acestea erau adevărate, atunci înainte chiar ca stelele să se poată forma, acel material din care Universul a început să existe trebuie să fi avut un raport specific al celor mai ușoare elemente și trebuie să fi lăsat o amprentă energetică ce permează Universul actual în toate direcțiile, având o temperatură de numai câteva grade deaupra lui zero absolut. Această concepție este astăzi cunoscută sub denumirea de ”Big-Bang” și reprezintă cea mai importantă idee a anilor 1940.

Anii 1950 – O teorie competitoare pentru ideea Big-Bang-ului a fost cea a modelului Steady-State, propusă de Fred Hoyle și susținută de alți cercetători, de-a lungul timpului. Spectaculos, ambele părți argumentează că toate elementele mai grele prezente pe Terra astăzi s-a format într-un stadiu mai timpuriu al Universului. Argumentul diferit al lui Hoyle și al colaboratorilor săi era că aceste elemente grele nu au fost create însă în timpul unei stări timpurii, fierbinți și dense ale universului, ci mai degrabă în generații anterioare de stele. Hoyle, împreună cu colaboratorii săi, Willie Fowler și Geoffrey și Margaret Burbidge, au detaliat exact cum elementele ar construi tabelul periodic prin fuziunea nucleară ce se produce în stele. Cea mai spectaculoasă a fost predicția fuziunii heliului în carbon printr-un proces care nu a fost niciodată anterior observat: procesul triplu-alfa, necesitând o nouă stare a carbonului pentru a exista. Această stare a fost descoperită de către Fowler câțiva ani după ce a fost teoretizată de Hoyle și este cunoscută sub numele de Starea Hoyle a carbonului. Din această teorie confirmată am învățat că toate elementele existente pe Terra în prezent își datorează originea tuturor generațiilor anterioare de stele.

Anii 1960 – După 20 de ani de dezbatere, observația cheie care va decide istoria Universului a fost dezvăluită: descoperirea acelei amprente energetice, rămășiță a Big-Bang-ului, sau Fondul Cosmic de Microunde. Această radiație uniformă cu valoarea 2,725K a fost descoperită în 1965 de către Anrno Penzias și Bob Wilson, nici unul dintre aceștia ne știind la început ce anume au descoperit. Însă, de-a lungul timpului, întregul spectru a acestei radiații și chiar și fluctuațiile sale au fost măsurate, arătând că universul totuși a început cu un !BANG.

Anii 1970 – La sfârșitul anului 1979, un tânăr om de știință a avut ideea vieții sale. Alan Guth, căutând o cale de rezolvare a unora dintre problemele neexplicate ale Big-Bang-ului – de ce universul era spațial atât de plat, de ce există aceeași temperatură în toate direcțiile și de ce nu sunt prezente relicve ale energiei ultra-înalte, a avut o idee strălucită, cunoscută sub numele de inflație cosmică. Aceasta spune că înainte ca Universul să existe într-o stare fierbinte și densă, se afla într-o stare de expansiune exponențială, în care toată energia era legată în țesătura spațiului însuși. Au fost necesare câteva îmbunătățiri alle ideilor inițiale ale lui Guth, pentru a crea teoria modernă a inflației, însă observațiile subsecvente – incluzând fluctuațiile din CMB, pe structura la scară largă a Universului și asupra felului în care galaxiile se formează și clusterizează – toate sunt confirmări ale predicțiilor teoriei inflației. Universul nu doar a început cu un BANG, ci a existat o stare anterioară producerii Big-Bang-ului.

Anii 1980 – S-ar putea să nu pară prea mult, dar în 1987, cea mai apropiată supernova în raport cu Terra s-a produs în peste 100 de ani. A fost, de asemenea, prima supernovă ce a survenit în momentul când dețineam detectori online capabili să identifice neutrini produși de aceste avenimente. În timp ce multe alte supernove au fost identificate în alte galaxii, nici un asemenea eveniment nu s-a produs atât de aproape, încât neutrinii să poate fi observați. Acești aproximativ 20 de neutrini marchează începutul astronomiei neutrinilor, iar descoperirile subsecvente au condus la descoperirea oscilațiilor, maselor acestora și a neutrinilor produși la distanțe mai mari de un milion de ani lumină. Detectorii actuali, în cazul următoarei supernova din galaxia noastră, ar putea detecta peste o sută de mii de neutrini.

