Descrierea CIP a BibliotecII Nationale a Romniei MAY, BRIAN Bangl Istoria complet a Universului I Brian Patricl< Moare, Chris trad Liana Stan. -EnCiciopedl8 2007 Index ISBN 978-973-717-161-0 1. Mcore. Patrlck II. Llntott, Chris III. Slan, Llana ((rad.) 524.8

Bang! The Complete History of the Universe Text Palrick Moare and Duck Productions lImited 2006 Design Carlton Books lIllllted 2006

Editor Rabin Rees

Concepie grafic 8rian Smallwood

Diagrame James Symoncls

Editor de proiect Jullan Brlgstocke

Director artistic Harriet Athay

Grupul Edltonal RAO Str. Turda 117-119, sector 1, Bucuresti e-mail: office@raobooks.com wvv1N. raobooks.com WWIN.rao.ro

Bang! Istoria complet a Universului Enciclopedla RAO, 2007 pentru versiunea n limba romn

Trad ucere din limba englez Liana Stan

Oflce reproducere sau preluare partral sau integral, prin orice mrJloc, a textulur SI/saU a iconografiei lucrnl de fa este strict interzisa, acestea fiind propnetatea exclusiv a editorului

ISBN 978-973-717-161-0

Imaginea alturat. Galaxla sp!ral NGC 3370, vzut prin telescopul sp8lal Hubble Imaginea urmtoare. Mii de galaxii pot fi observate in aceast imagine a UniversuluI vzut prin telescopul Hubble Oeoc

BIG BANG TIMP DUP BIG BANG (OB)

t ) PREZENT INFINIT?

INTRODUCERE Atracia cerurilor

Privi n sus ntr-o noapte senin i vei vedea stele - sute, poate chiar 1T\li de stele, dac avei norocul s locuii departe de poluarea luminoas a oraelor moderne. Cerurile par cuprinse de flcri. Muli oameni tiu astzi c aceste puncte minuscule, sclipitoare sunt sori, muli dintre ei mult mai mare mai fierb11 i mai puternici dect al nostru, i c Pmntul pare o planet insignifiant, poate d)jar mai puin important in Universul vast dect un singur fir de nisip n deertul Sahara. Dar ce se ascunde ndrtul tuhlror acestor astre? Cum a aprut Universul? CUlTI evolueaz el i cum va sfri, dac ntr-adevr va disprea vreodat?

... Carul Mare Astronomii ncearc s rspLmd la aceste ntrebri i este cu adevrat remarcabil c nite Poate cea mai cunoscut dintre toate "constelatiile", fiine minuscule, care triesc pe o planet micu ce se mic n jurul unei stele banale, au Carul Mare nu este considerat de ctre astronomi fost capabile s scruteze profunzimile spaiului, s detecteze Iwnin venind din sisteme ca fiind o constelatie complet. Cuprinde cele mai stelare incredibil de ndeprtate i chiar s trimit aparate n alte lumi. Se prea poate ca strlUCitoare sapte stele ale Ursei Man (Ursa Major). alte civilizatii s fie mai avansate dect a noash, iar cunotinele noastre despre cosmos

ar putea fi considerate ptimitive, ns ca ras am nceput mcar s nelegem Universul n care trim. n lucrarea de fa vom ncerca s spunem povestea Universului ct putem de bine - ncepnd de la crearea lui, cu mult nainte ca Pmntul s existe, pn n prezent i

...... Rsritul Pmntului continund cu viitorul, cnd planeta noastr nu va mai fi nici mcar o amintire. Sunt multe Aceast fotografie cu autograf fcut din nava lucruri pe care nu le tim i pe care nu le vom ti, poate, niciodat, dar am progresat mult de spaial Apalla 8 i"a fost oferit lui Patrick chiar cnd strmoii notri au privit spre astre, aa cum facem noi azi, i s-au ntrebat ce sunt. de ctre comandantul misiunii, Frank Borman Trim n epoca de aur a astronomiei. Noile inshumente de observaie preCUlT\ telescopul n persoan. Apolla 8 a fost prima misiune spaial Hubble, care se deplaseaz pe orbit n jurul Pmntului dincolo de atmosfera care a transportat oameni pe fata nevzut a Lunii. lui ceoas, ar fi fost de nenchipuit cu doar cteva decenii n urm. Un alt factor esenial

pentru progresele uimitoare din ultimii cincizeci de ani au fost sistemele informatice tot mai performante pe care oamenii de tiin le-au avut la dispoziie.

... Un alt pas mic

Buzz Aldrin prsete modulul lunar pentru a psl

alturi de Neil Armstrong pe suprafaa Lunii.

. ,M-am dus s nchid parial trapa, aSlgurndu-m

c nu o ncui cnd ies", a spus el. "Te-ai gndit

bine", a rspuns Armstrong.

n nici un alt domeniu nu a existat recent Ul progres la fel de spectaculos ca n cosmologie - studiul evoluiei trecute, prezente i viitoare a Universului la scara cea mai mare. n secolul XX, majoritatea astronomilor au susinut mult vreme teza c Universul este static, uniform la scara cea mai mare i n mare msur neshimbtor n timp. Imaginea pe care o avem astzi despre Univers este cum nu se poate mai diferit .

Unde suntem? n povestea noastr avem de-a face cu distane intense i cu perioade de timp foarte mari. Pmntul, o sfer cu diametrul de aproximativ 12 800 km, se mic n jurul Soarelui la o distan de 150 000 000 km; el este una dintre cele nou planete care, mpretm cu alte corpuri mai mult sau mai puin nsemnate, formeaz sistemul solar.

Cele mai multe clintre aceste planete au satelii; si Pmntul arE' unul, bine-cunoscut, Luna, tovara noastr fidel n spaiu, care ne nsoete n cltoria n jurul Soarelui. Asemenea planete lor, ea shlucete penhu c reflect lumina Soarelui. Luna se afl la doar 400 000 km de noi, de aceea pare att de impuntoare. Este singun,ll obiect cosmic n afar de Pmnt pe care oamenii au ajuns, i nici unul dintre martorii aselenizrti din 1969 nu va uita vreodat senzaia de triumf pe care a simit-o cnd Neil Armstrong a fcut "un pas mic pentru [un] om, un pas uria pentru omenire" pe rocile sterpe ale Mrii Linitii de pe Lun.

Dar sistemul solar este un element nensemnat al Universului. Galaxia noastr, numit Calea Lactee, conine cel puin o sut de lniliarde de sori (n cartea de fa, un miliard este echivalent cu o mie de milioane) i tim c muli sori sunt nsoii de planete, dar nu tim dac pe aceste planete exist via, ca s nu mai vorbim de fiine inteligente.

18 introducerE

...... Nebuloasa Trifid (M20) Cu viteza luminii Nebuloasa Trifid este un nor urias de praf si gaze SteJele sunt departe. A ncerca s exprimm distantcle n kilom.etli elr fi 10. fel de greoi ca CI din care se formeaz stele. Filamentele strlucitoare exprima distzma dintre Londra i New York n centimetri, ns, din felicire, exist o unitate de viZibile n aceast imagine n Illfrarosu surprins msur J1iai bun pe care o putem folosi. Lumina nu cltorete instantclncu, ci se propag de telescopul spaial Spitzer sunt zonele unde se cu viteza de 300 000 km/s, astfei nct ntr-un an parcurge aproape 9,h mii de miliarde km. formeaz stele. Aceste zone nu pot fi vzute prin Aceast dis tan J fost numit an-lumin (o unitJtc de msur a distanei, nu a timpului). instlumente senSibile doar la lumina Vizibil. Cea mai apropiat stea de dincolo de Soare se afl la doar 4 ani-Iumin5 deprtare, iar

corpurile cereti cele mai ndeprtate nregistrate se afl la peste 12 miliarde de ani-lumin . ... Orion Vzute de la distane att de mari, stelele strlucesc ca nite puncte mici de lumin . Totusi, Cele mal strlucitoare stele ale acestei constelatii apiJrencle sunt neltoare; multe dintre stelele vizibile n orice noapte senin sunt mult magnifice, care se vd foarte bine iarna, au sugerat mai luminoasE' dect Soarele i mult mai mari. De exemplu, BetelgelLX din constelaia Orion, conlurul unui bIbat nc din timpuri preistorice; I aflat51a peslc 300 de ani-lumin, este enonT\. ntreaga orbit a Pm

Atractia cerurilor

pare roie pentru c este mai rece dect Soarele nostru, n timp ce Rigel- cealalt stea strlucitoare din constelaia Orion - este alb-albstmie i mult mai fierbinte dect Soarele, care este galben i are o temperatur i o mrime medii.

Isloria timpului Datorit distanelor mari dintre astre, cnd privim stelele lum parte la o cltorie n timp, fr s avem nevoie de o main a timpului ca a lui H.G. Wells sau de Tardis, cabi.na telefonic fantastic a lui Dr.lNho. Gndii-v la Suius, care noaptea este steaua cea mai strlucitoare de pe cer i poate fi observat mai multe luni n fiecare an. Este de 26 de ori mai puternic dect Soarele i se afl la o distan de 8,6 ani-lumin - adic aproximativ 80 de mii de miliarde km. Este nevoie de 8,6 ani penhu ca lumina ei s ajung la noi, astfel nct, dac ne uitm la aceast stea in 2007, o vedem aa cum arta n 1999.

Steaua Polar (Polaris), pe care o pot recunoate muli oameni (cu siguran toi navigatorii), se afl la o distan de aproximativ 400 de ani-lumin de noi. Lumina pe care o vedem venind dinspre ea acum a prsit aceast stea n jurul anului 1606 - i orice astronom care s-ar afla acolo i ar fi echipat cu un telescop suficient de puternic ar putea s priveasc spre Pmnt i s vad Anglia aa cum era pe vremea lui Shakespeare.

Lumina care ajunge acum la noi dinspre Rigel i-a nceput cltoria ctre noi n timpul Cruciadelor, recent dup standardele Universului n ansamblu. n prezent putem studia corpuri cereti care sunt att de departe nct le vedem aa cum erau cu mult nainte ca Pmntul s existe. Aceast cltorie n timp este esenial pentru a nelege Universul;

.... Telescopul spaial Hubble

Abia atingnd atmosfera Pmntului la 600 km nlime, acest telescop unic a revoluionat

cunotinele noastre despre Univers de la lansarea

lui n 1990.

....... Cvartetul lui Robert

Acest grup compact de patru galaxii se afl la

o distan,!! de aproximativ 160 de milioane de ani-lumin de Pmnt. Pe lng faptul c sunt

foarte frumoase, asemenea grupuri mici sunt

nite laboratoare excelente pentru studierea

interaciunilor ntre galaxll.

21

22

II- Privind n urm la Big Bang Privind n spatiu, privim pur si simplu n trecut

Lumina pe care o vedem venind dinspre planetele

din sistemul nostru solar sI-a nceput cltoria cu

doar cteva minute n urm, dai' cnd obsel-vm

galaxiile cele mai ndeprtate pe care telescopul Hubble le-a putut fotografia, le vedem asa cum

erau acum 12 miliarde de ani. n aceast diagram schematic, nOI, observatolii, ne aftm n partea

de jos a Imaginii i privim n sus, Nu vom putea niciodat s vedem lumina emis chiar de Blg Bang.

dai credem c stim cnd a avut loc, n aceast diagram. el reprezint punctul cel mai ndeprtat.

de sus - nceputul timpuluI

Big Bang, acum 13,7 miliarde de ani.

Epoca ntunecat.

Cele mai ndeprtate galaxii observate, aflate la 12,7 mil iarde de ani-lumin.

Unele galaxii apropiate, precum constelaia Virgo (Fecioara), se afl la 50 de milioane de ani-lumin.

Cea mai apropiat stea, Proxima Centauri, se afl la o distan

de 4,3 ani-lumin.

Suntei aici.

Introclucere

Universul opac, pn n urm

c u 13,4 miliarde de ani.

Primele stele i galaxii s-au format acum 13,2 mil iarde de ani.

Multe dintre galaxiile pe care le putem vedea s-au format n aceast perioad.

Cea mai apropiat galaxie mare, Andromeda, este la o distan de 2,2 milioane de ani-lumin.

Vedem planeta Jupiter aa cum era n urm cu aproximativ o or.

