Scientia

Cerul nopţii prezintă celor ce îl privesc imaginea unui Univers calm şi neschimbător. Descoperirea din 1929 a lui Edwin Hubble, conform căreia Universul este în expansiune, a revoluţionat înţelegerea Universului. Galaxiile din afara Căii Lactee se îndepărtau...

Galaxiile se îndepărtau de noi cu o viteză proporţională cu distanţa până la noi. Imediat Hubble a realizat că acest lucru înseamnă că la un moment dat în timp (se consideră că acum circa 14 miliarde de ani) întreg Universul consta dintr-un singur punct. Universul trebuie să se fi născut în urma acestui eveniment violent, cunoscut sub denumirea de “Big Bang” (Marea Explozie).

Astronomii au combinat modele matematice cu observaţii pentru a dezvolta teorii funcţionale despre modul în care Universul a ajuns astfel. Bazele matematice ale teoriei Big Bang includ teoria generală a relativităţii a lui Albert Einstein, împreună cu teoria standard a particulelor fundamentale. În zilele noastre, navele spaţiale NASA şi Telescopul Spaţial Hubble şi Telescopul Spaţial Spitzer continuă munca lui Edwin Hubble măsurând expansiunea Universului. Unul dintre obiective a fost acela de a determina dacă Universul va fi în expansiune pentru totdeauna sau dacă într-o zi se va opri, îşi va schimba direcţia şi va colapsa într-un “Big Chrunch” (Marea Implozie).

Acest film arată istoria de circa 14 miliarde de ani a Universului, în 18 secunde. Veţi vedea ce se întâmplă cu materia într-o anumită zonă a Universului.
Filmul nu arată expansiunea Universului, pentru a fi mai uşor de urmărit.

Radiaţia cosmică de fond

Conform teoriilor din fizică, dacă observăm Universul la o secundă după Big Bang, ceea ce am vedea ar fi un "ocean" de neutroni, protoni, electroni, antielectroni (pozitroni), fotoni şi neutrino cu temperatura de 10 miliarde de grade. Apoi, odată cu trecerea timpului, am observă Universul răcindu-se, fiecare neutron descompunându-se în protoni şi electroni sau combinându-se cu protonii pentru a forma deuteriul (un izotop al hidrogenului). În timp ce continuă să se răcească, Universul va ajunge în cele din urmă la temperatura la care electronii s-ar combina cu nuclee pentru a forma atomii neutri din punct de vedere electric. Înainte ca această recombinare să apară, Universul ar fi fost opac, deoarece electronii liberi ar fi obligat lumina (fotonii) să se împrăştie, la fel cum se întâmplă cu lumina Soarelui la contactul cu picăturile de apă din compoziţia norilor. Dar când electronii liberi au fost absorbiţi pentru a forma atomii neutri, dintr-o dată universul a devenit transparent. Aceiaşi fotoni – urmarea exploziei Big Bang: radiaţia cosmică de fond – pot fi observaţi şi astăzi.

Un premiu Nobel pentru NASA

NASA a lansat două misiuni pentru a studia radiaţia cosmică de fond, făcând poze ale Universului în “copilăria” acestuia, la numai 400.000 de ani de la momentul "naşterii" sale. Prima misiune a fost satelitul de Explorare Cosmică de Fond (Cosmic Background Explorer, COBE). În 1992, echipa COBE a anunţat că au realizat harta punctelor fierbinţi şi reci în cadrul radiaţiei cosmice de fond. Aceste puncte sunt corelate cu câmpul gravitaţional din Universul timpuriu şi formează "seminţele" grupurilor de galaxii ce se întind sute de milioane de ani-lumină de-a lungul Universului. Această muncă le-a adus Dr. John C. Mather, membru NASA şi lui George F. Smoot de la Universitatea din California Premiul Nobel pentru Fizică în anul 2006.

A doua misiune care a examinat radiaţia cosmică de fond a fost Sonda Wilkinson pentru Măsurarea Anizotropiei Microundelor Cosmice (WMAP). Cu o rezoluţie mult îmbunătăţită în comparaţie cu COBE, WMAP a examinat în detaliu întreg cerul, măsurând diferenţele de temperatură din cadrul radiaţiei microundelor care este distribuită aproape uniform de-a lungul şi de-a latul Universului. Imaginea arată o hartă a cerului cu regiunile fierbinţi colorate în roşu şi regiunile mai reci colorate în albastru. Comparând aceste dovezi cu modelele teoretice ale Universului, oamenii de ştiinţă au stabilit că Universul este plat, însemnând că, la scară cosmică, geometria spaţiului se supune regulilor geometriei euclidiene (ex: dreptele paralele nu se întâlnesc niciodată; raportul dintre circumferinţa cercului şi diametrul său este pi, etc.).

