Universul. Istoria expansiunii Universului
Universul. Povestea Universului este una de proportii epice, dar deocamdata din acest film grandios lipsesc cateva din scenele importante de inceput. Astrofizicienii si astronomii au dezvoltat insa metode pentru a scoate la iveala detalii despre adolescenta Universului.
Universul – Astronomii au un mare avantaj in fata arheologilor: ei pot vedea trecutul. Viteza finita a luminii inseamna ca cu cat un obiect este mai indepartat, cu atat ii ia mai mult luminii sa ajunga la noi. O imagine inregistrata astazi de telescoapele noastre ne spune cum arata acel obiect in momentul in care si-a emis lumina.
Folosind cele mai puternice telescoape de pe Pamant si din spatiu, in prezent putem urmari istoria universului pana la momentul in care avea doar 500 de milioane de ani din viata sa de 13.7 miliarde de ani. Intre timp, o radiatie care a luminat cosmosul la 400 000 de ani dupa Big Bang ne ofera informatii importante asupra modului in care arata universul in timpul copilariei sale.
Universul – Acest univers copil este, asemanator unui nou-nascut, aproape lipsit de caracteristici, inca neposedand acele trasaturi care il vor da forma de-a lungul vietii. In momentul in care camerele noastre telescopice ii reiau povestea, totusi, ii putem recunoaste caracteristicile adulte – stelele, galaxiile si roiurile de galaxii deja ii populeaza cuprinsul.
Universul – Ce s-a intamplat intre aceste doua perioade, in timpul anilor adolescentei formative si turbulente? La aceasta intrebare s-a raspuns pentru mult timp prin simple presupuneri. In acest moment, totusi, multumita unei combinatii intre instrumentele noi si tehnicile observationale rafinate, piesele lipsa ale povestii universului sunt pe cale sa fie regasite cu ajutorul undelor radio.
Universul – Deja putem considera ca detinem o poveste aproximativa a adolescentei lipsa a universului. Indiciile sunt codate pe radiatia cosmica de fond, emisa dupa 400 000 de ani de la Big Bang. In aceasta „epoca a recombinarilor”, cosmosul s-a racit indeajuns de mult pentru ca protonii si electronii sa formeze hidrogenul neutru, care a imprastiat lumina in toate directiile. Variatiile minuscule in temperatura acestei radiatii arata ca atomii erau imprastiati neuniform, dar in gramajoare aproape imperceptibile. Atractia gravitationala, spune povestea noastra, a facut ca aceste mici grupari de particule sa se consolideze, sa creasca si intr-un final sa se transforme in stele. Aceste stele, la randul lor, au simtit o atractie mutuala, incetisor, de-a lungul a mai multe sute de milioane de ani formand galaxii din ce in ce mai mari.
Formarea Universului. Teoria Bing Bang
Universul – In timp ce se intampla asta, Universul a suferit o ultima schimbare: radiatia de inalta energie a descompus hidrogenul format in timpul epocii recombinarilor, eliberand electronii si protonii. Aceasta „epoca a reionizarii”, despre care se presupune ca s-a terminat la 700 de milioane de ani dupa Big Bang, a marcat maturizarea cosmosului catre forma pe care o vedem astazi.
Universul – Desi aceasta dezvoltare a subiectului pare a fi convingatoare, in absenta unor dovezi observationale, ramane doar o poveste spusa mult prea convingator. Multe detalii semnificative ale evolutiei universului raman vagi, iar si in unele cazuri complet obscure.
Universul – Pentru inceput, ce a produs primele galaxii? Primele stele, cineva ar putea crede. Dar primele stele trebuie sa fi avut o forma ciudata. Spre deosebire de cele din orice generatie ulterioara, ele s-au dezvoltat intr-un mediu primar constand numai din hidrogen si heliu, singurele elemente produse de Big Bang in cantitati mari. Reactiile nucleare din aceste stele de generatia 1 au creat elementele mai grele, cum ar fi carbonul, oxigenul si siliciul, care au format amestecul de elemente pentru generatia ulterioara de stele, din care face parte si Soarele nostru si, intr-un final, pentru planeta noastra si noi insine.
Universul – Din ceea ce putem spune, aceste prime stele erau monstri de 100 de ori mai masivi decat Soarele nostru, care traiau intr-un ritm rapid, luminau stralucitor si mureau dupa doar cateva milioane de ani. Era aceasta perioada destul de lunga pentru a-si putea forma propriile galaxii sau macar pentru a influenta un atare proces ori totul se datoreaza urmasilor lor mai putini spectaculosi care s-au bucurat in premiera de siguranta si stabilitate?