Atracia cerurilor

putem efectiv s vedem o mare parte din povestea pe care dorim s o nelegem. De exemplu, dac presupunem c galaxiile erau mult mai mici n trecut, le putem efectiv obscIVa pentru a confirma acest lucru. Cnd ne uitm la galaxii aflate la o distan de 6 miliarde de ani-lumin, credem c vedem Universul n care propria noastr galaxie s-a aflat acum 6 miliarde de ani.

Dac scala distanelor solidt un efort de imaginaie, scala temporal este la fel de uluitoare. Folosind diferite metode, orunenli de tiin afirm c Pmntul are aproximativ 4,6 miliarde de ani i s-a fonnat dintr-un nor de praf i gaze ce nconjura tnrul Soare; ns noi, oamenii, suntem nou-venii pe scena terestr. Pentm a nelege bine acest lUCIU, s ne imaginm o scar a timpului n care vfusta Pmntului este reprezentat de un an: planeta noastr a aprut pe 1 ianuarie la miezul nopii. Primele forme de via au aprut la nceputul lui mai, petii doar la mijlocul lui noiembrie, iar primele incursiuni pe uscat au avut loc la sfritul lui noiembrie. Reptilele au dominat lumea n primele sptmni ale lui decembrie; dinozaurii au disprut n jurul datei de 15 decembrie, n timp ce mamiferele au intrat discret n scen, ns abia n dimineaa zilei de 31 decembrie a aprut omul-maimu. ntreaga istorie a lui Homo sapiens este comprimat n ultima or a ultimei zile a anului. Isus Hristos a aprut pe Pmnt n unn cu mai puin de un minut.

Suntem destul de siguri de scala distanelor si de vrsta Pmntului. Am fcut progrese formidabile n ce privete estimarea vrstei Universului aa cwn l cunoatem; cea mai recent cifr la care s-a ajuns (13,7 miliarde de ani) este probabil corect cu o ma de eroare de cteva procente. Totui, se pune o problem deosebit de important.

Un lucm se impune de la sine, i anume c existm; suntem formai din atomi i molecule, iar aceast materie trebuie s fi fost creat ntr-un fel sau altul. Fie a exlstat dintotdeauna, fie a fost produs la un moment dat. Nici una dintre aceste ipoteze nu este uor de acceptat. Dac materia din care suntem fcui a existat dintotdeauna, trebuie s ne imaginm o perioad de timp care nu are un nceput. Dac a apIut brusc acum 13,7 milioane de ani, ce s-a ntmplat nainte? A existat un "nainte"?

Rspunsul matematic este c timpul a nceput odat cu Universul, prin urmare nu a existat un "nainte". Acest rspuns poate fi corect teoretic, dar este cu siguran nesatisfctor. n studiul Universului, considerm timpul drept a patra coordonat -de exemplu, scriem aceast carte ntr-un loc aflat la latitudinea 500 Nord si longitudinea 0,410 Vest, la civa metri peste nivelul mrii, dar pentru a ne gsi trebuie i s specificai un anem1it timp - ne putei gsi acolo spre sfrsitulltti 2006. Totusi, aceast reprezentare simpl nu poate fi folosit pentru distane astronomice. S presupunem c n viitoml ndeprtat astronomii vor dori s realizeze simultan un experiment pe Pmnt i pe steaua cea mai apropiat, Proxima Centauri, care se afl la ceva mai mult de patru am-lumin. Dat fiind c nici un alt tip de infOlmaie nu poate cltori mai repede dect lumina, un semnal luminos trimis ntre cele dou sisteme nu va fi suficient pentru a coordona experimentul -timpul nu este un lucm absolut asupra cruia toi observatorii s fie de acord.

n mijlocul incertitudinilor, putem doar s facem presupuneri inteligente. Poate pare hazardat, dar aceasta este n esen metoda tiinific. Pentm a explica un fapt observat, este propus o teorie, folosit pentru a face previziuni. Aceste previziuni pot fi verificate fcnd noi obsetvaii. Dac previziunile se confirm, teoria este bun; dac nu, trebuie s ne gndim mai bine. n capitolele urmtoare, vom folosi la consttucia modelului nostru asupra istoriei Universului teoriile care au rezistat cel mai bine cercetrii atente a astronomiei experimentale actuale. i, astfel, la nceput...

23

S paiul, timpul, materia, totul a apntt printr-un Big Bang (o 111are explozie) acum 13, 7 milioane de ani. Universul era un loc ciudat - ct se poate de ciudat. Nu existau planete, stele sau galaxii; exista doar un amestec de particule elementare. Acestea umpleau Universul. Mai mult, ntregul Univers era mai mic dect vrful unui ac i era incredibil de fierbinte. Deodat a nceput s se extind - i de la acest nceput bizar, neateptat, a continuat s se mreasc pn cnd a ajuns aa cum l vedem astzi.

tiina modern nu poate descrie sau explica nimic din ceea ce s-a ntmplat n primele 10-43 secunde dup Big Bang_ Acest interval de 10-43 secunde este cunoscut ca timpul Planck,

Haosul cosmic dup numele savantului german Max Karl El11St Planck. Acesta a fost primul care a introdus Universul aproape infinit de mic, haotic, la o mic concep nu c energia nu poate fi considerat un flux continuu, ci exist sub form de cantiti fraciune de secund dup Big Bang. ln aceast mici sau "cuante". Fizica modem se bazeaz acum n mare parte pe teoria cuantic; aceasta imagine, l ini ile strlucitoare reprezint particule efemere se ocup de studiul Universului la dimensiunile cele mai mici i reprezint cu siguran una continuu create si anihilate cnd se ciocnesc una de alta. dintre cele dou mari realizri ale tiinei teoretice n secolul XX. Cealalt mare realizare este

teoria general despre relativitate a lui Einstein, care se ocup de fizica la scar foarte mare-........ Galaxia Andromeda (M3f) Ia scar astronomic, de fapt. Privind dincolo de stelele roii ale galaxiei noastre, care Dei, n domeniile lor, ambele teorii sunt extrem de bine vetificate prin experimente i se afl n prim-plan, vedem galaxla cea mai apropiat, observaii, exist dificulti majore n a le pune de acord, n speciCll pentnt c trateaz timpul care cuprinde poate 200 de miliarde de stele. n moduri complet diferite. Teoriile lui Einstein trateaz timpul ca pe o coordonat; acesta este ln imaginea surprins n ultraviolete de satelitul GALEX, prin urmare continuu i trece lin de la un moment la alrul. Pe de alt parte, n teoria cuantic, regiunile n care se formeaz stele sunt eVidentiate in timpul Planck reprezint o limit fundamental - unitatea cea mai mic de tirnp despre care albastru, n t imp ce prile mai vechi ale sistemului, se poate spune c nseamn ceva, unitatea cea mai mic pe care am putea vreodat, chiar i unde gazul s-a transformat n stele, sunt galbene teoretic, s o msurm. ChiaJ dac am construi cel mai precis ceas cu putin, tot am vedea sau portocalii. Aflat la o distan de 2,7 am-lumin, cum sare ntr-un mod mai degrab neregulat de la un timp Planck la urmtorul. este cel mal ndeprtat obiect cosmic care poate fi vzut ncercaJea de a reconcilia aceste dou concepii contradictorii asupra timpului este una usor cu ochiul l iber. dintre cele mai mari provocri pentru fizica secolului XXI (ncercri recente sunt "teoria

corzilor" i cea nrudit, a "membranelor"). Deocamdat, n Universul mic i fierbinte care a apmt imediat dup Big Ban,g, fizica cuantelor este dominant, aa c incepem studiul nostru etiinific despre Univers dup 10-43 de secunde de la nceput

Big Bang este o idee care contrazice intuiia. Teoria unui univers static i infinit pare mult mai practic, ns exist motive tiinifice solide pentru a crede c acest eveniment unic (marea explozie) a avut loc. Dac acceptm acest eveniment, putem schia ntreaga succesiune de evenimente, de la acel prim timp Planck pn azi, cnd ne aflm pe ceea ce Cari Sagan a descris printr-o expresie memorabil ca fiind "palidul [nostru] punct albastru"_

nceputul timpului Aeadar, s privim napoi ctre nceputul Universului - imediat dup Big Bang_ Este tentant s ne imaginm c Universul a explodat deodat ntr-un imens spaiu cosmic, dar este o idee greeit_ AdevrUl este c Big Bangul a creat spaiul, materia ei, fapt esenial, timpul_ Spaiul

28

.. ", Structur de mari dimensiuni n Un ivers

Acest enorm grup de galaxi i (AC03627), aflat la o

d istant de 25 de mi l ioane de a n i" Iumin, este u n

exem plu t i pIC pentru ceea ce a m vedea probabil n

orice d irectie, dac am putea vedea d i ncolo de prafu l

i de gazul d i n propria noastr galaxle i d i n cele vec ine . Grupuri ca acesta sunt cele mai mari obiecte

din U n ivers. inute laola lt de atracia gravitational

reCi proc

De la 10 3 pn la 10-32 secunde D.6.

nu a aprut din "nimic"; nainte de momentul creaiei nu exista un "nimic", Timpul nsui nu ncepuse nc, aa c nici nu are sens s vorbim despre timp nainte de Big Bang, Nici mcar un Shakespeare sau un Einstein nu ar putea s explice acest lucru ntr-un limbaj simplu, dei o combinaie a acestor dou genii ar putea fi de folos!

Rezult de asemenea c, atunci cnd vorbim despre Univers azi, nu are sens s ne ntrebm "unde" s-a produs Big BanguL Spaiul a apmt doar odat cu Big Bangul nsi. Aadar, n acele prirne fraciuni de secund, tot Universul pe care l vedem astzi se afla ntr-o mic regiune, mai mic dect nucleul unui atom, Big Bangul s-a ntmplat "peste tot"

i nu a existat un punct cenh'aL O pictur celebr a lui Escher, cunoscut sub numele nu prea romantic de Diviziunea cubif

a spaiului, ilustreaz foarte frumos acest lucru, Imaginai-v c stai pe oricare dintre cuburile care marcheaz mbinrile din aceast sbuctur, n timp ce fiecare dintre barele care unesc cuburile se lungete. Din punctul dumneavoastr de vedere, totul pare s se ndeprteze de dumneavoastr i, la nceput, vi s-ar putea prea firesc s conchidei c v aflai ntr-o poziie special - n centrul expansiunii. Totui, dac privii lucrurile n perspectiv, v dai seama c expansiunea ar arta la fel oriunde v-ai afla n cadrul reelei; nu exist centru. Situaia este

.... Diviziunea cubic a spa iu lu i foarte asemntoare n Univers; fiecare gnlp de galaxii pare s se ndeprteze de noi i , totui, Artistul olandez M,C. Escher a creat aceast litografie nite observatori care ar privi spre noi de pe aceste stele ndeprtate ar avea aceeai iluzie i ar n 1952. Nscut n Olanda n 1898, lucrrile lUi au fost deduce, probabil, la fel ca noi, c fiecare tiintre ei se afl n centrul Universului n expansiune. recunoscute pe plan internaional d u p ce prima sa O alt problern privete nb'ebarea frecvent i, la prima vedere, raional: "Ct de mare expozitie i m portant a benefic iat de o recenzie n revista este Universul?", Aici avem din nou o problem major, i anume c par s existe dou Timen 1956. Matematic ieni i recunosc n lucrrile sale rspunsuri posibile la aceast ntrebare. Sau Universul e finit, sau nu este. Dac e finit, ce se extraord i nara vizual izare a pr incipi i lor lor a bstracte. afl n exteriorul lui? ntrebarea nu are sens, spaiul n sine exist numai n cadrul Universului,

30

.,... De la invizibil la infinit

n prezent. putem studia corpuri de dimensiuni

extreme Dimensiunea oamenilor variaz ntre unu si

doi x 10 (adic 1) metri. Dac msurm Pmntul, obtinem o Cifr de ordinul a ctorva 106 (milioane) de metri. Scara experienei noastre porneste de la

10-\5 metri, dimensiunea particulelor fundamentale care compun atomii - quarcun etc .. pn la 1025, dimenSiunea ntregului Univers observabil.

