Formarea si evolutia universului

Coordonator: Resiga Cornel Elev: Pasca Ioana

Colegiul National “Avram Iancu” Cimpeni

Cuprins

1. Originea Universului…………………………………………………32. Argumente pro pentru teoria Big Bang…………………………....43. Argumente contra teoriei Big Bang………………………………...54. Big Bang………………………………………………………………75. Formarea particulelor elementare………………………………….86. Atomii………………………………………………………………….97. Stelele si Supernovele………………………..……………………108. Galaxiile……………………………………………………………..129. Centrul galactic……………………………………………………..1310. Distributia materie in Univers……………………………………..1511. Concluzii……………………………………………………………..1712. Bigliografie

Originea Universului

In ultima vreme se raspandeste tot mai mult asa-numita ipoteza a marii explozii (big-bang, in limba engleza).

Aceasta ipoteza se bazeaza pe unele date obtinute prin observatii astrofizice si pe cunostintele de fizica atomica si nucleara.

• Problema originii Universului si a Sistemului Solar a preocupat pe oameni de multa vreme. S-au emis diverse ipoteze care au incercat sa raspunda la aceasta preocupare.

              Se afirma de asemenea ca universul este in continua expansiune (vezi figura alaturata), ca galaxiile se departeaza unele de altele, astfel incat dupa fiecare miliard de ani, universul este mai mare cu 5-10 %.

Argumente pro pentru teoria Big Bang

In mare, teoria sustine ca in momentul 0, intregul univers era concentrat intr-un singur atom universal, un fel de “ou primordial”, care a explodat cu aproximativ 13,7 miliarde de ani in urma, dand nastere particulelor, din care ulterior s-au format corpurile ceresti si galaxiile. Suportul stiintific pe care se bazeaza teoria este alcatuit din trei elemente:              1). Varsta celor mai batrane stele este de 12-15 miliarde de ani.              2). Analiza luminii emise de galaxii indica faptul ca ele se departeaza unele de altele.              3). In toate regiunile din univers exista o radiatie slaba (un fel de fosila), un ecou al torentelor de caldura si lumina din momentul exploziei.

Argumente contra teoriei Big Bang

Teoria Big Bang, desi e imbratisata de numerosi oameni de stiinta, ridica o multime de probleme nerezolvate :

1.Nu exista nicio cale experimentala pentru a verifica veridicitatea acestei teorii. 2. Conform teoriei Big Bang, in urma exploziei materia ar trebui sa fie distribuita

in univers in mod uniform si aleatoriu in toate directiile.               Realitatea pe care o gasesc astronomii “pe teren” este cu totul alta:

materia este distribuita neomogen in univers. Pretutindeni exista neregularitati, cu zone de materie foarte densa ( galaxiile ), dar si zone care se apropie de vidul absolut ( spatiile intergalactice ).

3. Conform teoriei Big Bang, toate galaxiile ar trebui sa se departeze unele de altele, la fel cum se intampla cu fragmentele rezultate in urma unei explozii obisnuite. Realitatea “pe teren” este alta: sunt zone in univers in care galaxiile se apropie unele de altele.

4.Cartografierea recenta a unei zone din universul apropiat de noi contrazice afirmatiile teoriei Big Bang.  De-a lungul anilor, s-au facut o multime de studii cu privire la distributia galaxiilor cunoscute. Insa oricat de elaborate au fost acestea, ele nu au putut acoperi decat diferite segmente.

5.Conform teoriei Big Bang, ca urmare a exploziei initiale si a distributiei uniforme si aleatoare a materiei, universul ar fi trebuit sa fie sferic. Cercetari recente arata ca universul este mai degraba plat , unii cercetatori lansand modelul universului avand forma unei pilule ( oval alungit ).