Monstrii cosmici care au supravietuit in zilele noastre prezinta, de asemenea, enigme. Centrul Caii Lactee si orice galaxie asemenea ei, pare a gazdui o gaura neagra cu masa a milioane sau chiar a miliarde de sori. Cum au ajuns acestea atat de mari? O teorie spune ca au inceput de la a fi de dimensiunea unei stele, produse atunci cand stelele masive au explodat si apoi s-au contractat sub influenta propriei gravitatii, crescand ulterior incet, prin atragerea gazelor si a stelelor din apropiere.
Universul – Totusi, o gaura neagra supermasiva tipica ar avea nevoie de o perioada mai mare decat varsta universului pentru a putea inghiti destul material. O teorie alternativa sustine ideea ca ele pur si simplu s-au nascut mari, fiind produse direct prin colapsul gravitational al unor cantitati uriase de gaz primordial.
Gaura Neagra in Univers
Universul – Iar epoca reionizarii a fost produsa de lumina ultravioleta provenind de la primele stele sau de catre razele X emise de aceste gauri negre atunci cand se hraneau? Calea Lactee este un produs al trecutului intunecat al Universului, deci atunci cand punem aceste intrebari trebuie sa ne reinvestigam originile.
Universul – Am putea gasi raspunsuri prin construirea unor telescoape mai mari si de mai mare sensibilitate pentru a putea privi si mai mult inapoi inspre Big Bang. In viitorul apropiat, cel putin, aceasta metoda ne poate oferi doar informatii partiale: obiectele care ne intereseaza sunt atat de indepartate incat si cele mai impresionante telescoape proiectate la momentul de fata nu ne-ar putea oferi decat informatii sumare.
O varianta la acest scenariu este sa capturam emisiile radio din atomii de hidrogen. Hidrogenul neutru a fost o caracteristica abundenta, in conditiile unei imprastieri difuze, a cosmosului intre epocile recombinarii si cea a reionizarii si acesta emite un semnal slab, indicator al prezentei sale. Electronul si protonul din fiecare atom actioneaza asemenea unor magneti care pierd energie prin „rotatie” astfel incat momentele lor magnetice, sau spinul, prezinta directii diferite. Atunci cand un atom se roteste, el elibereaza energie sub forma unui foton cu o lungime de unda radio de 21 de centimetri. In mod asemanator, un atom de hidrogen poate ajunge intr-o stare de mai mare energie prin absorbtia unui foton cu aceeasi lungime de unda.
Universul – Oricum ar fi, emisia sau absorbtia radiatiei de 21 de centimetri este un semn sigur al prezentei atomilor de hidrogen. Pentru ca hidrogenul este ionizat de radiatia de inalta energie, fie provenind de la stele care stralucesc puternic, fie de la gaurile negre galactice supermasive, harta locurilor in care exista hidrogen ne-ar putea oferi o imagine detaliata a locurilor in care nu exista stele si galaxii.
Universul – Semnalul hidrogenului a fost prezis de astronomul olandez Hendrik van de Hulst in 1942 si receptionat pentru prima data in 1951 de Harold Ewen si Edward Purcell, care au plasat o antena speciala (antena-palnie) la fereastra departamentului de fizica de la Universitatea Harvard. De atunci, acel tip de antena a fost folosit pentru a detecta hidrogenul cald din galaxia noastra si din cele apropiate – de exemplu, pentru a masura variatiile Doppler catre o lungime de unda mai inalta sau mai joasa si astfel sa aflam care galaxii se apropie si care se indeparteaza de noi.
Universul – O variatie similara celei datorate efectului Doppler poate fi utilizata pentru a inregistra evolutia hidrogenului in universul timpuriu. Odata cu expansiunea universului, are loc si expansiunea lungimii de unda a radiatiei care il parcurge. Cu cat o anumita regiune este mai indepartata si in consecinta plasata mai timpuriu in timpul cosmic, cu atat lungimea de unda a radiatiei respective creste. Aceasta ne permite sa cartografiem hidrogenul antic in trei dimensiuni: primele doua reprezentand pozitia pe cer si, prin configurarea receptoarelor noastre pe diferite lungimi de unda, o a treia care este corespunzatoare distantei sau timpului.