Anii 1990 – Dacă vă gândiți că materia neagră și descoperirea modului în care Universul a început să existe au făcut mare vâlvă, atunci vă puteți imagina șocul produs în 1998 al descoperirii modului în care Universul se va sfârși. Istoric au fost imaginate trei asemenea modele pentru soarta universului: 1. expansiunea universului s-ar dovedi insuficientă în raport cu atracția gravitațională a întregului și universul va colapsa într-un Big-Crunch; 2. Expansiunea universului va fi prea mare pentru gravitația combinată a totului și disiparea în univers va fi infinită, rezultând într-un Big-Freeze (n.t. !”Iarna se apropie!”); 3. Ori ne aflăm la granița dintre cele două cazuri și rata de expansiune va scădea către zero, fără însă a atinge vreodată zero: universul critic.

Realitatea, însă, este că supernovele indepărtate îndică accelerarea expansiunii Universului prin îndepărtarea galaxiilor unele de altele. Nu numai că Universul va îngheța, dar toate galaxiile care nu sunt deja conectate unele de altele vor dispărea în cele din urmă dincolo de orizontul nostru cosmic. În afară de galaxiile grupului nostru local, nici o altă galaxie nu va interacționa cu Calea Lactee, iar soarta noastră va fi una rece și singuratică. Peste 100 de miliarde de ani nu vom mai putea vedea alte galaxii dincolo de galaxia noastră.

Anii 2000 – Descoperirea Fondului Cosmic de Microunde nu s-a încheiat în 1965, ci măsurătorile noastre asupra fluctuațiilor CMB au condus la descoperirea compoziției Universului. Imaginea modernă a Universului arată după cum urmează: 0,01% – radiație în forma fotonilor; 0,1% – neutrini, care contribuie la halourile gravitaționale ce înconjoară galaxiile și roiurile; 4,9% – materie obișnuită, ce include tot ce este compus din particule atomice; 27% – materie neagră, sau particulele misterioase, non-interactive – cu excepția gravitației, care dau Universului structura pe care o observăm; 68% – energie neagră, care este inerentă spațiului insuși.

Anii 2010 – Această decadă nu este încă încheiată, însă până acum deja au fost descoperite primele planete potențial locuibile, asemănătoare Terrei, printre miile de noi exo-planete descoperite de misiunea Kepler a NASA, printre altele. Cu toate acestea, cea mai mare descoperire a deceniului de până acum este însă detectarea directă a undelor gravitaționale prin intermediului sistemului LIGO, o confirmare epocală a imaginii asupra gravitației propusă de Einstein în 1915. La mai bine de un secol de când teoria lui Einstein a început competiția cu cea a lui Newton privind regulile gravitației în Univers, relativitatea generală a trecut toate testele de confirmare.

Povestea nu are sfârșit, pentru că sunt multe alte enigme în Univers și ceva-uri ce așteaptă a fi descoperite. Însă, acești 11 pași realizați într-un secol, ne-au facilitat înțelegerea, dinspre un univers cu o vârstă necunoscută, nu mai mare decât galaxia noastră, compus în mare parte din stele, către un univers în expansiune și răcire, a cărui motor este materia neagră, energia neagră și materia obișnuită, în care planetele locuibile ar putea fi nenumărate, un univers cu vârsta de 13,8 miliarde de ani, cu origine într-un Big-Bang, care în sine a fost produs prin inflație cosmică. Cunoaștem originea Universului nostru, soarta sa, cum arată astăzi și cum a ajuns să arate așa. Probabil că următorii 100 de ani vor conduce la multe alte salturi științifice, revoluții și surprize pentru noi toți.

Sursa: Forbes.com; By Ethan Siegel – contributor
Traducere și Adaptare: Ciprian Crișan


11 descoperiri care au modelat cunoașterea actuală
Versiune audio - via Ruxandra Munteanu

68% DIN UNIVERS AR PUTEA SĂ NU EXISTE – CONFORM UNEI NOI CERCETĂRI


Într-o nouă cercetare ce vizează un model alternativ al Universului în expansiune, oamenii de știință pun sub semnul întrebării existența energiei negre. Noul model, care regândește structura universului, ar putea schimba viitorul cercetării în fizică și ar putea rezolva misterul energiei negre.

