Universul așa cum îl știm noi a început cu un punct singular infinit de fierbinte și de dens, care s-a extins – la început cu viteze inimaginabile, apoi la o rată măsurabilă – în decursul următoarelor 13,8 miliarde de ani până la cosmosul de astăzi și continuă să se extindă. Aceasta este teoria Big Bang-ului, principala explicație a nașterii universului, care este acceptată de majoritatea cosmologilor și fizicienilor teoreticieni.
Dovezile care susțin această teorie sunt numeroase și convingătoare. De exemplu, știm că universul este în expansiune și în prezent, chiar cu o viteză mai mare.
Oamenii de știință au descoperit, de asemenea, amprenta termică prezisă a Big Bang-ului – radiația cosmică de fond, cu lungimi de undă din domeniul microundelor. Mai mult, nu observăm niciun obiect cosmic cu o vârstă mai mare de 13,8 miliarde de ani, ceea ce sugerează că universul s-a născut în acea perioadă.
”Toate acestea pun Big Bang-ul pe o fundație extrem de solidă”, spune astrofizicianul Alex Filippenko de la Universitatea Berkeley din California, S.U.A. ”Big Bang-ul este o teorie cu un succes enorm.”
Începuturile
Teoria Big Bang-ului postulează că universul a început cu o singularitate – un punct cu densitate și temperatură infinite, a cărui natură este dificil de înțeles de către mintea noastră. Cu toate acestea, acest lucru nu ar reflecta cu acuratețe realitatea, deoarece ideea singularității are la bază teoria relativității generale a lui Einstein.
Nu există niciun motiv să credem că teoria relativității generale s-ar aplica în cazul unei singularități, spune Sean Carroll, fizician teoretician la Caltech, deoarece aceasta nu i-a în considerare mecanica cuantică.
Așadar, începuturile universului nostru rămân învăluite în mister. Oamenii de știință cred că pot vedea istoria universului până la aproximativ 10-36 secunde (o trilionime dintr-o trilionime dintr-o trilionime dintr-o secundă) după Big Bang.
Până în acel punct, universul a suferit o perioadă de inflație extrem de scurtă și s-a extins cu o viteză mai mare decât cea a luminii. Și-a dublat dimensiunile de o sută de ori sau mai mult în câteva fracțiuni de secundă.
(Inflația pare a încălca teoria relativității restrânse, însă nu este cazul, spun oamenii de știință. Relativitatea restrânsă (sau relativitatea specială) spune că nicio informație sau materie nu poate călători între două puncte mai repede decât viteza luminii. Însă inflația a fost o expansiune a spațiului însuși.)
Acest univers aflat într-o expansiune rapidă era aproape lipsit de materie, însă găzduia cantități uriașe de energie întunecată. Aceasta este forța misterioasă despre care oamenii de știință cred că determină expansiunea actuală a universului.
În timpul inflației, energia întunecată a uniformizat universul și l-a accelerat. Însă ea nu a rămas mult timp în univers. ”A fost doar o energie întunecată temporară”, spune Carroll. ”Ea a fost convertită în materie și radiație obișnuite printr-un proces denumit ”reîncălzire”. Universul era rece în timpul inflației și a redevenit fierbinte după ce întreaga energie întunecată a dispărut.”
Oamenii de știință nu știu ce anume a declanșat inflația. Aceasta rămâne una dintre întrebările-cheie ale cosmologiei Big Bang-ului.
Big Bounce
Majoritatea cosmologilor consideră inflația ca fiind principala teorie pentru explicarea caracteristicilor universului, mai ales a faptului că acesta este relativ plat și omogen, cu aproximativ aceeași cantitate de materie răspândită în toate direcțiile.
Totuși, inflația nu este singura teorie care încearcă să explice structura universului. Teoreticienii au venit cu o altă teorie, denumită modelul ciclic, care are la bază mai vechiul concept de univers ekpirotic.
Această idee susține că universul nostru nu s-a format dintr-un singur punct, ci dintr-un alt univers care anterior s-a contractat. Dacă această teorie este adevărată, atunci universul nostru a suferit o succesiune nesfârșită de expansiuni și contractări.
Modelul ciclic postulează că universul nostru este format din 11 dimensiuni, dintre care numai patru sunt vizibile pentru noi (trei dimensiuni ale spațiului și timpul).
Universul pe care îl știm începe să prindă formă
Dar mai întâi, cum a apărut universul nostru din nimic? Cosmologii cred că cele patru forțe care guvernează universul – gravitația, electromagnetismul, forța nucleară puternică și forța nucleară slabă – erau unificate într-o singură forță la începuturile universului, datorită temperaturilor și densităților extreme implicate.
Însă acest lucru s-a schimbat pe măsură ce universul s-a extins și s-a răcit. Aproximativ în perioada inflației, probabil că forța nucleară puternică s-a separat. Apoi la zece trilionimi dintr-o secundă după Big Bang, forța electromagnetică și forța nucleară slabă au devenit și ele distincte.
Imediat după inflație, este posibil ca universul să fi fost umplut cu o plasmă fierbinte și densă. Dar după o microsecundă, el ar fi devenit suficient de rece pentru ca protonii și neutronii să se formeze.
La trei secunde după Big Bang, acești protoni și neutroni au început să fuzioneze, formând deuteriul (hidrogenul greu). Apoi atomii de deuteriu s-au unit, formând heliul.