6. Primele doua legi ale termodinamicii contrazic teoria Big Bang.           - Prima lege a termodinamicii, numita si “legea conservarii energiei”, afirma

ca energia nu poate fi nici creata , nici distrusa, ci poate doar sa se transforme. Daca energia nu poate fi creata, atunci cu siguranta niciun lucru nu poate sa provina din nimic. Oamenii de stiinta evolutionisti stiu prea bine acest adevar, insa il ocolesc intentionat.

- A doua lege a termodinamicii, numita si “legea entropiei”, afirma ca energia se transforma in intotdeauna spre o stare din ce in ce mai haotica, din ce in ce mai putin utilizabila. Posibilitatea aparitiei unui univers din ce in ce mai organizat , dupa asa-zisa explozie initiala si fara interventia unei cauze externe,  este contrazisa de legea entropiei . Chiar daca s-ar fi produs Bing Bang-ul, conform celei de a doua legi a termodinamicii, universul ar fi evoluat spre haos si entropie maxima ( dezordine ) , nu spre un un univers organizat asa cum il vedem astazi.

7. Limitele cunoasterii in teoria Big Bang. Oamenii de stiinta sunt nevoiti sa recunoasca ca exista niste limite ale cunoasterii peste care nu pot trece. Ei vorbesc chiar despre “un zid” de netrecut pentru cunoasterea umana. De fapt, astrofizicienii iau ca punct de plecare al expansiunii universului momentul 10 la puterea minus 43 secunde, varsta la care se presupune ca universul era cuprins intr-o sfera de 10 la puterea minus 33 cm. Acesta este “zidul” de netrecut pentru cunoasterea umana. Dincolo de acest moment sunt doar presupuneri, ipoteze, imaginatie.

Big Bang

Prima expansiune s-a petrecut cu o viteză mult mai mare decât cea a luminii şi poartă numele de inflaţie. Ulterior Universul a continuat să se extindă, dar cu o viteză mult redusă. La temperaturile incredibil de mari şi în prezenţa energiilor enorme din acele clipe de început, nimic, nici măcar materia nu era stabilă şi, pe cât de repede se putea forma, pe atât de repede revenea la forma de energie pură.

• Universul însuşi a luat naştere în urma unei explozii enorme petrecute în urmă cu 13.7 miliarde de ani şi cunoscută sub numele de Big-Bang. Înainte de această explozie primordială nu exista nici timp, nici spaţiu, nici energie, nici materie. Chiar atunci, în prima clipă a vieţii universului, au luat naştere atât timpul, cât şi spaţiul.

Big Bang

Formarea particulelor elementare

Dar pe măsură ce Universul s-a extins, temperatura sa a scăzut şi, gradat, particulele fundamentale din care va lua naştere ulterior materia obişnuită au început să se formeze din acea energie incredibilă.

Quarcurile au fost primele particule fundamentale care au apărut. În prezent quarcurile există doar în grupuri foarte strâns legate.

Există două tipuri de quarcuri în cadrul materiei obişnuite şi anume quarcul UP şi quarcul DOWN. Pe măsură ce spaţiul a devenit din ce în ce mai încăpător, quarcurile şi-au pierdut libertatea, găsindu-se "blocate"

în cadrul unor grupări de câte 3 quarcuri în interiorul protonilor şi neutronilor. Un proton este format din două quarcuri UP şi un quarc DOWN, în timp ce vărul său puţin mai greu, neutronul, este compus din două quarcuri DOWN şi doar un quarc UP. Aproape toţi protonii şi neutronii care există în prezent au apărut pe perioada inflaţiei.

Quarc –uri libere Gruparea quarcurilor in electroni si neutroni

Atomii Din moment ce neutronii nu pot exista în stare liberă decât pentru cel mult 20 de

minute, fiecare neutron fie s-a dezintegrat, fie s-a alăturat unui proton pentru a da naştere unei forme incipiente de hidrogen ori doi neutroni s-au combinat cu doi protoni pentru a forma un nucleu de heliu. Toate acestea s-au întâmplat în primele minute ale existenţei Universului timpuriu.

