Fotonii se „lungesc” pe măsură ce universul se extinde
După faimosul experiment Michelson-Morley din 1887, care a discreditat ideea de „eter”, ca mediu necesar pentru a explica propagarea undelor de lumină și după inventarea teoriei relativității de către Albert Einstein - ne-am trezit într-un univers în care spațiul nu mai este fix, ci „elastic”, iar timpul nu este imuabil, ci relativ, influențat de locul din univers.
Dar există totuși un sistem de referință fundamental care poate fi observat și la care te poți raporta oriunde ai fi în univers: radiația cosmică de fond.
Radiația cosmică de fond este o „mare” de fotoni prezentă în tot universul, cu o temperatură de 2,73 K, temperatură care scade pe măsură ce universul se extinde.
Cum a apărut radiația cosmică de fond
Imediat după Big Bang au apărut particulele elementare, cum ar fi quarcurile (care formează protonii şi neutronii din nucleul atomilor) ori electronii. Universul era foarte fierbinte, fiind un enorm accelerator de particule, funcţionând la energii imense.
Momentul în care universul avea vârsta de 10-43 secunde după Big Bang este numit timpul zero. Aceasta este așa-numita barieră Planck, dincolo de care, mergând spre zero, mecanica cuantică nu mai funcţionează.
În acest stadiu, care a început în Epoca Planck, universul a intrat într-o expansiune super-rapidă, exponenţială, cunoscută sub numele de inflaţie.
Quarcurile s-au combinat, formând protoni şi neutroni (care sunt cunoscuţi sub denumirea de barioni).
Ulterior neutrinii au scăpat din plasma formată din particule încărcate electric, începându-şi călătoria nesfârşită prin cosmos; fotonii au rămas, însă, captivi în această plasmă.
După ce universul s-a mai răcit, protonii şi neutronii s-au cuplat pentru a forma elemente uşoare, precum: hidrogenul, heliul şi litiul - un proces denumit nucleosinteza Big Bang.
La 380 de mii de ani după inflaţie supa de particule s-a răcit suficient pentru a permite electronilor să se ataşeze nucleelor şi să formeze atomi neutri din punct de vedere electric. În cadrul acestui proces - cunoscut sub numele de „recombinare” - fotonii au devenit liberi să călătorească prin univers. Radiația cosmică de fond reprezintă fotonii care s-au decuplat de plasmă la 380 mii de ani după nașterea universului.
Harta radiației cosmice de fond realizată cu ajutorul datelor colectate de Observatorul spațial Plank / ESA
Credit: wikipedia
Astăzi radiaţia cosmică de fond reprezintă una dintre cele mai valoroase instrumente pentru cosmologi, care cercetează, prin analiza acesteia, natura inflaţiei şi cauza asimetriei dintre materie şi antimaterie din univers.
De ce poate fi radiația cosmică de fond un sistem de referință universal?
Radiația cosmică de fond poate fi utilizată ca un sistem de referință universal pentru că ne putem raporta în mod precis la aceasta.
De exemplu, putem măsura (și chiar am făcut-o!) viteza relativă a galaxiei noastre în raport cu această radiație. Ne deplasăm cu circa 630 km/s în raport cu această radiație, stabilită ca sistem de referință.
Cum este posibil să stabilim viteza de deplasare în raport cu acești fotoni omniprezenți? Prin „efectul Doppler”, care permite descrierea schimbărilor în frecvenţa oricărui tip de sunet sau undă de lumină produse de sursa în mişcare faţă de un observator.
Cu alte cuvinte, detectând frecvența radiației cosmice de fond, radiație care ne „lovește” din toate direcțiile, putem stabili modul în care ne mișcăm noi în raport cu aceasta.
Pe măsură de universul s-a extins, spațiul în sine s-a extins. Una dintre consecințe a expansiunii universului este aceea că lungimea de undă a fotonilor care formează radiația cosmică de fond s-a mărit (ceea ce puteți vedea, în formă grafică, în prima imagine a articolului).
Am ajuns la final. Avem așadar „ceva” la care ne putem raporta în mod fundamental în acest univers complicat, chiar dacă nu reprezintă ceea ce credeam că era eterul: un fundal ultim al cosmosului.
