Big-Bang, teoria nasterii Universului

Cerul noptii prezinta celor ce îl privesc imaginea unui Univers calm si neschimbator. Descoperirea din 1929 a lui Edwin Hubble, conform careia Universul este în expansiune, a revolutionat întelegerea acestuia. Galaxiile din afara Caii Lactee se îndepartau…

Galaxiile se îndepartau de noi cu o viteza proportionala cu distanta pâna la noi. Imediat Hubble a realizat ca acest lucru înseamna ca la un moment dat în timp (se considera ca acum circa 14 miliarde de ani) întreg Universul consta dintr-un singur punct. Universul trebuie sa se fi nascut în urma acestui eveniment violent, cunoscut sub denumirea de “Big Bang” (Marea Explozie).

Big-Bang, teoria nasterii Universului

Astronomii au combinat modele matematice cu observatii pentru a dezvolta teorii functionale despre modul în care Universul a ajuns astfel. Bazele matematice ale teoriei Big Bang includ teoria generala a relativitatii a lui Albert Einstein, împreuna cu teoria standard a particulelor fundamentale. În zilele noastre, navele spatiale NASA, Telescopul Spatial Hubble si Telescopul Spatial Spitzer continua munca lui Edwin Hubble masurând expansiunea Universului. Unul dintre obiective a fost acela de a determina daca Universul va fi în expansiune pentru totdeauna sau daca într-o zi se va opri, îsi va schimba directia si va colapsa într-un “Big Chrunch” (Marea Implozie).

Radiatia cosmica de fond

Conform teoriilor din fizica, daca observam Universul la o secunda dupa Big Bang, ceea ce am vedea ar fi un „ocean” de neutroni, protoni, electroni, antielectroni (pozitroni), fotoni si neutrino cu temperatura de 10 miliarde de grade. Apoi, odata cu trecerea timpului, am observa Universul racindu-se, fiecare neutron descompunându-se în protoni si electroni sau combinându-se cu protonii pentru a forma deuteriul (un izotop al hidrogenului). În timp ce continua sa se raceasca, Universul va ajunge în cele din urma la temperatura la care electronii s-ar combina cu nuclee pentru a forma atomii neutri din punct de vedere electric. Înainte ca aceasta recombinare sa apara, Universul ar fi fost opac, deoarece electronii liberi ar fi obligat lumina (fotonii) sa se împrastie, la fel cum se întâmpla cu lumina Soarelui la contactul cu picaturile de apa din compozitia norilor. Dar când electronii liberi au fost absorbiti pentru a forma atomii neutri, dintr-o data universul a devenit transparent. Aceiasi fotoni, urmarea exploziei Big Bang, numiti radiatia cosmica de fond, pot fi observati si astazi.

Un premiu Nobel pentru NASA

NASA a lansat doua misiuni pentru a studia radiatia cosmica de fond, facând poze ale Universului în “copilaria” acestuia, la numai 400.000 de ani de la momentul „nasterii” sale. Prima misiune a fost satelitul de Explorare Cosmica de Fond (Cosmic Background Explorer, COBE). În 1992, echipa COBE a anuntat ca au realizat harta punctelor fierbinti si reci în cadrul radiatiei cosmice de fond. Aceste puncte sunt corelate cu câmpul gravitational din Universul timpuriu si formeaza „semintele” grupurilor de galaxii ce se întind sute de milioane de ani-lumina de-a lungul Universului. Aceasta munca le-a adus Dr. John C. Mather, membru NASA si lui George F. Smoot de la Universitatea din California Premiul Nobel pentru Fizica în anul 2006.

NASA Scientist, Dr. John C. Mather shows some of the earlist data from the NASA Cosmic Background Explorer (COBE) Satellite during a pressconference held at NASA Headquarters in Washington, DC.  Dr. Mather was awarded the 2006 Nobel Prize for Physics today October 3, 2006. Photo Credit: "NASA/Bill Ingalls"
John C. Mather

A doua misiune care a examinat radiatia cosmica de fond a fost Sonda Wilkinson pentru Masurarea Anizotropiei Microundelor Cosmice (WMAP). Cu o rezolutie mult îmbunatatita în comparatie cu COBE, WMAP a examinat în detaliu întreg cerul, masurând diferentele de temperatura din cadrul radiatiei microundelor care este distribuita aproape uniform de-a lungul si de-a latul Universului. Comparând aceste dovezi cu modelele teoretice ale Universului, oamenii de stiinta au stabilit ca Universul este plat, însemnând ca, la scara cosmica, geometria spatiului se supune regulilor geometriei euclidiene (ex: dreptele paralele nu se întâlnesc niciodata; raportul dintre circumferinta cercului si diametrul sau este pi, etc.).