Quarcuri

prin umlare nu exist literalmente nici un "exterior". Pe de alt5 parte, El spune c Universul este infinit nseamn, de fapt, a spune c mrirrlca lui nu poate fi definit. Nu putem explica infinitul n limbaj obinu it, i nici mcar Albcrt Einstein nu putea (tim asta, pentru c Patrick l-a ntrebat').

Reinei, de asemenea, c trebuie s consideri1rn timpul ca o coordonat; cu alte cuvinte, nu putem ntreba pur i simplu: "Ct de mare este Universul?", cci rspunsul se va schimba cu timpuL Am putea ntreba: "Ct de mare este Universul acum?", dar, aa cum vom vedea mai trziu, o consecin a relativitii este c este imposibi l s definlTl un singur moment numit "acum" care s aib acelai neles n ntregul Univers

Dac vorbim despre un Univers care are o anumit dimensiune, ne gndim imediat la o lllmgine. Dac am cltori destul de departe, ne - am lovi oare de un zid de crmid5? Rspunsul este nu - Universul este ceea ce rnatemaDcienii numesc finit, clar fr margini. O Jnalogie util este aceea n care o furnic merge pe o minge. Mergnd mereu n aceea?i direce pe suprafaa curb, ea nu va ntlni niciodat nici un obstacol si poate parcurge o distan infinit - aceasta n ciuda mrimu finite J mingii, de care furnica nu-i va dJ deloc seama. La fel, dac am pomi ntr-o nav spa ial n ceea ce percepen"l ca fiind o linie dreapt, nu am ajunge niciodat la ciJptul Universului, dar Jceasta nu nscamnii c este infinit; vom vedea moi departe c :;;i spaiul poate fi considerat ca avnd o fonn curb.

Ccncza: nceputul

Aadar, s ne limltnila ntrebri la care putem da riispunsuri tiintifice, adic la ntrebri la care putem rspunde prin comparaie cu observaia. Putem spune cu certitudine c Universul obseruabil (acea parte a Universului de la cJ.re lumina ar fi puhlt s ajung la noi) are o mrime finit5 deoarece , conform cclei mai bune cstim5ri actuale, a aprut acum 13,7 mi liarde de ani. Prin unnare, marginea Universului observabil, de unde lumina ar putea s ajung la noi, este la o distan de 13,7 miliarde de ani-lumin i se ndeprteazii cu un an-lumin pe an. De fapt, exist motive ca noi s5 nu putem niciodat s vedem att de departe, dup cum vom lmuri mai trziu. Tot ceea ce putem spune cu sigurJnt despre mrinlea Universului este c5 trebuie s fie mai mare dect poriunea pe care o putem vedea.

Mrimea Universului

l023m Grup de galaxii

Desigur, CI spune c un obiect se afl la o distzm de 13,7 miliarde de ani-lumin este foarte frumos, dar putem oare cuprinde cu gndul mrimea Universului? Putem aprecia perfect distana dintre Londra i Nevv'York, de exemplu, sau ch..iru distana de lJ. Pmnt la Lunaproxin1ativ 400 de mii de kilometri - care este cam de Zf;'ce ori mai mare dect circumferinta Pmntului, i exist multi oameni care au zburJt chiar mai mult n victa lor. Ba chiar, mai rnulte companii aeriene acord avantaje speciale celor ((lfl' au cltorit mai mult de 1,6 milioane km n viaa lor. Dar cum putem nelege 150 milioane km, distana la care se o.fl Soarele? Si cnd ne gndim la steaua cea lYlai apropiat,], Jtlat la o distant de 4,2 ani-lumin (aproximativ 38 de trilioane krn), sarcina este peste puterile noashc. Galaxiile sunt la o d istan cu mult mJi mare dect aceasta: chiar i cele mai apropiate de Calca Lactee , precum galaxia Andromeda, se afl la o distan mJ l mare de dou milioane de ani-lumin.

31

32

... Straturi atomice

o Imagine la miCroscop a straturi lor atomice de pe suprafata unui cristal de Sl l lcal de fier. Cea mai mic

!r-eapt a re doa r grOSimea unui alom

De la 10-43 piin. la W-:n secunde D.E

La cellalt capt al sealei, vizualizarea mrimii unui at0I11, care nu poate fi observat individual cu un microscop obinuit, este la fel de dificil. S-a spus c, din pLmct de vedere al mrimii, omul este pe la jumtate ntre un atom i o stea. Interesant este c n acest regim fizica devine foarte complicat; pe scala atomic, avem fizica cuantic, pe scal mare, relativitatea. ntre aceste extreme devine ntr-adevr evident faptul c nu ntelegem cum s combinm aceste teorii. Savantul Rager Penrose, de la Universitatea Oxford, i-a exprimat convingtor credina c elementul care ne lipsete din modul cum intelegem fizica fundamental ne lipsete i din nelegerea contiinei. Aceste idei sunt importante dac ne gndim la punctele de vedere numite antropice, cel mai bine rezumate n convingerea c Universul trebuie s fie aa cum este pentlU a ne permite nou s fim aici ca s-I obsetvtn.

O alt ntrebare util este e.ti atomi SLU1t n Univers. O estimare a ajuns la cifra total de lW9 sau, cu alte cuvinte, 1 urmat de 79 de zerouri.

n mod tradiional, am considerat c atomii sunt compui din trei particule mai mici (fundamentale): protollul (care transport o sarcin electric5 pozitiv elementar), neubonu\ (fr sarcin) i mult mai puin masivul electron (care bansport o sarcin negativ elementar). n treact fie spus, nu este deloc uor s definim ce e ste o sarcin elechic2 la nivelul atom ului. Este suficient s considerm sarcina ca fund o proprietate pe Cille particulele o pot avea, aa cum au mrime i mas. Sarcina este format ntodeauna din

"pachete" avnd o dimensiune fix, numite sarcini electrice elementare.

Geneza: nceputul

n schema clasic, se consider c aceste particule sunt dispuse ca un sistem solar n miniatur, n care electronii se Lnvrt n jwul Wlui nucleu central compus din pratom i neutroni. Acest nucleu transport o sarcin pozitiv, echilibrat exact de sarcina combinat a electronilor care se rnic pe orbit n jurul lui. In sistemul nostru solar, fora gravitaional menine planetele pe orbitele lor n jurul Soarelui aflat n centru, pe cnd aici, n atom, electronii SWlt meninui pe orbit de atracia dintre sarcina lor negativ i nucleul cu sarcin pozitiv.

n treact, ar trebui s notm c aceast schem simpl poate explica o mare parte din chimia de baz; de exemplu, de ce electronii periferici ai atomilor tind s fie cei implicai n reacii chimice. Ei sunt mai departe de nucleu i prin unnare sunt mai slab reinui de fora lui de atracie. Astfel, atomul cel mai simplu, cel de hidrogen, are un singur proton ca nucleu i un electron care se nvrtete n j1.UUl lui. Atomul n ansamblu este prin unnare neutru din punct de vedere electric: +1 adunat cu -1 este egal cu O. Toii atomii au un numr egal de electroni i de protoni. Fiecare element are un numr unic de asemenea particule, cunoscut sub numele de numr atomic. De exemplu, atomll de heliu au doi pratoni i doi electroni-numrul atomic este doi -, n timp ce numrul atomic al carbonului este ase. Elementele grele au cel mai mare numr de protoni i de electroni. Uraniul, cel mai greu element natural ... Atomul clasic

33

Electron

de pe Pmnt, are numrul atomic 92. Acest model simplu al atom ului a fost propus de Neils Aceast concepie asupra atomului, care considera pretonii i electronii ca pe nite buci Bohr n 1913. Conine un nucleu compus din neutroni

solide, a dominat secolul XX ns astzi lucrurile sunt mult mai puin clare. n mare parte, (albatri) i protoni (roii), n jurul cruia se nvM comportamentul ciudat al sistemelor extrem de nUci poate fi explicat abia acum, considernd electroni precum planetele n j u rul Soarelui. in Ciuda c sunt compuse din Wlde, mai degrab dect din particule. Aceast teorie este cunoscut apariiei mecanicii cuantice, care reprezint cu totul sub numele de dualitatea und-particul. n plus, experimentele au artat c, dac electronll altfel atomul i indic "densit!i de probabilitate" neclare par s fie ntr-adevr indivizibili, protonii i neutronii nu sunt de fapt fundamentali, n locul particulelor sferice, modelul clasic al lui Bohr ci pot fi divizai n particule mai mici denumite quarcuri, care nici ele nu sunt considerate este nc util. fundamentale. Nimeni nu a vzut vreodat un quarc, dar tim c trebuie s existe deoarece au fost detectate n acceleratoarele de particule construite pentru a face protonii s se ciocneasc ntre ei la viteze foarte mari. n aceste experimente se constat c protonii se sparg. ceea ce i-a fcut pe oamenii de tiin s conchid c acetia nu pot fi particule fundamentale. Quare singulare ar fi ceva impotriva naturii; acestea apar nwnai cte dou sau cte trei.

Forele naturii Cauza acestei grupri a quarcwilor const ntr-o proprietate neobinuit a forei care le unete n mod nonnal denumit (nu ar motiv) fora nuclear puternic. Aceast for este dominant n cazul obiectelor de mrimi foarte mici; de aceea avem nevoie de acceleratoare de particule att de puternice ca s spargem protonii. Spre deosebire de forele cu care suntem obinuii la dimensiuni mai mari, cum ar fi gravitaia sau atracia ntre sarcini electrice opuse, fora puternic crete odat cu distana. Cu alte cuvinte, dac am putea separa dou quarcw1, am vedea c ele se atrag din ce n ce mai puternic pe msur ce distana dintre ele crete. Pn la urm, n timp ce quarcurile se ndeprteaz unul de altul, energia implicat n efortul de a le separa devine att de mare nct sunt produse alte dou quarcuri, energia fund convertit n mas. Deodat, avem dou perechi de quarcwi n locul quarcurilor individuale pe care mcercam s le izolm. Acest proces nseamn c nici un experiment nu va produce vreodat quarcuri individuale; n Universul obinuit ele exist numai ca pri componente ale altor particule, precum p:otonii i neutronii, care conin fiecare cte trei quarcuri.

La temperatura enorm a Universului imediat dup Big Bang, quarcurile aveau destul energie s hoinreasc libere; astfel, nelegnd istoria Universului la scala cea mai mare,

34

... La vntoare de quarcur

La Laboratorul National Brookhaven din New York,

fascicule de nuclee de aur sunt fcute s se ciocneasc

unele de altele cu o vitez apropiat de cea a luminii

Rezultatul este recrearea unei stri a materiei despre

care se crede c a existat [a zece milionlmi de secund

dup Big Bang, stare cunoscut ca "plasma

quarc-gluon" Aceast Imagine ce seamn izbitor

cu un ochi uman arat urmele a aproximativ

1 000 de particule dup coliziune. Este doar o sectiune transversal, particulele fiind trimise de tapt n toate

directiile

De 1

Geneza: nceputul 35

i are antipamcula echivalent, identic n toate privinele, cu excepia sarcini ei electrice, Vizualizarea antimateriei care este opus. Particula de antimaterie care corespunde unui electron este pozitrOllUl, care, Aceast imagine arat crearea perechilor de electroni n afar de faptul c are o sarcin pozitiv, este identic cu eIectronuL Conceptul de antimaterie i pozitronl ntr-o camera cu bule. Particulele ncarcate este cunoscut din literatura SF, unde se at1 la baza a nenumrate motoare de nave spaiale lasa un ir de bule minuscule n urma lor, permlnd extrem de avansate, toate create pomind de la faptul c o ciocnire ntre o particul i o ochiului - sau camerei de filmat - sa le urmreasca antiparticul are ca rezultat anihilarea amru1durora i eliberarea unei cantiti mari de energie - evoluia. Fotonii care furnizeaz energia pentru crearea acest lucru a fost confirmat de experimente. Ori de cte ori un quarc ntlnea un antiquarc electroni lor si pozitronilor nu pot fi vzui, pentru n Universul primar, amndou dispreau, elibernd o scurt radiaie. Avea loc i procesul c nu au sarcin Fiecare pereche de urme ncepe invers; radiaia cu energie suficient de mare (cu siguran, de tipul energiilor care existau n ntr-un punct comun, de unde se vede c particulele aceast etap timpLUie de evoluie a Universului) putea s produc spontan o pereche de se deplaseaz in spiral spre extenor. Miscandu-se particule, fiecare compus dintr-o particul i antiparticula ei. Aadar, Universul era compus ntr-un cmp magnetic puternic. electronii si pozitronii n ntregime din radiaie care producea perechi de particule, care dispreau pe rnd, pe ntmpin fore opuse i. de aceea. se mic n spiral msur ce se ciocneau unele de altele, napoind energia lor radiaici de fond. n direcii opuse.

