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

CUM VOR ARĂTA PRIMELE FOTOGRAFII ALE UNOR GĂURI NEGRE?

Această imagine în formă de semilună se potrivește cel mai bine observațiilor asupra lui Sagittarius A, gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei noastre - conform unui studiu din ianuarie 2013. CREDIT: Kamruddin/Dexter

Această imagine în formă de semilună se potrivește cel mai bine observațiilor asupra lui Sagittarius A, gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei noastre – conform unui studiu din ianuarie 2013. CREDIT: Kamruddin/Dexter

O gaură neagră gigantă este considerată a se afla în centrul galaxiei noastre Calea Lactee, dar nu a fost niciodată văzută. Acum astronomii oferă o predicție privind cum vor arăta primele fotografii ale unor găuri negre ce vor fi făcute cu o tehnologie care va fi perfectată foarte curând.

În particular – cercetătorii au ajuns la concluzia că acele imagini ale unei găuri negre – mai precis granițele acestora – vor avea o formă de semilună – mai degrabă decât forma de pată de cerneală ce este de obicei promisă.

Prin modelarea aspectului probabil al acestor imagini, cercetătorii spun să se pregătesc să interpreteze fotografiicel ce vor deveni curând disponibile prin intermediul telescoapelor aflate acum în construcție.

”Nimeni nu a reușit să surprindă o imagine a unei găuri negre”, a precizat Ayman Bin Kamruddin, student la Universitatea Berkeley din California, care a prezentat un poster al cercetării acum două săptămâni, la Long Beach – California – la a 221-a intâlnire a Societății Astronomice Americane. ”Până acum a fost imposibil pentru că găurile negre sunt prea mici pe cer. Chiar acum obținem ceva detalii despre structură, dar nu avem încă o imagine”.

Găurile Negre sunt invizibile în sine, desigur, deoarece nici chiar lumina nu poate scăpa din capcanele sale gravitaționale. Cu toate acestea, granițele unei găuri negre – punctul fără întoarcere numit orizontul evenimentului – ar trebui să fie vizibil prin radiația emisă de materia prăbușită în gaura neagră.

”Împrejurimile imediate ale unei găuri negre au o mulțime de evenimente fizice interesante ce se derulează acolo și sunt emițătoare de lumină”, a spus Kamruddin. ”Tehnic vorbind, nu vedem exact gaura neagră, dar obținem o rezolvare efectivă a orizontului evenimentului”.

Un nou proiect numit ”Event Horizon Telescope” combină puterea de rezoluție a numeroase antene ale unei rețele mondiale de telescoape radio pentru a ”vedea” obiecte care altfel ar fi prea mici pentru a le urmări.

”Telescopul Event Horizon este primul instrument capabil să rezolve scalări comparabile cu dimensiunea unui orizont al evenimentului unei găuri negre”, a precizat colaboratorul lui Kamruddin la Universitatea Berkeley, astronomul Jason Dexter. ”Există o șansă destul de mare să obținem primele asemenea imagini în următorii cinci ani”.

Telescopul Event Horizon deja a obținut câteva măsurători preliminare ale obiectului numit Sagittarius A din, situat în centrul galaxiei Calea Lactee.

Kamruddin și Dexter au comparat aceste informații cu diverse modele fizice și au găsit că imaginile se potrivesc cel mai bine sunt cele cu aspect de semilună, mai degrabă de cât formele ciculare cumite ”Gaussiene asimetrice” ce au fost folosite anterior în modele.

Forma de semilună iese din gogoașa plată, numită disc de acumulare, format din materia ce orbitează o gaură neagră în drumul său spre prăbușire. Pe măsură ce gazul se rotește în jurul găurii negre, o parte a discului devine vizibilă dinspre Terra și lumina sa devine mai strălucitoare datorită unui proces numit pulsare Doppler. Cealaltă parte, reprezentând gazul îndepărtat, devine mai vagă, datorită acestui efect.

În centrul semilunei este un cerc întunecat numit umbra găurii negre, care reprintă gaura neagră în sine – un obiect incredibil de dens, unde spațiiul-timpul are proprietăți speciale.

”Există un fenomen de îndoire extremă a luminii datorată relativității generale și câmpului gravitațional extrem de puternic”, spune Kamruddin.

Cunoscând că acest modelu de semilună se potrivește cel mai bine cu informațiile culese – cercetătorii pot alege între diferitele modele ce descriu fizica evenimentelor din jurul găurii negre. În cele din urmă astronomii speră să poată utiliza primele fotografii ale obiectului Sagittarius A pentru a putea estima masa gingantei găuri negre din centrul galaxiei noastre.