Dr. John C. Mather de la Centrul de Zbor Spaţial Goddard NASA a câştigat în 2006 Premiul Nobel pentru Fizică, acordat de Academia Regală Suedeză pentru Ştiinţă. Mather a împărţit premiul cu George F. Smoot de la Universitatea California, pentru colaborarea lor în înţelegerea Big Bang-ului.


Inflaţia

O problemă care a apărut odată cu rezultatele originale ale COBE şi a persistat chiar şi după primirea datelor de înaltă rezoluţie WMAP, a fost aceea că Universul este prea omogen. Cum au putut părţi ale Universului, care nu au fost niciodată una în contact cu cealaltă, să ajungă la un echilibru, cu o temperatură identică? Aceasta şi alte probleme cosmologice ar putea fi rezolvate, totuşi, dacă ar fi existat o perioadă foarte scurtă imediat după Big Bang când Universul să fi experimentat o incredibilă dezlănţuire a expansiunii numită “inflaţie”. Pentru ca această inflaţie să fi avut loc, Universul, în timpul Big Bang-ului, ar fi trebuit să fie umplut cu o formă instabilă de energie a cărei natură este încă necunoscută.

Indiferent de provenienţa ei, modelul inflaţionist prezice că energia primordială ar fi inegal distribuită în spaţiu, din cauza unui zgomot cuantic care a apărut când Universul era extrem de mic. Acest model ar fi fost transferat materiei din Univers şi fotonilor ce începuseră să se împrăştie liberi în momentul recombinării. Ca urmare, noi ne-am aştepta să vedem, şi asta chiar se întâmplă, acest tip de model în imaginile venite de la COBE şi WMAP.

Dar toate acestea nu răspund la întrebarea: ce a provocat inflaţia? O piedică în găsirea răspunsului constă în aceea că inflaţia s-a încheiat cu mult înaintea recombinării, aşadar opacitatea Universului înaintea recombinării este, de fapt, o cortină desenată peste aceste interesante evenimente timpurii. Din fericire, există o cale de a observa Universul în timpul în care nu producea deloc fotoni. Undele gravitaţionale, singura formă de informaţie care poate ajunge până la noi nedeformată din momentul Big Bang-ului, pot transporta informaţii pe care nu le putem obţine prin alte metode. Două misiuni ce sunt luate în considerare de NASA, LISA (Laser Interferometer Space Antenna) şi Observatorul Big Bang (Big Bang Observer), vor căuta undele gravitaţionale din perioada inflaţiei.

Poza Universului “în copilărie”. Harta WMAP a temperaturii radiaţiei cosmice de fond arată mici variaţii (de câteva micrograde) ale temperaturii spaţiului cosmic, aproximativ egală cu 3K. Locurile fierbinţi sunt colorate în roşu, iar cele reci în albastru închis.


Energia întunecată

În timpul anilor de după misiunile Hubble şi COBE, imaginea oamenilor de ştiinţă despre Big Bang a devenit treptat mai clară. Dar în 1996, observaţiile asupra supernovelor îndepărtate au impus schimbări dramatice ale acestei imagini. Se presupusese că masa Universului va încetini rata de expansiune. Masa creează gravitaţia, gravitaţia generează atracţie, atracţia trebuie să încetinească extinderea.

Dar observaţiile supernovelor au demonstrat că extinderea Universului, în loc să se desfăşoare într-un ritm din ce în ce mai lent, este una accelerată. Ceva, diferit de materie şi de energia obişnuită, împinge galaxiile departe una de cealaltă. Această forţă misterioasă a fost numită “energie întunecată”, dar alegerea acestui nume nu înseamnă că o şi înţelegem. Dacă energia întunecată este o formă de fluid dinamic, până acum necunoscut fizicii, dacă este o proprietate a vidului sau dacă vine dintr-o modificare a relativităţii generale, nu este încă cunoscut.

Textul este traducerea articolului The Big Bang, publicat pe site-ul NASA.
Traducerea: Anamaria Spătaru