Universul – Rezultatul este un film al anilor lipsa ai universului care poate confirma sau infirma imaginea teoretica generala si poate raspunde la multe intrebari capcana. Detaliile fine din modelul semnalului de 21 de centimetri ar trebui sa dezvaluie daca stelele de prima generatie au fost o caracteristica de lunga durata in evolutia galaxiilor sau doar intamplari de moment care au loc numai o data, fara a se mai repeta. Diferite modele de ionizare sunt asteptate sa apara din studiul emisiilor de raze X si ultraviolete, astfel incat acestea ar trebui sa ne spuna daca stelele sau gaurile negre au fost principalii agenti ai reionizarii. Daca gaurile negre au avut un rol semnificativ, marimea bulelor ionizate din jurul acestora ar trebui sa ne arate daca ele s-au nascut cu dimensiuni impresionante sau au crescut prin acretie.
Universul – Indicii utile pentru o serie de probleme din fizica particulelor elementare ar putea fi continute in noile radiografii ale hidrogenului (Vezi mai multe in paragraful „Vizibil in spectrul undelor radio”). De ce nu am facut asa ceva mai demult? Pur si simplu nu era fezabil din punct de vedere tehnic. Emisiile de hidrogen din primul miliard de ani dupa Big Bang sunt extinse sub forma unor lungimi de unda de aproape 2 metri, de cateva milioane de ori mai mari decat o lungime de unda tipica. Cu cat este mai mare o lungime de unda, cu atat mai mare este nevoie sa fie acel telescop necesar pentru a o captura in rezolutia necesara. Pentru acel tip de radiotelescop care apare in mintea celor mai multi oameni – o farfurie de satelit supradimensionata – marimea devine rapid imposibil de mare. Cel mai mare radiotelescop individual, o farfurie avand 305 metri in diametru construita langa un munte de langa Arecibo, Puerto Rico, nu ajunge nici pe departe la sensibilitatea necesara.
Observatorul Arecibo – Puerto Rico
Universul – Acesta este motivul pentru care noile generatii de radiotelescoape au o abordare diferita. Intr-un telescop optic, fotonii sunt in general separati pe o distanta mai mare decat lungimile lor de unda. Telescopul este in fapt doar o galeata in care colectam fotonii individuali pentru a-i putea numara. In schimb, intr-un radiotelescop fotonii care vin de la o sursa indepartata se suprapun si sunt inregistrati ca o singura unda continua. Aceasta unda poate fi esantionata in puncte diferite de antene radio de mica dimensiune distribuite pe o suprafata vasta, dupa modelul in care un semnal audio este esantionat in timp, pentru a-l putea transforma intr-o inregistrare digitala, iar esantioanele combinate de algoritmi de calculator intr-un singur semnal coerent.
Un astfel de receptor, radiotelescopul gigant Metrewave dotat cu 30 de antene din India, functioneaza inca din 1996, dar s-a dovedit a fi prea mic: a fost proiectat intr-o era infometata dupa date in care credeam ca exista mai mult hidrogen in univers decat in fapt era cazul. Cu cat exista mai multe antene intr-o zona data, cu atat este mai mare sensibilitatea telescopului. Cu cat este mai mare „baza” telescopului – distanta maxima de pamant acoperita de antene – cu atat pot fi mai mici obiectele indepartate pe care le poti observa. Sa ne imaginam mai multe mii de antene TV conectate la un supercomputer si obtii o imagine precisa a seriei de receptoare radio cu o lungime de unda uriasa care sunt pe cale sa ne clarifice perspectiva asupra trecutului spatiului cosmic indepartat.
Universul – Aceste receptoare totusi nu ne usureaza cu totul munca. Ionosfera Pamantului interfereaza cu undele radio atunci cand acestea o traverseaza, distorsionand pozitia si forma surselor si creand un efect asemanator incercarii de a realiza astronomia optica de pe fundul unei piscine de inot. Acest fapt trebuie sa fie corectat prin corelarea coordonatelor provenite de la o retea de „pulsari” radio, stele neutronice rotative rapide care trimit semnale de radiatie regulate inspre noi. Sursele de unde radio individuale stralucitoare si emisiile radio difuze din galaxia noastra, care sunt de 10 000 de ori mai stralucitoare decat semnalul cosmic antic, trebuie sa fie indepartate, ca sa nu mai mentionam sunetul deranjant al propriilor noastre transmisii radio.