”Chiar și numai obținerea unei imagini în sine este extraordinară”, a spus Kamruddin. ”Aceasta va oferi confirmarea directă a evenimentului orizontului, care a fost prezis dar nimeni de fapt nu l-a văzut. Posibilitatea de a-l vedea s-ar putea concretiza în modificarea puțin a manualelor de fizică”.

 Sursa: Space.com

 

Mai multe găuri negre hoinare s-ar putea perinda prin galaxia noastră!

Avem de-a face cu o nouă teorie a găurii negre hoinare, care sperăm că nu va poziționa ziua judecății de apoi pe o nouă tangentă. Studii recente sugerează însă existența a sute de găuri negre masive rezultate în perioada timpurie a Universului în urma construcției galaxiilor, care s-ar perinda prin Calea Lactee. Astrofizicienii Ryan O’Leary  și Avi Loeb afirmă că găurile negre hoinare erau inițial poziționate în centrul galaxiilor minuscule, de masă scăzută. De-a lungul miliardelor de ani, acele galaxii pitice s-au zdrobit reciproc pentru a forma galaxii mari și întregi precum Calea Lactee. Ei au prezis de asemenea că Terra ar trebui să fie în siguranță, deoarece aceste găuri negre hoinare rezidă probabil la mii de ani lumină depărtare.

”Aceste găuri negre sunt relicve ale trecutului Căii Lactee”, a spus Loeb de la Centrul pentru Astrofizică Harward Smithsonian. ”Puteți spune că noi suntem arheologii care studiem acele relicve pentru a învăța despre istoria galaxiilor și despre istoria formării găurilor negre în universul timpuriu”.

Astronomii spun că dacă aceste găuri negre hoinare pot fi localizate, ele ar putea furniza indicii despre formarea Căii Lactee.

Teoria previzionează că de fiecare dată când două proto-galaxii cu găuri negre centrale intră în coliziune, găurile lor negre se unesc pentru a forma o unică gaură neagră relicvă. În timpul unificării, emisia direcțională a radiației gravitaționale ar putea genera un recul al găurii negre. O lovitură tipică ar direcționa cu viteză gaura neagră spre exterior destul de rapid cât să evadeze din galaxia pitică gazdă, dar nu destul de rapid cât să părăsească complet vecinătatea galactică. Ca rezultat, asemenea găuri negre ar putea fi în preajmă în zilele noastre în imediada vecinătate a haloului Căii Lactee.

Această teorie este oarecum similară cu altă teorie a găurilor regre hoinare, emisă de Universitatea Vanderbilt, unde o simulare a unui supercomputer a demonstrat faptul că coliziunea unor găuri negre create în clustere globulare vor fi aruncate din casa lor și lăsate să hoinărească prin galaxie. Astronomii le-au căutat ani de zile și după eforturi atât de intense, au reușit să identifice doar câteva tentative de candidate.

Însă Loeb și O’Leary afirmă că sute de asemenea găuri negre hoinare ar putea exista la periferia Căii Lactee, fiecare conținând masa a 1.000 – 100.000 de sori. Acestea ar fi dificil de identificat pentru că o gaură neagră este vizibilă numai când înghite sau agregă materie. Cu toate acestea, ar putea fi puse pe un semn indicator. Un cluster stelar înconjurător ar putea fi smus dintr-o galaxie pitică atunci când o gaură neagră evadează. Doar stelele cele mai apropiate de gaura neagră vor fi tractate cu ea, așa încât clusterul ar fi foarte compact.

Cu toate acestea, determinarea ar fi dificilă. Din cauza dimensiunii mici a clusterului pe cer, și aparența acestuia ca fiind o singură stea, astronomii ar trebui să privească cu mult mai multă atenție la indiciile existenței și originii acestuia. Spre exemplu, spectrul său ar putea arăta că stele multiple sunt prezente, acestea producând împreună linii spectrale largi.

Stelele din cluster s-ar mișca rapid, căile lor fiind influențate de gravitația găurii negre. O’Leary și Loeb afirmă că acum – dacă știu ce au de căutat, astronomii ar trebui să înceapă să scaneze cerul, în căutarea unei populații de clustere stelare compacte în haloul Căii Lactee.

Numărul găurilor negre hoinare din galaxia noastră va depinde de cât de multe blocuri de construcție proto-galactice au conținut găuri negre în miezul lor și cum aceste protogalaxii s-au unit pentru a forma Calea Lactee. Indentificarea și studierea lor pot oferi indicii importante asupra istoriei galaxiei noastre.

 Sursa: UniverseToday