Dat fiind c Universul a continuat s se mreasc i s se rceasc, dup pIima microsecund (numai zece milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de timpi Planck), cnd temperatura a sczut sub valoarea critic de aproximativ zece milioane de milioane de grade, quarcurile i-au ncetinit micarea suficient de lTlult

36 De la lO-{l pn la 10-32 secunde 0.8.

. Nor de antimaterie pentru a putea fi captate de fora lor de ah'acie reciproc (fora putemic). Grup1ll1 de cte trei Se crede c aceast hart n raze gama a. centruluI quarcut1 s-au strns laolalt pentru a forma cunoscutii protoni i neuh'oni (denumip colectiv galaxiei noastre arat particule de materie i de banoni), n timp ce antiquarcurile s-au grupat penhu a fom1a antiprotoni i illl.tineutroni aotimatene - electroni si pOlltroni - clocolndu-se (antibarioni) . Dac numrul barionilor i antibarionilor ar fi fost egal, rezultatul cel mai probabil ntre ei, ceea ce duce la anihilarea a mbelor seturi ar fi fost c ciocnirile dintre ei ar fi condus la o dishugere complet. Energia rmas n radiatiE de particule si la emiterea unor cantitti enorme de s-ar fi diluat tot mai mult pe msw' ce Universul continua s se extind, astfel nct nu ar mai energie. Aceasta implic faptul c antlmaleria sub form fi fost create noi perechi de particule. Materia elin Univers nu ar fi supravieuit pn astzi. de pozltroni se revars din centrul galaxiei noastre. Doar faptul c a existat un mic dezechilibru integrat chiar de la nceput a salvat materia si

ne-a permis astfel s fim aici i s ne ntrebm ce s-a ntmplat n acele vremuri ndepJrtate. Din cauze pe care nc nu le nelegem, pentru fiecare miliard de antibarioni, a existat un miliard unu bation, astfel nct atunci cnd rnarele "schimb de focuri" s-a ncheiat, aproape toi antibarionii dispruser, lsnd n urm restul de protoni si neutroni care formeaz nucleele atomilor de azi.

Conspiraia cosmic S ne ntoarcem pentm scurt timp n prezent i s lum ca exemplu dou galaxii aflate fiecare la o distan de 9 lT'Iiliarde de ani-lumin de Pmnt, dar n direcii opuse. Distana dintre ele este aadar de 18 miliarde de ani-lumin. Amndou se vor afla n regiuni ale Universului care, n linii mari, arat la fel. Una se poate afla n centrul unui grup de galaxii, cum este gTupul de gaJaxiiVirgo (Fecioara) aproape de noi, pe cnd cealalt poate fi mult mai izolat. i totui, lng prima dintre ele se vor afla galaxii izolate, iar lng a doua galaxe va exista n mod inevitabil un grup de galaxii. Fiecare regiune va contine aceleai tipuri de galaxii n -aceeai propore i chiar temperatura local a fiecrei zone va fi aceeai n ambele cazuri .

Aceasta constituie o problem demrnut "conspiraia cosmic" . Universul are mai puin de 18 000 de miliarde de ani (estimarea cea mai corect a vrstei acestuia este de "13,7 miliarde de ani), deci luI1una probabil nu a avut nc timp s ajung de la o galaxie la alta, iar relativitatea pretinde c lumina cltorete cel mai repede n Univers . Dac lumina nu a avut nc timp s traverseze spaiul dintre cele dou zone, ahmci nimic altceva nu ar fi putut-o face, deci

Geneza: ncC'puhll

nimic n-ar fi putut trece de la o galaxie la altl1. Diferenele dintre aceste regiuni nu puteau fi reconciliate, prin urmare este surprinztor c Universul pare n mare la fel n orice direcie ne-am uita; veden gala>ii de acelai tip, disbibuite cam n dcelai fel, iar aceasta este ceeCl ce se numete "conspiraia cosmic" .

D e c e este aceasta o problem? Nu pare oare normal ca Universul s arate l a fel n orice direcie ne-am uita? Poate c exist o lege nc necunoscut care guverneaz fizica Big Bangului nsui i n virtutea creia pot fi produse numai universuri aproape complet unifonne. Nu tim nimic despre fizica ce ar fi putut prevedea acest lucru, aa c trebuie s lum n calcul posibilitatea ca n Univers s fi existat la nceput mari diferene de temperatur ntre diferite regiuni, de exemplu, o jumtate a Universului s fi fost la nceput de dou ori mai cald dect cealalt. Cum a putut aceast stare de fapt conduce la unifonnitatea de azi? Cldura nu a avut suficient timp pentru a ajunge de la zona cald la cea rece, i nici mcar nu s-a scurs destul timp ca un mesaj trimis cu viteza luminii s ajung dintr-o parte n cealalt. n aceste condiii, corectarea dezechilibrului iniial ar prea imposibil i, totui, aceste zone fr legtur, la mare deprtare una de alta, sunt asemntoare.

Poate c aceste dou galaxii se afl acum la o distan foarte miJIe una de alta, ns cnd Universul abia apruse, era mult mai mic, iar corpuri aflate de o parte i de ceala l t s-ar fi putut afla n contact i ar fi putut face schimb de cldrn, producnd uniformitatea observat n prezent. Aadar, ntrebarea pe care ne-a punem acum este ct de mare era Universul n acele etape iniiale. n mod surprinztor, pare destul de uor s rspundem.

Numai lUa dintre forele despre care am discutat pn acum poate aciona la distane ash'onomice, i anume gravitaia, care prin nsi natura ei este o for de atracie ce ine materia laolalt. Doar gravitaia putea ncetini viteza iniial de expansiune. Putem ncerca s calculm din prezent spre trecut pentru a determina cum s-a schimbat mrimea Universului n timp - i vom descoperi c aceast conspiraie cosmic exista i n perioada de nceput a Universului. Cu alte cuvinte, Universul nu a fost niciodat destul de mic pentru a permite luminii s treac dintr-o parte n al ta, deci nici destul de mic pentru a permite diferenelor de temperatur s se egalizeze. Tot acest scenariu presupune c gravitaia este singura for care afecteaz viteza de expansiune i nu putem rezolva conspiraia dect dac suntem pregtii s T Conspiraia cosmic renunm la aceast idee. Dac nOI putem vedea gataxli le A si B aftate la mare

d lstant pe cer, n d i rectii opuse, ele nu se pot vedea

37

Edificiul nebunesc al teoriei inflaiei Soluia care este popular azi presupune o oarecare cretere a complexitii teoriei Big Bangului. Cei mai muli cosmologi consider n prezent c a existat o perioad exh'em de

una pe alta. Tot t lmpu t scurs de la Big Bang pn acum

nu a fost suficient ca l u m i na s traverseze d ista nta

d i ntre ele

I

13 ,7 X 109 ani-lumin

lumin"-" 13 ,7 x 109 ani-lumin

'!llt It i

lumin

--------------------------------------( distant galaxia A 9 X 109 ani- lumin Pmnt 9 X 109 ani- lumin galaxia B --------------------------------------- distant

18 X 1 09 ani- lumin

\8 De !J 10 1 p;ln Iti 10 32 secunde D B.

. Cmpul profund de sud scurt de expansiune rap id, cunoscut sub numele de inflaie, de la 10-35 la '1 0.32 secunde al telescopului spaial Hubble dup Big Bang, perioad n care Universul s-a mfuit de mai mul te miliarde de ori . La sfritul

Galaxil vzute la o distan de 1 2 mil iarde de ani- lumina perioadei de in t1aie, expansiunea 8. ncetinit pn la o vitez relCltiv stabil, COl1iparabil cu Distana d i n tre galaxi i le cele m a i ndeprtate vzute cea pe care o putem observa azi. la nord SI la sud n Cmpul profund H u bble este att Fr o perioad de int1aie, zonele Universu lui pe care le vedem n pri opuse ale cerului de mare nct n istOria U n iversu lu i de 13. 7 mil iarde de nu ar fi avut timp nici s fac schirnb de cldur, nici s5. ajung la un echilibru confortabil. ani, lumina n u a r fi avut t imp s aju ng cu mult d i ncolo Expansiunea rapid sugerat de aceast teorie ne penT1.ite s considerm c initial Universul ;; de jumtatea distantei d intre ele, SI tOtUI ele par sa se fost mult mai mic i astfel i.1 putut s ating o temperatur uniform nainte s nceap asemene. ca i U n iversul n care se alI. Un exemplu accelerarea. Orice mici ctiferene care ar fi rmas aveau s fie anulate de creterea enorm n uluitor de conspiratie cosmic dimensiune. i aceasta, deoarece o alt5 consecin a intlaie i extraordinar de rap ide este c

zona din Univers pe care o observm nu este dect o prticic a Universului n ansamblu. Cu a lte cuvinte, vedem doar variaii a ceea ce este de fapt regiunea local, nvecinat5 nou, iar acestea au cu siguran dimensiuni reduse. Penh-u a da o analogie mult mai apropiat de noi, P5.mntul aa cum l vedem este nlarcat de variaii enorme n nlime; de la vrful Everestului pn la fundul celei mai J.dnci fose oceanice . Inflaia realizeaz efectul echivalen cu a mri bucica de pmnt de sub degetul dumneavoastr mic de la picior la dimensiunea globului terestn! (sau, n mod analog, cu a ne micora pn la o dimensiune mult mai mic dect a celui mai mic virus) . Prin tU"lTlare, diferenele de niiltime la care putem ajunge si pe care le putem exp lora sunt cu certitudine mici; inflatia are exact aceeai influen asupra fluchlaiilor de temperatur din Univers.

Dar de ce ar h'ebui ca Universul abia aprut s cunoasc brusc o asemenea cretere extrem a vitezei sale de expansiune ? Se pare c este nevoie sii fie introdus o nou for,

Geneza: nceputul

care poate fi considerat rspunztoare pentru enom1a accelerare i a acionat n directia opus gravitaiei. Savanii au nceput s studieze n amnunt ce proprieti ar putea avea o asemenea for, ns nu pare s existe deocarndat o explicaie clar. Dup cte tim, nu exist nite condiii specifice epocii anterioare inflaiei, aa c apariia i dispari ia subit a acestei fore de accelerare par ntructva arbitrare, dar cel puin ne permit s rezolvm problema conspiraiei cosmice.

Exist i alte probleme pc care introducerea inflaiei le poate rezolva? Se constat c putem explica prin inflaie alte dou caracteristici ale Universului aa cum l vedem astzi, altminteri complet inexplicabile. Mai nti, pOhivit teoriei standard a fizicii particulelor, un anumit tip de particul, denwnit monopol, ar trebui s apar din cnd n cnd la analiza cu detectoare. n realitate, nici o astfel de particul nu a fost detectat vreodat, ceea ce necesit o explicaie. Teoria inflaiei ne permite s argumentm c aceste particule au ajuns s aib o concentra ie att de mic nct nu putem localiza nici una. S zicem, de dragul argumentrii, c 100 de milioane de milioane de asemenea particule au fost create n timpul Big Bangului; ar fi surprinztor c nu am reuit s detectm nici lU1a. Dar dac acelai numr de monopoli' au fost creai ?i rspndii ntr-un univers care a devenit de multe mii de milioane de ori mal mare dect nainte de in!1aie, este probabil s nu existe nici unul n ntregul Univers vizibil. Viteza inflaiei a fost imens, att de mare nct, chiar n intervalul de timp scurt n care ti acionat, a produs tffi Univers inimaginabil mai mare dect era preconizat prin Big Bangul convenional. Inflaia ofer o explicaie pentru lipsa acestor particule - ele au fost pur i simplu diluate n Universul devenit mult mai mare.