Universul devine transparent
Atomii nou creați erau toți încărcați pozitiv, deoarece universul încă era prea fierbinte pentru a favoriza capturarea electronilor.
Însă acest lucru s-a schimbat la 380.000 de ani după Big Bang. Într-o epocă denumită recombinare, ionii de hidrogen și heliu au început să captureze electronii, formând atomii neutri din punct de vedere electric. Lumina se împrăștie semnificativ mai mult de pe protonii și electronii liberi, dar mult mai puțin de pe atomii neutri. Deci fotonii erau acum mult mai liberi să circule prin univers.
Recombinarea a modificat în mod dramatic aspectul universului; acesta s-a transformat dintr-o ceață opacă în mediul transparent pe care îl cunoaștem astăzi. Radiația cosmică de fond pe care o observăm astăzi datează din acea eră.
Totuși, universul a rămas destul de întunecat la mult timp după recombinare și a devenit cu adevărat luminos doar după ce primele stele au început să strălucească, la 300 de milioane de ani după Big Bang. Stelele au ajutat la anularea multora dintre realizările perioadei de recombinare. Aceste stele timpurii – și probabil că și alte surse misterioase – au produs suficientă radiație pentru scinda cea mai mare parte a hidrogenului din univers în protonii și electronii constituenți.
Acest proces, cunoscut sub denumirea de reionizare, pare să fi început la aproximativ un miliard de ani după Big Bang. Universul de astăzi nu este opac, așa cum era înainte de recombinare, deoarece el s-a extins foarte mult de atunci. Materia din univers este foarte diluată, iar interacțiunile care duc la împrăștierea fotonilor sunt relativ rare, spun oamenii de știință.
În decursul timpului, stele s-au adunat sub influența atracției gravitaționale pentru a forma galaxii, ceea ce a dus la din ce în ce mai multe structuri la scară largă în univers. Plantele s-au format în jurul stelelor noi, inclusiv al soarelui nostru. Iar în urmă cu 3,8 miliarde de ani, viața a prins rădăcini pe Pământ.
Ce a fost înainte de Big Bang?
Deși multe întrebări privind începuturile universului încă rămân fără răspuns, ceea ce a fost înainte de Big Bang constituie un mister și mai mare și mai dificil de descifrat.
Pentru început, întrebarea în sine ar putea fi un nonsens. Dacă universul s-a format din nimic, după cum susțin unele teorii, Big Bang-ul marchează momentul în care timpul însuși a început. În acest caz, nu există nimic care să poată fi definit ca ”înainte”, spune Carroll.
Însă alte concepte privind nașterea universului pot propune posibile răspunsuri. De exemplu, modelul ciclic sugerează că universul nostru aflat în expansiune a fost precedat de un univers contractat.
Vom ști vreodată?
Misiunea Planck a Agenției Spațiale Europene, care a orbitat Pământul între anii 2009 și 2013, a ajutat cosmologii să-și ajusteze ideile despre natura și originile universului nostru. Harta detaliată a radiației cosmice de fond realizată de sonda spațială Planck a dezvăluit că universul nostru, chiar dacă s-ar fi născut dintr-un univers precedent, este puțin probabil să se contracteze în viitor, spune astrofizicianul Dave Clements de la Imperial College London.
Utilizând datele misiunii Planck, oamenii de știință au putut ajusta estimările privind vârsta universului și cantitatea de materie vizibilă, materie întunecată și energie întunecată. Misiunea nu a dus la descoperirea unor surprize și a confirmat cea mai mare parte a teoriilor.
Totuși, rezultatele au ridicat anumite semne de întrebare. De exemplu, constanta Hubble, care descrie rata de expansiune a universului, apare puțin diferită atunci când este măsurată în universul îndepărtat, comparativ cu valoarea măsurată de Telescopul Spațial Hubble în cazul universului apropiat.
Toate aceste frânturi de informații ajută cosmologii să modeleze mai bine evoluția universului și să se apropie mai mult de obținerea unui răspuns în privința originii tuturor lucrurilor. Viitoarea misiune Euclid a Agenției Spațiale Europene, programată pentru anul 2023, este aștepată să facă mai mulți pași în această direcție.
Ce urmează?
Misiunea Euclid va studia modul în care clusterele și galaxiile sunt răspândite în univers la scară largă, pentru a ajuta astronomii să înțeleagă mai bine efectele energiei întunecate. Misiunea va mai studia fenomenul de lentilă gravitațională, în care traiectoria luminii este afectată de atracția gravitațională a obiectelor foarte masive. Deoarece peste 80% din materia din univers este invizibilă, tăria lentilei ar putea da astronomilor indicii despre distribuția materiei întunecate.
Alte piese ale puzzle-ului cosmic ar putea veni din studierea undelor gravitaționale, acele unde din spațiu-timp generate de coliziunea obiectelor supermasive, cum sunt găurile negre sau stelele neutronice.
Undele gravitaționale, spune Clements, trebuie să fi fost produse în timpul inflației – perioada de expansiune rapidă a universului de la începuturile existenței acestuia. Detectarea acestor unde primordiale și înțelegerea lor ar putea oferi perspective fără precedent în privința nașterii universului.
Sursa: Space.com.