Universul – Uneltele teoretice si computationale necesare pentru a depasi astfel de dificultati sunt la momentul de fata pe pozitie si prima detectie definitiva a hidrogenului provenind din epoca reionizarii este asteptata sa aiba loc in urmatorii cinci ani. Aceste prime imagini vor fi inca un pic neclare. Pentru o perspectiva si mai fina, toate sperantele se vor indrepta catre Square Kilometre Array (SKA) a carei constructie este asteptata sa inceapa in Africa de Sud si in Australia de Vest in 2016. Portiunea responsabila cu lungimea mare de unda (de joasa frecventa) din SKA, asteptata sa fie gata in Australia in jurul anului 2020, va consta din aproximativ 1 milion de antene radio, cu o zona de colectare de 1 kilometru patrat, va fi conectata la unul din cele mai rapide supercomputere ale lumii.
Toate acestea ar trebui sa ne ajute sa descifram natura primelor galaxii care s-au format in primele cateva sute de milioane de ani dupa Big Bang.
Square Kilometre Array – (SKA) Africa de Sud – proiect
Universul – Privind si mai departe, NASA examineaza posibilitatea unor experimente pentru lungimea de unda de 21 de centimetri pe partea intunecata a Lunii, astfel evitand problemele atat cu ionosfera Pamantului, cat si cu activitatea undelor radio umane. Ideea nu este chiar atat de complexa pe cat suna. La urma urmelor, in comparatie cu plasarea unui telescop conventional ultra dimensionat cu oglinzi pe orbita, un receptor radio simplu ar putea consta numai din cateva fire conectate la un supercomputer si la o sursa de energie. Nu prea costisitor pentru cea mai de pret inregistrare a istoriei Universului.
Emisiile radio cu lungimea de unda de 21 de centimetri ale hidrogenului ar trebui sa lumineze adolescenta intunecata a universului, dar ele ne pot ajuta si sa raspundem la unele intrebari mai profunde.
Universul – Ce a provocat inflatia?
Observatiile asupra lungimii de unda de 21 de centimetri masoara in definitiv variatiile densitatii cosmice aparute in timpul perioadei de inflatie, o expansiune uluitoare a spatiului care se presupune a fi avut loc dupa o secunda de la Big Bang. Radiatia de microunde a universului ne ofera doar o proiectie 2D a acestei fluctuatii la 400 000 de ani dupa Big Bang. Observatiile pe 21 de centimetri ne vor oferi o sursa de informatie 3D mult mai bogata asupra modului in care fizica exista in conditiile dense si extrem de calde de atunci, mult dincolo de ceea ce s-a putut obtine in acceleratoarele de particule construite pana acum.
Universul – Cat de masive sunt particulele neutrino?
Masa particulelor neutrino poate parea a fi o surpriza daca privim din perspectiva Modelului Standard a fizicii particulelor, dar totusi ea exista, desi este mica si pe moment inca nemasurata. Caracterizarea acestor particule greu de detectat este importanta pentru intelegerea fizicii dincolo de Modelul Standard, dar acest proces este frustrant atunci cand folosesti detectoare aflate pe Pamant. Masurarea influentei pe care o au asupra formarii structurilor din Univers este o alta varianta, una extrem de eficienta. Trecerea particulelor neutrino netezeste procesul de distributie a materiei si masura in care are loc acest proces de netezire la momente diferite ne spune cat de departe si cat de rapid au calatorit particulele neutrino dupa Big Bang, si astfel ne dezvaluie si masa lor.
Universul – Ce este materia intunecata?
Materia intunecata invizibila este considerata a forma aproximativ 80 la suta din materia cosmica si existenta ei este necesara pentru a putea explica de ce galaxiile se rotesc atat de repede pe cat o fac. Cele mai multe particule postulate a fi materie intunecata se pot anihila una pe cealalta, eliberand energie si incalzind mediul inconjurator. Aceasta ar lasa o urma in radiatia de 21 de centimetri a hidrogenului, astfel incat masurarea modelului sau la inceputul cosmosului ne va arata unde se afla materia intunecata – si posibil ne va dezvalui natura acesteia.
Sursa: Newscientist.com
- Machu Picchu – Leaganul civilizatiei incase - 15 aprilie 2018
- Inventii care ne-au marcat: Roata. Cine, cand si cum a inventat-o - 2 aprilie 2018
- Samsung Galaxy S7: Cum va arata el, VIDEO si specificatii tehnice - 26 februarie 2016