Viaa ntr-un Univers plat Exist un al treilea pilon, poate cel mai convingtor, care susine edificiul aparent nebunesc al teoriei inflaiei. Acesta implic geometria Universului. Cei mai muli dintre noi Cl1l10a?tem

10-3< sec

10-35 sec

Big Bang -'-:;:::::==:::::::===;:" mrimea Universulu

cu inflatie

10-32 sec

10-35 sec

Big Bang _=::::=;----' mrimea Universului

fara inflajie

39

"" Inflaia

Diagrama din stnga arat impactul inflatiei

comparativ cu Universul care nu a fO$t supus aciuni i

acesteia (dreapta). Pe msur ce Universul se extinde,

galaxiih' se indepilrtcaz unele dl.' a ltele . Cu inflaie, Universul este mai mic imediat dupil Big Bang, dar mul t

40 De la 10-43 pn la 10-32 secunde D.B.

geometria lui Euclid pe care am nvat-o la coal, poate uneori fr tragere de inim. Ni se spune acolo c suma tuturor unghiurilor unui triunghi este de 180 de grade. Totui, aceasta nu se verific ntotdeauna; de exemplu, pe suprafaa tmei sfere, suma lor poate fi mai mare de 180 de grade. Imaginaiv o linie tras de la Polul Nord dea lungul meridianului Greenwich pn la ecuator, i apoi la est dea lungul ecuatorului, o ntoarcere de 90 de grade. Dac vom completa triunghiul ntorcndune la Pol dea lungul meridianului care trece prin Rusia, vom face o alt ntoarcere de 90 de grade. 90 + 90 = 180, i tot mai avem de adunat unghiul din vrf, dintre cele dou meridiane. Geometria euclidian se aplic doar pe suprafee plane.

Ce fOIm ia geometria Universului? Lucrurile sunt complicate pentru c avem de-a face cu un spaiu cvadridimensional (cele trei dimensiuni spaiale cunoscute, plus timpul), nu cu suprafee bidimensionale. S ne gndim la proporiile cele mai mari i s ignorm distorsiunile locale provocate de materie. Exist lin numr enorm de geomet:rii posibile pentru Univers, ns se pare c Universul nostru a fost precis reglat pentru a selecta un anumit tip de geometrie; diverse observaii (vezi radiaia de fond cosmic de microunde n capitolul 2) arat c trim n ceea ce se numete un univers "plat", n care geometria

.... Geometrie sferic euclidian se aplic chiar la proporiile cele mal mal1. De ce se ntmpl asta? Pentru ca ln geometria euc[idian pe care o nvm [a coal, Universul s fie plat, trebuie ca n el s existe exact cantitatea corect de materie, pn la suma unghiurilor unui triunghi este ntotdeauna de ultimii civa atomi. Cu alte cuvmte, dac ar fi civa atomi n plus sau n minus, geometria 180 de grade. Dar un triunghi desenat pe suprafaa Universului ar fi departe de a fi plat. Pmntului conine Irei unghiuri drepte, suma lor fiind nc O dat, ne confruntm cu o observaie care poate fi pus pe seama unei oarecare de 270 de grade. caracteristici a fizicii timpurii care a guvernat Big Bangul nsui - i , din nou, inflaia ne

permite s dm O explicaie alternativ, mal satisfctoare. Argumentul se bazeaz, ca i mai nainte, pe faptul c inflaia a creat un univers mult mai mare dect Big Bangul singur.

S lum o analogie tridimensional care s ne ajute s gnclim cvadridimensional. Oricine ar sta pe o bil de bowling ar descoperi repede c aceasta este o sfer, probabil cnd ar cdea de pe ea. Ce spunei ns de o sfer mai mare, precum Pmntul, pe care stm n fiecare zi? Poate c nu ne dm seama imediat c stm pe o suprafa curb, ns este cu siguran destul de uor s calculm. Se tia c Pmntul are o form sferic nc de pe vremea anticilor greci (care au reuit chiar s-i msoare diametrul) i llil vapor care dispare dincolo de orizont ne sugereaz c suprafaa Pmntului este curb. Acum imaginai-v c suntem pe suprafaa unei sfere mai mari de cteva trilioane de ori dect 'pmntul. Toate experimentele noastre ar arta c ne aflm pe o suprafa plan; curbura datorat sferei ar fi

Geneza: nceputul

pur i simplu prea mic penhu a fi detectat - ar dura enOlTI1 de mult ca vaporul s ating linia onzontului.

Dup inflaie Un Univers care a trecut prin inflaie este precum aceast ultim sfer. Deoarece a ajuns la o dimensiune imens, Universul noshu observabil este doar o prticic minuscul dUl el i i putem msura doar proprietile locale. Putem deduce just c Universul pe care l putem vedea are o geometrie plan. ntr-un univers att de ntins, nu putem ti nimic despre geometria Universului care depete raza observaiilor noastre. Indiferent ce geometrie are Universul inflaia ne spune de ce msurtorile noastre arat c acesta este plat.

Toate aceste trei probleme sunt rezolvate simplu de ideea inflaiei, dei cu preul introducerii acestei misterioase acceleraii temporare, care rmne prea puin neleas. Poate cnd vom ajunge s nelegem mai bine Big Bangul nsui, vom avea un rspuns alternativ, dar deocamdat inflaia pare o explicae la fel de bun ca oricare alta.

La sfritul inflaiei, Universul a continuat s se extind i s se rceasc cu o vitez mai mic. Cam la trei secunde dup Big Bang, temperatura sczuse la aproximativ un miliard de grade Kelvin. Aproximativ trei sferhtri din materia Universului era format din hidrogen i aproape tot restul era heliu (amintii-v c atomul de heliu are doi electroni care se mic pe orbit n jurul unui nucleu compus din doi protoni i doi neutroni).

Teoria Big Bangului preconizeaz c penhu fiecare zece protoni sau nuclee de hidrogen produse exista un nucleu de heliu. Atomii de hidrogen sunt nc i azi de zece ori mai muli dect cei de heliu. Acest fapt reprezint poate cea mai simpl i totui cea mai solid confinuare a teoriei Big Bangului. Stelele transfonu hidrogenul n heliu, deci ne-am atepta ca raportul s se schimbe n favoarea heliului. Dac am observa un singur obiect, oriwlde n Univers, n care s fie mai puin heliu dect se ateapt, ar trebui s regndim teoria din temelii. Nu s-a observat niciodat o asemenea schimbare.

Aadar, credem n teoria Big Bangului? Principala ei concillent, teoria strii stabile, pare compromis. Deocamdat, teoria Big Bangului domin scena. E imposibil s demonstrm o teorie i tot ce putem spera este s ne asigurm c ea concord cu toate dovezile de care dispunem. Teoria Big Bangului nsoit de inflaie pare s satisfac aceast cerin. Dar n orice moment o nou descoperire poate da la iveal o greeal fatal n aceast teorie. Pn cnd un alt Newton sau un alt Einstein vine cu o teorie mai bun, trebuie s acceptm Big Bangul.

4]

... Eclips total de Soare - dubl expunere

O ecl ips tolal de Soare este cel mai mre spectacol

pe care natura ni-I poate oferi si, datorit gamei Imense

de luminozitate prezente n fiecare Clip, nici o fotografie

nu are raza d i namic suficient de mare ca s-o poat

surpnnde n toat splendoarea. Brian a surprins aceast

I magine a primei eclipse totale de Soare din viaa lu i

la Cabo, St. Lucas. n Baja California. Mexic, n 199 1 .

D i n ntm plare. f i l trul folosit pentru faza total era

nc linat ntr-un anumit unghi fa de lentila aparatu l u i

de fotografiat. i a produs p r i n rereflecie o imagine

secundar artnd clar dou proeminente. care erau

mult prea expuse n imaginea principal - o expunere

bine gndit s arate forma frumoas a coroanei solare

exterioare. mai palid .

A

In primii 300 000 de ani care au unnat cataclismului reprezentat de perioada de inflaie, nu au existat schimbri majore. Condiiile fizice care guvernau evoluia Universului au rmas mai mult sau mai puin constante. Universul a devenit un loc mai puin violent. Pe msur ce temperatua scdea, i protonii i neutronii ncepeau s-i ncetineasc micarea; torui, radiaia i materia erau nc unite, dup cum vom vedea. Din pW1Ch11 nostru de vedere, cea mai mare diferen dintre acest Univers i cel pe care-l vedem azi este c n acele timpuri de nceput acesta era complet opac.

Undele electromagnetice, inclusiv lumina vizibil, pot fi considerate de asemenea fascicule Prima stea de fatoni - particule cu mas zero care se mic ntotdea1.ma cu viteza de 300 000 krn pe Se crede c primele stele au fost extrem de mar i . Numa i secund. n lumea ciudat a mecanicii cuantice (care este poate cea mai bine verificat teorie una sau dou n fiecare protoga laxie ar fi avut suficient a tiinei moderne), nu mai exist o distincie clar ntre "unde" i "particule", ns trebuie energie pentru a provoca sch imbri profunde n medi i le s acceptm c totul exist sub forma unei "dualiti und-particul", intermediar ntre lor, pregtind terenul pentru formarea unor stele cele dou. Asemenea entitilor pe care le considerm n mod tradiional particule, precum " n ormale" , cum este Soarele d i n sistemul nostru solar. electronii i protonii, lumina se comport uneori ca o particul, fotonul, alteOli ca O und.

Fiecare fotan transport o "cuant" bine definit de energie, cantitatea de energie fund determinat de culoarea luminii, astfel nct nu greim dac spunem c radiaia electromagnetic este "un fascicul de fotonil/. S urmrim acum traseul unuia dintre aceti fotoni, eliberat poate prin ciocnirea dintre un proton i un antiproton n perioada foarte timpurie a Universului. n condiiile unei aglomerri att de mari, nici un foton nu putea ajunge prea departe nainte de a se lovi de un electron i de a fi absorbit de acesta, care astfel ctiga energie. n cele din urm fotonul putea fi reemis, dar aproape n toate cazurile ntr-o alt direcie dect cea pe care o avusese iniial. Acest proces se repeta iar i iar, mpiedicnd fotomi s cltoreasc foarte repede.

Cu toate acestea, cnd Universul s-a rcit ajungnd la o temperatur de numai 3 000 de grade, dup aproximativ 300 000 de ani de la Big Bang s-a produs O schimbare brusc. nainte de acest moment critic, electronii - particulele cele mai uoare i deci cele mai rapide ale materiei atomice obinuite - se micau mult prea repede ca s fie captai de nucleii atomici, mai grei, ns, la o temperatur de 3 000 de grade, ei nu mai puteau eyjta acest lucru. S-au format primii atomi neutri. Vzui la scara atomului, electronii captai se nvrt pe orbit n jurul nucleului departe de el Oa urma urmei, atomii sunt compui n mare parte din spaiu yjd), dar, n comparaie cu distana dintre atomi, ei sunt foarte aproape de nucleU acestora. Ca urmare, s-a creat un mare spaiu ntre atomii nou formai, iar fotonii au fost dintr-odat liberi s parcurg distane mari. Cu alte cuvinte, materia i radiaia s-au separat i, la 300 000 de ani dup Big Bang, Universul a devenit transparent.