MATERIE NEAGRĂ, ENERGIE NEAGRĂ

”Materia Neagră” este concepută a cuantifica 68 de procente din masa Universului, însă o echipă de cercetare ungaro-americană consideră că aceasta ar putea să nu existe de loc. Cercetătorii consideră că acest concept al energiei negre este cuplat pentru acoperirea unor goluri lăsate de modelele actuale ale universului, care altfel nu reușește să explice structura în schimbare a cosmosului. Odată ce modelul este corectat, golurile dispar și energia neagră nu mai este necesară în interiorul modelului.

Universul nostru este în expansiune de la momentul Big-Bang de acum 13,8 miliarde de ani. Legile lui Hubble oferă dovada cheie privind această expansiune. Legea statuează că – în medie – distanța dintre noi, o galaxie dată și velocitatea sa recesională – viteza cu care se îndepărtează de noi – sunt proporționale. Astronomii observă liniile din spectrul galaxiilor, pentru a măsura velocitatea recesională. Cu cât o galaxie se îndepărtează mai mult de noi, cu atât mai mult liniile spectrale sunt deplasate spre roșu. Toate acestea i-a condus pe cercetători să gândească că întregul univers este într-o expansiune constantă și că această expansiune trebuie să fi început de la un punct minuscul invizibil.

Mai târziu, astronomii au înțeles că au nevoie de mai mult, pentru a explica mișcarea stelelor în cadrul galaxiilor și asta i-a condus spre potențialul ”materiei negre” nevăzute. În cele din urmă, astronomii au observat supernovele Tip Ia, stele pitice albe explodând în sisteme binare, în anii 1990, și au ajuns la concluzia că 68% din masa Universului (sau masa lipsă) este compusă din energie neagră, care împreună cu cele 5 procente de materie obișnuită și cele 27 procente de materie neagră, reprezintă motorul expansiunii universului.

Noul studiu, condus de către Racz Gabor, student Phd la Universitatea Lorand Eotvos, sugerează o explicație alternativă pentru expansiunea universului. Echipa argumentează că modelele cosmologice convenționale ignoră structura universului și se bazează pe aproximări. Aceasta a condus la goluri inevitabile în aceste modele, iar energia neagră a fost chemată să acopere aceste goluri.

REFORMAREA DEZBATERII
Echipa de cercetători a reconstruit evoluția universului utilizând simularea computerizată pentru a modela felurile în care gravitația afectează distribuția milioanelor particule de materie neagră. Reconstrucția include formarea structurilor de mari dimensiuni și gruparea timpurie a materiei. Luând în considerare aceste structuri a fost produsă o simulare diferită de modelele convenționale, care arată universul într-o expansiune uniformă. Această nouă simulare este în acord cu modelele anterioare în care se arată o accelerare per ansamblu, dar în această simulare nouă, expansiunea universului este inegală, implicând expansiunea unor regiuni diferite din cadrul cosmosului cu rate diferite.

Echipa de cercetare argumentează în sprijinul teoriei lor că aceasta este bazată mai puțin pe aproximare sau ghicire și mai mult pe modelarea sonoră. Dr. Laszlo Dobos, co-autor al studiului a explicat această abordare pentru Societatea Astronomică Regală britanică: ”Noi nu punem sub semnul întrebării validitatea teoriei generale a relativității; dar ne întrebăm asupra validității soluțiilor aproximate. Ceea ce am găsit noi, se bazează pe o conjunctură matematică care permite expansiunea diferențială a spațiului, în acord cu relativitatea generală, și arată cum formarea structurilor complexe ale materiei afectează expansiunea. Aceste chestiuni au fost ținute până acum ascunse sub covor, însă ele pot explica accelerația expansiunii fără a avea nevoie de energia neagră.”

Dacă va fi susținută, această cercetare ar putea avea un impact semnificativ asupra cercetării în fizică și asupra modelelor universului. Timp de două decenii, fizicienii teoreticieni și astronomii au speculat asupra misterului nerezolvat al naturii energiei negre. Cu acest model revizuit, ar putea debuta o dezbatere interesantă în acest domeniu.

Sursa: corespirit.com

Traducere și adaptare: Ciprian Crișan

Articolul original: AICI


68% din Univers ar putea să nu existe - studiu nou
Versiune audio - via Ruxandra Munteanu