Dr. John C. Mather de la Centrul de Zbor Spatial Goddard NASA a câstigat în 2006 Premiul Nobel pentru Fizica, acordat de Academia Regala Suedeza pentru stiinta. Mather a împartit premiul cu George F. Smoot de la Universitatea California, pentru colaborarea lor în întelegerea Big Bang-ului.

Inflatia

O problema care a aparut odata cu rezultatele originale ale COBE si a persistat chiar si dupa primirea datelor de înalta rezolutie WMAP, a fost aceea ca Universul este prea omogen. Cum au putut parti ale Universului, care nu au fost niciodata una în contact cu cealalta, sa ajunga la un echilibru, cu o temperatura identica? Aceasta si alte probleme cosmologice ar putea fi rezolvate, totusi, daca ar fi existat o perioada foarte scurta imediat dupa Big Bang când Universul sa fi experimentat o incredibila dezlantuire a expansiunii numita “inflatie”. Pentru ca aceasta inflatie sa fi avut loc, Universul, în timpul Big Bang-ului, ar fi trebuit sa fie umplut cu o forma instabila de energie a carei natura este înca necunoscuta.

Big-bang teoria

Indiferent de provenienta ei, modelul inflationist prezice ca energia primordiala ar fi inegal distribuita în spatiu, din cauza unui zgomot cuantic care a aparut când Universul era extrem de mic. Acest model ar fi fost transferat materiei din Univers si fotonilor ce începusera sa se împrastie liberi în momentul recombinarii. Ca urmare, noi ne-am astepta sa vedem, si asta chiar se întâmpla, acest tip de model în imaginile venite de la COBE si WMAP.

Dar toate acestea nu raspund la întrebarea: ce a provocat inflatia? O piedica în gasirea raspunsului consta în aceea ca inflatia s-a încheiat cu mult înaintea recombinarii, asadar opacitatea Universului înaintea recombinarii este, de fapt, o cortina desenata peste aceste interesante evenimente timpurii. Din fericire, exista o cale de a observa Universul în timpul în care nu producea deloc fotoni. Undele gravitationale, singura forma de informatie care poate ajunge pâna la noi nedeformata din momentul Big Bang-ului, pot transporta informatii pe care nu le putem obtine prin alte metode. Doua misiuni ce sunt luate în considerare de NASA, LISA (Laser Interferometer Space Antenna) si Observatorul Big Bang (Big Bang Observer), vor cauta undele gravitationale din perioada inflatiei.

Harta WMAP a temperaturii radiatiei cosmice de fond arata mici variatii (de câteva micrograde) ale temperaturii spatiului cosmic, aproximativ egala cu 3K. Locurile fierbinti sunt colorate în rosu, iar cele reci în albastru închis.

Energia întunecataIstoria_universului_scientia.ro

În timpul anilor de dupa misiunile Hubble si COBE, imaginea oamenilor de stiinta despre Big Bang a devenit treptat mai clara. Dar în 1996, observatiile asupra supernovelor îndepartate au impus schimbari dramatice ale acestei imagini. Se presupusese ca masa Universului va încetini rata de expansiune. Masa creeaza gravitatia, gravitatia genereaza atractie, atractia trebuie sa încetineasca extinderea.

Dar observatiile supernovelor au demonstrat ca extinderea Universului, în loc sa se desfasoare într-un ritm din ce în ce mai lent, este una accelerata. Ceva, diferit de materie si de energia obisnuita, împinge galaxiile departe una de cealalta. Aceasta forta misterioasa a fost numita “energie întunecata”, dar alegerea acestui nume nu înseamna ca o si întelegem. Daca energia întunecata este o forma de fluid dinamic, pâna acum necunoscut fizicii, daca este o proprietate a vidului sau daca vine dintr-o modificare a relativitatii generale, nu este înca cunoscut.

scientia.ro

Bogdan

Per aspera ad astra