..... Spectrul electromagnetic Ecouri ale Big Bangului Partea viz ib i l a spectru lu i (curcubeu l ) , l umina pe Captarea electron.ilor a fost extrem de puternic influenat de temperatura Universului; care o putem vedea, este doar o parte foarte mic a de ndat ce aceasta a sczut sub valoarea critic, procesul s-a desfurat cu o rapiditate intregu lu i spectru electromagnetic . in u l t im i i 70 de a n i , cxtraorclinar. Pe lng faptul c temperatura Universului este aproape aceeai pe toat astronomi i au nceput s adune informaii de-a l u ngul ntinderea spaiului cosmic (datorit inflaiei, dup cum am vzut), aceasta nseamn c ntregulu i spectru . procesul a avut loc aproape instantaneu n ntregul Univers. Rezultatul a fost c lumina a

Si atunci s-a fcut lumin 45

putut cltori fr ntreruperi, astfel nct dup aproximativ 13A miliarde de ani putem nc ... Cerul n microunde vedea un instantaneu al acestui moment special din evoluia Universului nostru. Aceast Aceast imagine de ansamblu a ceru lu i vzut la frecvente capacitate de a privi napoi ctre un anumit moment este unic n astronomie. De obicei, de microunde reveleaz fluctuaii de temperatur de acum cnd ncercm s privim pri ndeprtate ale Universului, vederea ne este obstrucionat de 13,4 mil iarde de ani , reprezentate prin diferene de culori. imagini ale unor gala>..l.i apropiate, care au emis lumina mai recent. Acest eveniment magic, ce corespund "semintelor" care a u deven i t galaxi i , rosul cnd Universul a devenit transparent, poate fi obseIVat acum, fr piedici, sub forma fondului ind icnd regiun i le relativ calde, iar a l bastrul/negrul pe cele cosmic de microunde (sau FCM) . relat iv reC I . Aceast imagine se baza pe d a tele obtinute

Muli cititori au obseIVat probabiL n mod contient sau nu, aceste ecouri slabe ale morii de satelitul Wilkinson Microwave Anlsotropy Probe (WMAP). "mingii de foc" care a aprut odat cu Big Bangul. Decuplnd antena televizorului sau comutnd de pe un canal, vei vedea perhlrbaii (parazii) alb-negnl. Unu la sut dinh'e ... Antena Big Horn acestea se datoreaz FCM - la aproape 13,4 miliarde de ani dup ce a fost emis, acesta v Telescopul cu care Robert Penzias i Arno Wilson a u poate nc incomoda s vizionai progranl.ele de televiziune. d etectat prima dat fondul de microunde n 1964 poate

Vzut astzi, frecvena acestei radiaji cosmice de fond corespunde unui emitor la o fi descriS mai exact ca o anten pentru transmisia i temperatur medie de numai 2,7 K (-270,3C) peste zero absolut. De ce att de rece, dac recepia mlcroundelor. Aceasta este nc expus la aceast radiaie este ntr-adevr ecoul Big Bangului nsui? Raionamentul este destul de Laboratoarele Bei i din New Jersey (fr g inau l de simplu; radiaia a fost probabil emis cnd Universul avea o temperahIr de 3 000 de grade. porumbel care i -a derutat In i ia l pe aslronoml ) . Pe msur ce ea cltorea spre noi, spaiul n care se mica se mrea continuu, extinznd astfel lwnina la IWlgimi de und din ce n ce mai mart ceea ce a condus la temperahIIi aparente din ce n ce mai mici. ntlnim astfel pentru prima dat fenomenul cunoscut ca deplasarea ctre rou (redshiftJ, care a ajuns s aib o importan fundamental.

Descoperirea fondului cosmic de microunde a ntrit considerabil mai multe dintre previziunile teoriei Big Bangului. De exemplu, s-a descopelit c radiaia emis era similar cu cea pe care se presupune c o emite un corp negru, un obiect ipotetic care absoarbe toate radiaiile pe care le ntlnete. Dac este nclzit, emite radiaie nh-un spectru n care intensitatea luminij la orice lungime de und depinde numai de temperatura sa. n practic, aceasta ne spune ceva despre nahlra emitorului - de exemplu, obiectul ar trebui s fie

46

tJ. Cerul n infraroii J u mtatea de sus a imagin i i a rat o fotografie cu

expunere [ung fcut n i n frarosu cu telescopul spaial

Sp i tzer. in partea de jos este lumina rezld ual d up

ndeprtarea tuturor surselor din prim-plan ident i ficate

S-a afirmat recent c radiaia rmas contine lum in

u l t raviolet emis de primele stele, devlat acum

de expans iunea cosmosulU i ctre partea rnfrarosie a

spectr u l u i . Dad aceast teorie se confirm, aceasta

va deveni una d intre imagin i le reprezentative a le

astronomie; .

De la 300 000 la 700 de mi!io

51 ,ltunci s -a fcut lunlin

C

48

... Urme ale Big Bangului

Captate de satelitul COBE, aceste hri arat foarte

miCI diferene de temperatur pe cer, reflectnd neconformitlle dm U nivers n perioada de inceput.

n Imaginea de sus sunt reprezentate datele

neprelucrate, n cea de la mijloc este ndeprtat efectul

micrii Pmnlulul ln spat iu , iai" ln cea de JOs vedem rezultalul compensrir rad,allel venind dinspre Calea

Lactee, rmnnd doar diferentele de temperatur

rezultate din rmiele Big Bangului.

De la 300 000 la 700 de milioane de ani nB

a artat satelitul COBE (COsmic Background Explorer - Exploratorul de Fond Cosmic), materia nu era perfect uniform atunci cnd radiaia FCM a fost emis. Zone cu o densitate peste medie au atras gravitaional i rnai mult materie. Compresia a dus la nclzirea uoar a acestor zone - iar acestea sunt variaiile detectate i msurate.

Fr fluchwii asupra crora s acioneze gravitaia, ar fi fost imposibil ca dintr-un Univers care era complet unfonn atunci cnd a fost emis FCM s fie creat Universul neuniform, plin de "cocoloae" pe care-l vedem azi. Pe de alt parte, dimensiunile fluctuaiilor pe cer sunt de asemenea importante. Ceea ce rezult din observaiile noastre asupra FCM este n esen o hart a cetului n ansamblu i este uor de vzut c regiwlile albastre (mai reci) i cele rou (mai calde) par s fie aproxinlahv de aceeai mrime. Ele msoar n medie un grad n

i atunci s-a fcut lumin

diametru, de dou ori mai mult dect mrimea aparent a Lunii pline. Dup o analiz atent, cosmologii pot conf1nna doar pe baza acestei dovezi c Universul este plat. Aceasta este posibil deoarece cunoatem dimensiunea real, fizic a fluctuaiilor din Univers n pelioada de nceput; ele sunt prevzute de teorie. Comparnd aceast dimensiune preconizat cu cea aparent aflm cum a fost curbat lumina de cnd a plecat de la surs, iar aceasta depinde de cantitatea de materie din Univers. Cu ct exist mai mult materie, cu att lumina este mai curbat. ntr-un Univers nchis, lumina ar fi fost deosebit de curbat, iar efectul net ar fi fost c fluctuaiile ar fi prut mai mari dect se preconiza. ntr-un Univers deschis - unul n care ar exista puin materie - fluctuaiile ar fi prut mult mai mici. De fapt, comparnd simularea cu realitatea, aflm c n Univers exist doar cantitatea critic de materie - i c este plat.

Aceast discuie ilustreaz o idee care provoac n egal msur entuziasm i frustrare cosmologilor. Entuziasm, pentru c reveleaz c studiul fondului de microunde ne poate da infonnaii nu numai despre momentul foarle aproape de nceput cnd acesta a fost emis, ci i despre istoria Universului de arunci ncoace. i aceasta este o problem; dac vrem s tragem concluzii fenne despre Ctun era Universul n perioada de nceput, trebuie s avem grij s clarificm unele efecte mai recente, ceea ce poate fi dificil.

49

.. Universul lui Copernic

Harta intocmit de Copernic a fost una dintre primele care au reprezentat Soarele n centrul sistemului nostru

Bariera luminii solar. O premis fundamental care st la baza tuturor Am vzut c, nainte de crearea fondului de micwtmde, Universul era opac; nici o lwnin nu ncercrilor noastre de a inelege Universul este c zona putea parcurge acolo distane lungi. Nu putem privi napoi spre aceast er aa cum noastr din Univers nu este cu nimic special i c, nu putem ridica privirea de pe Pmnt ca s vedem ce se ascunde ntr-un nor. Aceast prin urmare, putem trage concluzii asupra intregului analogie nu este perfect, dat fiind c un nor nu are lumin proprie; o imagine mai bun ne din ceea ce vedem. Suntem ghidai de aa-numitul este oferit de Soare. Vzut din afar, acesta pare s aib o suprafa definit (fotosfera), dar principiu al lui Copernic, care postuleaz mai formal c ceea ce vedem nu este dect limita unde materia devine transparent. n interiorul fotosferei, nici o teorie nu ar trebui s-I pun pe observator ntr-o gazul este att de fierbinte, luminos i dens, nct fotonii nu pot trece pe acolo fr s se poziie privilegiat. Pan acum, s-a dovedit c a avut ciocneasc - cam la fel stteau lucrurile imediat dup Big Bang. n exteriorul fotosferei gazul dreptale - nici Pm.!tntul nu este n centrul Universulu i , este transparent i fotonti pot trece liber, cam aa cum s-a ntmplat n Univers imediat dup nic i Soarele. Nici unul dintre ele nu este n centrul transparen - momentul cnd a fost creat FervL galaxiei noastre, iar galaxia noastr nu este singura din

n ceea ce privete analiza norilor, avem o soluie simpl - tmdele radio penetreaz Univers, nici mcar nu este una foarte deosebit. uor norii i deci tot putem obine nite informaii de dincolo de ei sau din interiorul lor. Nu putem ns folosi aceeai soluie pentru FCM. Limita de 300 000 de ani se aplic tuturor radiaiilor electromagnetice i pare s fie o barier insurmontabil. Atunci Clun putem vorbi cu certitudine despre condiiile existente nainte, aa cum am fcut-o pn acum, cu excepia ultimelor paragrafe? Deocamdat, trebuie s ne bazm pe teoriile existente, dintre care multe pot prezice cum ar arta fondul de microunde. Apoi putem s comparm aceste teorii cu FQ..1 real i s tragem concluziile corespunztoare.

Totui, n mod ideal, am vrea s putem vedea dincolo de aceast barier i exist numeroase proptmeri privnd modul de a realiza acest lucru. Am putea fi capabili s detectm particule cu o energie foarte mare care au supravieuit neschimbate din epoca anterioar fondului de microunde. Poate c deja detectm asemenea particule, sub fonna neutrnilor aproape lipsii de mas sau n alte fonne de materie neobinuite, ns un telescop pentru neutrini, care s poat detecta aceste particule i localiza sursa lor, nu a fost construit nc.

Privind napoi n timp Cosmologii nu pot utiliza eantioane i nu le pot analiza n laborator, aa cum fac chimitii i fizicienii, ns ei au un avantaj extraordinar: pot s priveasc literahnente napoi n timp i

50

........ De ci savani este nevoie pentru a schimba

un bec?

n cadrul experimentului Super-Kamiokande realizat n Japonia se folosesc mai multe mii de tuburi fotomultiplicatoare aezate in jurul unui rezervor de ap ultra pur, pentru a capta lumina produs de interaciunile neutrinilor cu apa. n 200 1 , majoritatea tuburilor au explodat, fiind nevoie de reparaii ample.

n aceast imagine, savanii ntr-o barc gonf[abil verific tuburile pe msur ce bazinul este reparat i reumplut.

De la 300 000 la 700 de milioane de ani D.B.

pot observa obiectul pe care-l studiaz aa cwn era cu milioane de ani n urm. Amintii-v c pentru a vedea tot mai departe inapoi n timp trebuie doar s cutm corpuri care sunt din ce n ce mai departe de Pmnt. Dup cum am vzut, aceasta nu se aplic acelor eveniente dinaintea transparenei, care sunt ascunse n Universul de la nceput, dar deocamdat discutm despre evenimentele pe care am putea s le observm n mod direct.

Acest capitol a nceput cu momentul n care Universul a devenit transparent, un moment al crui ecou observabil este fondul cosmic de microunde. Experimente recente, cum ar fi Boomerang, Maxima i WMAP (vezi paginile 52-53), au confirmat variaiile mici de temperatm ale acestei radiaii detectate de COBE. Jnterpretm acest lucru ca pe un indiciu c au existat ntr-adevr neregulariti n densitatea Universului la acest moment, de aproximativ o parte la zece mii. Totui, variaiile de densitate pe care le vedem n jurul nostru astzi sunt mult, mult mai mari. Vedem superroiuri enorme de galaxii, regiuni unde mii de galaxii se grupeaz laolalt, i alte zone ale spaiului unde materia aproape c lipsete.

Calea Lactee, galaxia noastr, este doar una dintre milioanele de galaxii spirale i v putei imagina c nu exist nici un motiv s ne ndoim c galaxiile (sau, mai degrab, grupurile de galaxii) sunt mprtiate pur i simplu la ntmplare n Univers. Totui, imagini de mari proporii ale galaxiilor dezvluie foarte multe structuri n form de fagure la scar mare, inclusiv un "Mare Zid" cu o lungime de aproximativ 30 de milioane de ani-lumin. Cum a evoluat Universul devenit transparent de la starea lui timpwie, aproape unifonn, dar nu tocmai, la forma pe care o are astzi?