Această stare de fapt a durat aproape 300,000 de ani, perioadă în care Universul s-a extins şi s-a răcit. În cele din urmă temperatura sa a scăzut suficient de mult pentru a permite capturarea electronilor de către nucleele de hidrogen şi heliu, apărând astfel primii atomi. Astfel, lumina a putut călători prin Univers fără a se ciocni de particule încărcate electric iar universul a devenit transparent şi întunecat - populat în majoritate de nori gazoşi de hidrogen şi heliu.

Lumina eliberată în acele momente este încă vizibilă sub forma radiaţiei cosmice de fond.

Formarea hidrogenului

proton + neutron

Formarea heliului

2 proton + 2 neutron

Stelele si Supernovele

Aşadar, în ce mod un univers relativ lin şi uniform, dar şi perfect întunecat, a devenit luminat de miliarde de stele?

Inflaţia însăşi a generat apariţia primelor mici "valuri" ori mai bine zis variaţii în densitatea materiei şi pe parcursul unei perioade de aproximativ 10 milioane de ani, materia s-a aglomerat cu precădere în aceste zone de densitate mai mare. După o sută de milioane de ani centrul fiecăruia dintre aceşti nori de materie a evoluat luând forma unei stele de 100 de ori mai mare decât Soarele. De-a lungul şi de-a latul Universului, această primă generaţie de stele şi-a aprins furnalele pe măsură de nucleul aştrilor a devenit suficient de dens şi de fierbinte pentru a susţine fuziunea nucleară.

Universul tocmai spunea adio perioadei întunecate a vieţii sale.

Stelele si supernovele

Din cauza dimensiunilor lor enorme, aceste prime stele au ars cu o putere enormă, convertind combustibilul nuclear existent sub forma hidrogenului şi heliului în primele elemente grele. În fond, toţi atomii din Univers mai grei decât heliul s-au născut în inima stelelor. În doar 3 milioane de ani combustibilul nuclear al primelor stele s-a consumat, iar acestea au suferit un colaps urmat de explozii în urma cărora s-au transformat în supernove, expulzând în cadrul acestor procese nou-născutele elemente grele în univers. Această nouă compoziţie a universului, care includea şi atomii de mai mari dimensiuni, a uşurat simţitor sarcina gravitaţiei de a comprima aceşti nou formaţi nori de materie pentru a da naştere unei noi generaţii de stele.

Ciclul de viata a unei Supernove

Galaxiile

Stelele de dimensiuni enorme din prima generaţie s-au transformat în supernove, expulzând în cadrul acestor procese elemente chimice grele în univers. Această nouă compoziţie a Universului, care includea şi atomii de mai mari dimensiuni, a uşurat simţitor sarcina gravitaţiei de a comprima aceşti nou formaţi nori de materie pentru a da naştere unei noi generaţii de stele.

A fost nevoie de încă 500 de milioane de ani pentru ca gravitaţia să acţioneze asupra acestei nou formate mixturi de hidrogen, heliu şi elemente grele. Mii şi milioane de stele de generaţia a doua au luat naştere din aceşti nori cosmici. Mici grupuri din aceste noi stele s-au atras reciproc prin intermediul gravitaţiei şi s-au alăturat unele altora dând naştere unor grupări de stele de dimensiuni din ce în ce mai mari.

Galaxia în care se află sistemul nostru solar, Calea Lactee, este un exemplu de galaxie spirală care a apărut în acea eră timpurie. În prezent ea conţine în jur de 200 de miliarde de stele şi continuă să se extindă prin absorbţia unor mici grupuri vecine de stele.

Galaxii Calea lactee

Centrul galactic Centrul galaxiei noastre poate fi

asemănat cu un dinam cosmic furios dotat cu o forţă teribilă. Este normal să ne întrebăm ce ar putea furniza asemenea energii impresionante? Răspunsul este unul simplu: găurile negre.