Gravitaia, fora universal Singura for pe care n mod normal am considera-o semnificativ pe distane astronomice este gravitaia, iar fora de atracie gravitaional exercitat de un COlp - fie el o stea, o planet, un om sau un nor de gaz - depin.de de ct de mult materie este n el. Observai c "masa" i "greutatea" nu reprezint acelai lucru - masa este o msur a cantitii de materie prezent, n timp ce greutatea descrie fora datorat gravitaiei. Deci un astronaut care se afl pe orbit n jurul Pmnh..llui nu are greutate, dar cu siguran nu putem spune c nu are mas. Putem defini gravitaia ca "fora care d greutate masei" . De exemplu, Luna

.. Ice Cube este un membru relativ mic al familiei Soarelui nostru i are o for de atracie att de slab Cel mai recent telescop pentru detectarea neutri ni lor, nct nu a putut mcar s rein o atmosfer. Pmntul este mult mai mare dect Luna, deci Ice Cube, n construcie din anul 2006, va folosi are o capacitate mult mai mare de a atrage obiecte spre el. Astfel, din fericire pentru noi, el 4 200 de detectoare amplasate n 72 de puuri spate poate reine atmosfera pe care o respirm. Similar, zonele dense din Univers n perioada de adnc n gheata Antarcticii. Se sper ca detectoareJe nceput aveau o for gravitaional mai mare dect zonele mai puin dense, atrgnd astfel s vad scnteile de lumina produse de neutri ni intr-un materie din mprejurimi. Desigur, aceasta le sporea fora gravitaional - i aa mai departe, kilometru cub de ghea pur. n imagine vedem cum procesul accelerndu-se continuu. i aici, aa cum se ntmpl adesea, bogaii deveneau mai este cobort un senzor n locul unde trebuie s se afle. bogai, iar sracii mai sraci!

52 De la 300 000 la 700 de milioane de ani D.B .

...... Univers virtual n interiorul fiecreia dintre aceste zone mai dense existau alte variaii localizate ale Un cadru static dintr-o simulare pe calculator a densitii i acionau aceleai tipuri de procese - o mas mai mare, o for de atracie mai dezvoltrii Universului n perioada de nceput arat o mare, mai multe prbuiri galopante. n prezent, putem reconstitui pe computer ce s-a parte a acestuia cu Itimea de un mil iard de ani-lumin. ntmplat i putem construi un model CaIe ofer o bun reprezentare a evoluiei struchuii de Fiecare fi lament conine materia care se va strnge mari proporii pe care o vedem astzi n Univers. laolalt pentru a forma mii de galaxii, iar simularea Oriw1de se formeaz structuri, trebuie s lum n considerare dou tendine opuse; indic faptul c Universul devine tot mai neregulat in extinderea spaiului, care a nceput odat cu Big Bangul, i, la nivel local, contracia sub timp. Aceast simulare include efectul materiei negre influena gravitaiei. Odat ce un corp n formare acumula o mas suficient, putea rezista (dark matter), care interacioneaz numai prin gravitaie. procesului general de extindere i se prbuea. Pe de alt parte, nu ia n considerare posibilele efecte Un roi de galaxii va fi avut la nceput dimensiuni reduse, mrindu-i volumul odat cu ale materiei "normale", o sarcin mult mai dificil expansiunea Universului, acwnulnd continuu materie din mprejurimi. Pe msur ce materia pentru un computer. Cu toate acestea, comparnd pe care o putea acumula se mpuina, raiul s-a mrit mai lent pn cnd a ncetat s se asemenea simulri cu realitatea observat, oamenii de extind. Dup ce roiul local de galaxii n formare se extinsese la maJdmum, acesta a putut s tiin au putut afla foarte multe despre Universul n se prbueasc la mrimea lui final. Fora gravitaional slbete odat cu creterea distanei, care tr im. astfel nct, n aceast etap a evoluiei Universului, prbuirea gravitaional era posibil

doar la scar mic - se formau primele galaxii, niste simple aglomerri de gaz.

Timpuri crepusculare Cum artau aceste aglomerri? Nu le putem vedea deoarece ne uitm nc la ceea ce Martin Rees, al 15-lea astronom regal, a numit "timpurile ntunecate" . n aceast perioad, nceput imediat dup epoca fondului de microunde, nu existau stele care s lumineze.

ns exista, desigur, ecoul relativ recent al momentului transparenei. Aceast radiaie (pe care ar trebui poate s o nwnim acum fondul cosmic de radiaie electromagnetic, n loc de FCM) a aprut la o temperatur de aproximativ 3 000 de grade, comparabil cu aceea a

..... Boomerang unei flcri cu oxiacetilen, deci a existat de fapt o lumin difuz, care a devenit din ce n ce Imaginea prezint balonul de aproximativ 300 000 m3 mai slab i mai roie, n toat aceast perioad. n realitate, poate c este corect s spunem care a transportat n stratosfera echipamente destinate c in Univers nu a fost niciodat complet noapte, ci doar sear! experimentelor asupra FCM, chiar nainte de ridicare; n Prbuirea gravitaional a materiei care a sfrit prin a forma galaxii a continuat n lumina fundal se vede Muntele Erebus din Antarctica. tot mai slab a Universului n rcire. Apoi a intetvenit o schimbare dramatic; semintunericul

a fost brusc Iwninat cnd au aprut o mulime de stele. Universul a explodat ntr-o revrsare de lumin. Ct de brusc a fost aceast schimbare este nc un subiect de controvers, ns a venit momentul s vorbim despre epoca n care au aprut primele stele.

Din toate punctele de vedere, n momentul Big Bangului au fost create doar trei elemente: hidrogenul, heHul si o cantitate mic de litiu; alte elemente erau prezente n cantiti neglijabile. Toate celelalte elemente pe care le cunoatem astzi au fost sntetizate n interiorul stelelor. S-a spus adesea c suntem "praf de stele" i este foarte adevrat. Materia din Soare

S 1 ntregu l nOShT\ sistem solar au fost dej.] reu bliza te prin formarea, probabil, CI dOUJ generiJ tii de stele. Dup5 cum vom vcdm lllai trziu, exploziile din viiJa mu l lor stele transtorm5 hidrogcnul si heliul n elellll'n te mai grele. De exem p lu, prezeniJ aurului este un indiciu clar (O l...,a teriJ CI prown i t din cxploziJ unei supernove. Pe de alt parte, primele stele Glre s-au turr:1Jt nu co,l in eLlu dec5t trei elemente, cde m a i usoare.

n:,, tr,J G forma o stea, o iJglomerare de gaz trebu ie 55 se prbu?casc, iJr pen tru J .se pdE):si tre':)llie SJ se rJceJscil. n Un iversu l de Jstilzi radiaiE1 proven ind de la Jtomii de

54

.... Un recensmnt galactic

Cmpul de dou grade (wo-Degree Fle ld, 2dF) a

msurat deplasa rea spre rosu El 240 000 de galaxi i

(echivalent cu viteza cu care acestea se ndeprteaz

de noi ) . Exper imentul a fcuI msu ratori n dou benzi

situate Il d i rectii opuse pe o d istan de Li n m i l iard de

an i - l um in n vecintatea sistemu lu i solar . Vi tezele se

trad uc n d istante, Iar ha rta tr id imensional care rezult

a rat cum este d i str ibuit masa n U n iversul ce ne

nconJoar . Ha rta arat n u m a i 20-30% din masa loIal

de care a r f i nevoie pentru ca U n iversul s fie " plai" .

Deoarece a lte experi mente ind ic faptul c acesta este

plat. este evident nevoie s presupunem c eXist un

fel de materie neagr (dark matter) - a crei prezent

este s imit doar prin gravitat ie, dar care n u poate fi

detectat altfel

De 1(1 300 000 la 700 de milioilne de ani D.B

carbon i de oxigen ia energie din aglomerrile de gaz care se prbuesc, ns n epoca pe care o descriem - unde nu exista alt surs de rcire n afara hidrogenului molecular procesul era mult mai puin eocient. Prin urmare, munai aglomerrile mari se puteau prbui, iar stelele care se formau din ele erau de asemenea foarte mari. Primele stele au fost ntr-adevr foarte masive - avnd o mas poate de sute de ori mai mare dect a Soarelui din sistemul nostru solar. Cu rezervele lor enorme de combustibil, ne-am atepta ca aceti gigani s strluceasc mult mai mult timp dect Soarele, dar, de fapt, este tocmai invers. Primele stele au trit puin i au murit tinere, supravieuind doar cteva lliilioane de ani. Prin comparaie, Soarele nostru va avea o durat total de via activ de aproximativ nou miliarde de ani.

Sursa energiei stelelor Pentru a nelege de ce s-a ntmplat asta, trebuie s analizm condiiile existente n centrul stelelor. O singur stea este disponibil pentru a fi studiat ndeaproape - Soarele . Acesta, ca toate stelele normale, este o sfera imens de gaz incandescent, suficient de mare s cuprind peste un milion de corpmi cereti avnd volurnul Pmntului. Suprafata lui are o temperatur de 5 600C, n timp ce nucleul, unde se produce energia, atinge in jur de 15 milioane 0c. Nu putem pli"vi prea departe n interiorul Soarelui, dar i putem exarnina compoziia. Putem construi modele matematice care par s corespund obsel\!aiilur i, astfel, putem estima cu certitudine temperatura centrului su. Soarele conine foarte mult hidrogen, care reprezint aproximativ 70% din masa lui. Acest hidrogen setvete drept " combustibi l" . La fel se ntmpla i n cazul primelor stele.

Am vzut c un atom de hidrogen, cel mai simplu dintre toi,

Si atunci s-a fcut lumin 55

ciudate numite neutrini; despre toate acestea vom vorbi mai mult n curnd. n procesul ..... n interiorul Soarelui de formare a heliului, se pierde puin mas i este eliberat foarte mult energie. Aceast Distanta de la centru la fotosfer este de aproape energie eliberat face stelele s lumineze, iar Soarele din sistemul nostru solar pierde o mas 700 000 km. aproximativ egal cu un drum dus-ntors echivalent cu pahlJ milioane de tone n fiecare secund. Soarele este mult mai mic acum de la Pmnt la Lun. dect cnd ai nceput s citii acest paragraf. RezelVele de hidrogen nu pot dura la nesfrit, dar nu exist motive imediate de ngrijorare. Soarele a aprut acum aproximativ cinci miliarde de ani i deocamdat, dup standardele stelare, nu a ajuns dect la jumtatea duratei sale de via. Cnd tot hidrogenul disponibil se va fi consumat, el nu se va stinge pur i simplu; dar aceasta este o alt poveste, dintr-un alt capitol.

Aadar, cel puin n ceea ce privete Soarele, energia care l face s strluceasc este furnizat de pierderea de mas prin conversia a patru nuclei de hidrogen ntr-ull singur nucleu de heliu mai uor. Cea mai cunoscut ecuaie din lume, E ::: mc2, ne spune c rnaS

56

e'

o

Hel iu -3

Hel iu

De la 300 000 la 700 de milioane de ani D.B.

Cum dispare aceast materie? Fiecare dintre cei patru nuclei de hidrogen este format dintr-un singur proton - atomul de hidrogen este cel mai simplu dintre toi atomi fiind compus doar dintr-un electron care se rotete n jurul unui proton -, n timp ce nucleul de hehu este alctuit elin doi neutroni si doi protoni. Pe de alt parte, un neutron este puin mai greu dect un proton, astfel nct, dac adunm masele proprii ale particulelor, se pare c nucleul de heliu trebuie s fie mai greu dect patru atomi de hidrogen; masa pare s fi crescut. Cu toate acestea, tm nucleu de heliu cntrete mai puin dect patru protoni, dei este compus din particule mai grele. Suntem obligai iari s ne amintim c suntem n domeniul fizicii cuantice i c efectele asociate ale acesteia predomin, iar soluia se afl tot aici. Dac msurm masa unui proton izolat, aceasta este puin mai mic dect a unui neutron, ns particulele subatomice nu sunt libere. ntr-un atom de heliu ele sunt unite de fora nuclear puternic i au mai puin libertate de micare. Crearea acestor legturi ntre particulele subatomice elibereaz energie i putem constata o scdere a masei.

De ce are nucleul produs doi protoni i doi neutroni? Pentru astrofizicienii care studiaz aceste reacii ar fi mult mai simplu dac ar fi posibil s se formeze o legtur stabil doar ntre doi protoni. Atunci acest "heliu uor" ar putea fi produs prin ciocnirea ctirect, frontal a doi protoni, care ar elibera radiaie electromagnetic. ns forele care acioneaz ntre doi protoni nu Slutt destul de puternice s-i in laolalt cnd, dat fiind c amndoi transport o sarcin pozitiv, fora electromagnetic ncearc s-i despart. n loc s um1eze aceast schem simpl de combinare a protonilor, procesul care are loc n interiorul Soarelui, i, mai mult, al tuturor stelelor, este unul subtil si surprinztor de lent

Deoarece nu putem s ptmem laolalt doi protoni, trebuie s gsim o cale de a evita aceast stare care blocheaz formarea nucleilor mai complicai. Trebuie s lum aici n discuie nucleii, nu atomii ntregi, pentru c, la temperahnile e:>dstente n centrul unei stele, elecn-onu, care n mod normal se nvrt n jLUUl nucleilor, fonnnd atomi, au mult prea mult energie pentru a fi captai. Singura for care poate fi de ajutor este fora nuclear slab, care detennin spontan protonii s se dezintegreze n neutroni, elibernd un pozitron ?i un neutrino. NeutronuJ nou creat este captat de un proton care trece pe lng el, formnd un nucleu de deuteriu. Deuteriul este n esen hidrogen greu, atomul lui coninnd si tu1 neutron care se adaug la obinuitul proton. Fora slab se dovedete pe msma numelui ei, aceasta fiind etapa cea mai lung - un proton poate sta n medie cinci miliarde de ani n centrul Soarelui nainte s formeze un nucleu de deuteriu - ns de acum procesul se accelereaz.

. Fuziune nuclear ntr-un timp mediu de aproximativ o secund, nucleul de deuteriu mai prinde un proton, Atomii de hidrogen fuzioneaz, formnd heliu n centrul formnd un nucleu stabil cu doi protoni i un neutron - heliu-3, o form de heliu uor. n Soarelui, genernd energia care ne d lumin, cldur 500 000 de ani, n medie, acest nucleu se va ciocni cu altul, formnd mai cunoscutul nucleu de i via. Acest proces este cunoscut sub numele de heliu cu doi pratom i doi neutron, i elibernd doi protoni care remcep ciclul. Aceast etap ciclul proton-proton. este ntrziat din cauz c este dificil ca doi nuclei mari cu sarcini pozitive s se tmeasc. Fora

puternic, acionnd pe distane extrem de mici, atrage nucleii lUlul ctre altul, ns ace?tia SW1t respini de fora electromagnetic, prin care particulele cu sarcini pozitive Stmt inute la distan una de alta. In cele elin urm, nucleu vor trece destul de aproape unul de altul pentru ca fora puternic s acioneze, rezultnd energie sub form de radiaie, un pozitron, care se combin cu antiparticula lui i elibereaz i mai mult energie, i W1 neutrino.

Neutrinii sunt particule minuscule care se mic cu vitez mare i interacioneaz rar cu alte particule, nind asadar din centrul Soarellu relativ nestnjenii, prin masa de gaz din jur. Unii ajung pe Pmnt, unde s-au construit mari detectoare pentru a-i descoperi. Muli ani, aceasta a reprezentat o problem - cci erau prea puini neuhi.ni pentru a fi detectai -,

se crede,] c un neutrino trebu ie s fie produs la fiecare secven de ciocniri care duceau ... Soarele activ la fmmJreJ unui nucleu de heliu. Neutrinii au o capacitate remarcabil;) de a -i schimba Aceast Imagine arat o protuberant enorm de forma "aroma" (t ipul) pe pJrcurs. Specialitii n fizica particulelor tiu c exist trei tipuri de unUi mner - un nor de plasm relatiV dens suspendat neu trini, i se pJre c acetia au capacitatea de il se modifica permanent dinh--un tip n alnd" n coroana solar la o temperatur de 60 000 de grade Experimentele iniiale nu detcctau dect un anumit tip de neutrino, dar ne-au confinnat Zonele ma l fierbinti a u o culoare mal deschis, cele mal c teoria noastr despre ce se ntmpl 111 centrul Soarelui, la o tcmperahtr mult mai reci, mal nchis. Illare dec t s-ar putea atinge n orice experiment de pe PmJnt este n esen corect. De asemenea, ele au furnizat prima dovad solid c5 neutrinii au o mas finit (dar mic), pentm c, dJc ar fl l i psiti de l1"las, nu ar putea s se transforme dinh"-un tip de particul n altul.

De J

Si ,atuil(:i :Hl fi:'iqut liJinin

, : : : : - '; : ,. ' . electrbn'u lu i sca.de;, :a,esa elnj,}ld en,ergTe, iar dat gazul este rece, privind pe un -fundal

neagr de absorbVe, cci energia electron i lor crete; ace$'tia -abSP,rbind -e_nergje cu ce:eai' frecveri'.- Perechea d istinctiv de l i n i i negre care a"pa:r: :n- partea 'galben a' -spetru'l u i 'solar este -un in'iCiu c lar al preie n,tei gazu lu i - de sod iu relativ rece. Stud i ind aceste .l i n i i l raunhofer, s-a putut demonstra c exist o abunden de elemente gazoase n atmosfera intern a- Soare l u i , o regiune denumit adesea " stratul de i nvers iune ' .

L in i i le negre , num ite aCU lll l i n i i_le Fraunhofer, pot furn iza i nformai i:d,e:.;pre m ica re i , i nd i red, d espre d istari . - Ascultai si ena ue i ambu la-ne. Cnd rriai'na se' aprpie, la u rech ajung mai m'ulte"unde sonor pe secunq. dett dac aceasta ar staiona ; l ungime

.. Centrul Cii lactee Viaa primelor stele n aceast imagine n i n frarosii surpr insa c u telescopul Da t fund c primele stele care au apru t n Univers - cele care au pus capelt epocii spa ia l Spltzer al NASA se observ sute de m i i de stele nhlneliculu i - erau foarte mari, fiecare avnd poate o greutate echivalent5 cu cea a n centrul galaxiei noastre_ La lumin v iz ib i l aceste stele 150 de sori, presiunile gravitaionale datorate dimensiunilor lor imense au produs o nu pot fi vzute deloc, d i n cauza prafu lu i d intre Pmnt temperatur foarte ridicat n cenh'cle lor. Reaciile nucleare cJre fac stelele s5 strluceasc $1 centl"ul galax ie i . s-au desfurat probabil mai rapid, astfel nct materia a fost repede epuizat. Primele stele

au rmas fr combustibil intr-o perioad deshll de scurt, poate nh--ul1 milion de ;::mi . nain te de apariia primelor stele, Universul e r a o mare de a tomi, n special de hidrogen .

Stelele gigantice s-au 3prins i rJdi3iJ emis de el e s-a revrsat n afar, scotnd e lectroni i din atom i - carc, astfel, au fost ionizai. Treptat, fiecare stea nou Jpiimt a fost nconjurJt de lffi balon de gaz ionzat. Stelele mai putern ice au produs probabil mai mult gaz ionizat. Energia stelei putea influen a acest gaz doar la o anumita distant, ns aceste stele erau destul de mari si aveau deshlla energie pentru a crea nori de gaz enormi, cu u n diametru de zeci de n1ii de ani- lumin.

Ce s-a ntmplat apoi? Din cnd n cnd, norii de gaz ce nconjurau dou stele diferite se ntlneau . Imediat, toat materia pe care o con incJu era C'>-''Plls lumini i combinate a celor dou stele. Primi nd o energie de dou ori mai mare, norul de gaz se mrea mult mai repede. Aceasta nsemna c era foarte probabil ca norul n crestere s se cocneasc de un alhll din vecintate, ntregul proces accelerandu -se. ntr- o perioa d relativ semt,

un U nivers n COlre predominOl hidrogenul s-a transfonnat ntr-unul n CCHe 99% din materie era ion izatJ .

Gurile negre - un drum fr ntoarcere Exist i o alt cauz care ar pu tea s fi produs aceast prim ionizare. Aproape toate galaxitlc, inclusiv

62

)Il. Viteza de invingere a atraciei gravitaionale Daci'i a runcai u n obiect n sus, va a junge pn la o

a n u mit nl ime, se va opn, d u p aceea va cdea

napoI pe Pmnt. oac-1 a runcai ma i repede, va

ajunge mai sus. Dac-1 aruncai cu o vitez de 11 I

Si atunci s-a fcut lumin5

rezervat Soarelui nostm, o astfel de stea foarte nlasiv poate fi menit s sufere o explozie distrugtoare_

Straturile externe ale unei stele sunt sustinute de energia produs de reaciile nucleare din centrul ei . Cnd combustibilul necesar pentru acest proces este epuizat, aceste strattui externe se prbuesc, sporind presiunea i tenlperatura din centrul stelei. Aceste schimbri perm i t nucJeilor de heliu, rezultJi n urma seriei de reacii precedente, s se ciocneasc i s5 reacioneze nhe ei, formnd elemente mai grele. ntre timp, hidrogenul din jurul nucleului stelei va continua s ard; drept Uffilare, steaua capt o structurii asernn5toare unei cepe cu multe straturi, pe msur ce sunt produse elemente tot mai grele n centrul ci . n cele din urm, este produs fierul i ciclul se oprete. Nucleii de fier sunt cei mai stabili, aa c atunci cnd se ciocnesc nu se produce, ci SE' pierde energie. Cnd centll.1l unei stele mari se transform ntr-unul de fier, nimic nu poate mpiedica straturile externe s se prbueasc spre interior. Se formeaz repede un centru dens i o und de soc strbate steaua, propulsnd restul materiei n exterior, ntr-o ma.re explozie de cldur i lumin - pe care o vedem ca o supcrnov. Exploziile supernovelor sunt foarte violente. Mai violente sunt hipernovcle, crea te cam n acelai fel, dar care marcheaz coJapsuJ unor stele gigantic\::' . Totui, nu am fost nc martori la cca mai mare explozie dintre toate: fenomenul cel mai devastator cunoscut sub numele de explozie de raze g':llnm

.. Supernova 1 987a n stnga ved em supelnova asa cum era na l ilte

ele raze gcllllm

,6

,.. Explozii de raze gamma

O hart complet a cerului a(tnd exploziile de raze gamma nregistrate intr-un Interval de nou ani de Campion Gamma Ray Observatory (Observatorul Campion de Raze Gamma). Planul g

68

.... Rmia supernovei lu i Kepler

Tn aceast i magine combinat, ob inut pr in observat i i

la l u m i na v iz ib i l , cu raze X i c u infrarosi i , putem vedea cum arat astzI supernova lui Kepler, care a explodat

n galaxia noastr n urm cu peste 400 de ani. Printre

caracteristic i le observate se n u mr u n nvel is formal

din restun le stelei care a explodat, care se m ic rapid

i este nconjurat de o und de soc ce duce cu ea gaz

i praf cosmic

De la 300 000 la 700 de milioane de ani D.B

Relativitatea - un ghid pentru observatori Fizica gurilor negre este scris firete n limbajul teoriei generale a relativitii i merit s v facei timp penbu a nva acest limbaj. Dup Einstein, dac doi obselvatOii diferii, fiecare cu cadml lui distinct de referin, accelereaz (sau i reduc viteza) unul fa de cellalt, scara timpului lor nu va fi aceeai. Cu alte cuvinte, dac eu pot obselva c trec zece secunde, tu, mrind viteza cu care te ndeprtezi de mine, poi observa c trec doar ase.

Suntem tentai n primul rnd s ntrebm cine are dreptate i apoi s cutm vreo mecherie ce ar fi putut da ceasurile peste cap. Relativitatea ne spune ns categoric c amndoi obselvatorii au dreptLlte i c nu e nici o mecherie: pen