Când o stea de mari dimensiuni se apropie de sfârşitul ciclului său de viaţă, deci îşi epuizează combustibilul nuclear, ea poate suferi un colaps sub acţiunea propriei gravitaţii, dând naştere unei găuri negre. Aceste structuri cosmice foarte stranii se numesc găuri negre, pentru că absorb absolut orice se apropie suficient de mult de ele - incluzând aici chiar şi lumina. Procesul în sine poate fi descris oricum, numai drept unul întunecat şi liniştit nu.

Gaura neagra din centru unei galaxii

Jos puteţi vedea o fotografie făcută cu telescopul Chandra (partea centrală a imaginii este mărită), care surprinde stelele apropiate de centrul galaxiei noastre emiţând radiaţii de o manieră violentă pe măsură ce accelerează doar pentru a-şi găsi propriul sfârşit sub acţiunea găurilor negre. Aceste stele se deplasează cu milioane de kilometri pe oră, fiind efectiv sfâşiate pe timpul deplasării lor. Există milioane de găuri negre în galaxia Calea Lactee, iar cea mai mare dintre ele este situată în centrul galaxiei. Acest monstru cosmic are masa echivalentă cu a 3 milioane de sori. Apetitul său este de nepotolit şi înghite absolut tot ce ajunge în vecinătatea sa – chiar şi alte găuri negre. Probabil fiecare galaxie de mari dimensiuni din Univers are în centru o asemenea gaură neagră de foarte mari dimensiuni.

Distributia materie in Univers

Până recent se credea că galaxiile sunt cele mai mari unităţi structurale ale Universului, distribuite relativ uniform. În ultimii ani s-a constatat că galaxiile se alătură unele altora formând grupuri de galaxii, superclustere, pereţi şi filamente de galaxii. Calea Lactee este membră a unui grup de aproximativ 30 de galaxii şi roiuri de stele care poartă numele de Grupul Local. Cea mai mare galaxie aparţinând acestui grup este galaxia spirală soră a Căii Lactee, Andromeda.

Grupurile de galaxii de mai mari dimensiuni, numite superclustere, pot conţine şi câteva mii de galaxii. Cel mai apropiat asemenea supercluster de galaxii se numeşte Virgo, către acesta deplasându-ne inexorabil şi noi ca şi întreaga Cale Lactee sub acţiunea imenselor forţe gravitaţionale care apar la nivel cosmic.

Dedesubt puteţi vedea o hartă care înfăţişează toate grupurile de galaxii (clustere) şi superclusterele existente pe o rază de un miliard de ani-lumină de Terra. Harta cuprinde în jur de 200 de milioane de galaxii şi nu reprezintă decât mai puţin de o miime din universul cunoscut. Aşadar putem spune că Universul a  "prosperat" serios, în ciuda începuturilor sale subatomice!

O mica parte din

Universul cunoscut

Concluzii

Teoria Bing Bang este cea mai plauzibila teorie cosmogonica din prezent, fiind sustinuta de majoritatea oamenilor de stiinta.

O data cu evolutia tehnologiei omenirea va fi tot mai aproape de a descoperii modul de formare al universului si posibila evolutie a acestuia.

Bibliografie

1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Big_Bang2. http://www.scientia.ro/univers/47-astronomie/757-istoria-universului-parte

a-1.html3. http://articolecrestine.com/religia-si-stiinta/07universul-big-bang-sau-

creatie.html4. http://www.cerceteaza.eu/2011/05/big-bang-ul-teoria-care-presupune-

cum-s.html5. http://dli.ro/big-bang-descopera-geneza-universului.html6. http://www.sprestele.ro/index.php?

option=com_content&view=article&id=53:formarea-universului&catid=35:date-generale&Itemid=54

7. Revista Terra Magazin8. Intocmit de Ioana Pasca