8/8/2019 Ultima aventura, Universul
1/256
Aceast carte este dedicat:DomnuluiAlexandru Mironov,
fr de care aceast carte nu ar fi existatDomnuluiAndrei Dorobanu,
care m ajut s neleg lucruriDomnuluiAndrei Banc,
cel care are ndrzneala s premieze n fiecare an,din propriul buzunar, jurnaliti de tiin
Domnului erban Ursu,care tie s pun n ordine lucrurile
Televiziunii Romnia de Mine,pentru c acord atenie popularizrii tiinei
Domnului Gheorghe (George) Cohal,pentru lungile seri n care experimentm tiina
n buctria sa
DomnilorAdrian Farca,Marius Paraschiv,AlexandruDumitriu,cu care dezbatem pe chat-ul tiin i tehnic actualitile
tiineiFamiliei mele,
care m suport.
Cristian Romn
Ultima aventur: Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
2/256
CRISTIAN ROMN
ULTIMA AVENTUR:U N I V E R S U L
Editura pentru tiin S.I.T.
2007
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
3/256
Coperrta: Cristian RomnIlustraiile pentru copert: Space Telescope Science InstituteRedactor: Cristian RomnTehnoredactare: Cristian RomnCorectur: Mihaela Manea
Lucrare aprut cu sprijinulAutoritii Naionale pentru Cercetare tiinific
Copyright 2007 Editura pentru tiin S.I.T.
ISBN 13-978-973-88225-2-8
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
4/256
Cuvnt nainte 9Universul 15
O revoluie n cosmologie ................................. 15
Sondarea nceputurilor ..................................... 24
Big Bang inflaionar ......................................... 28
Primele stele ..................................................... 34Materia ntunecat, energia ntunecat .............. 38
Gurile negre primordiale ................................ 43
Cpcunii din Univers ....................................... 48
Apa n Univers .................................................. 52
i totui cte dimensiuni sunt? .......................... 57Vom putea testa dimensiunile suplimentare .... 64
Dincolo de galaxie ........................................... 67
Constante inconstante? ................................. . . 74
Ascultnd infinitul... ........................................ 77
Pmnturi celeste ............................................ 84S stingem stelele ............................................. 87
Cuttorul de lumi ............................................ 91
Respiraie extraterestr .................................... 95
5
SUMAR
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
5/256
Crmizi ale vieii ........................................ 99
Viaa poate aprea oriunde n Univers? ....... 102
Carbon? Siliciu? Viaa are de ales? ............ 104Cum de reuete viaa? ................................. 106
Naterea stelei ............................................... 108
Viaa stelei ................................................... 112
Viaa va avea un sfrit? ............................. 125
Marte al aptelea continent 131Marte: fi tehnic ........................................ 131
Din nou pe Lun, urmeaz Marte ................. 132
Omul pe Marte .............................................. 138
Mars direct ................................................... 141
Fabricarea de carburant in situ ...................... 146Unde este atmosfera marian? ...................... 148
Apa marian ................................................ 151
Trecutul apei mariene .................................. 155
Din nou despre apa marian ........................ 157
Via pe Marte? ............................................. 160Viaa pe Marte, alte argumente .................... 164
Posibila via marian ................................ 167
Terraformare marian .................................. 173
Oamenii tiinei 179
Kepler, cuttorul perfeciunii cereti .......... 180Vlaicu, cel ce s-a ridicat la cer ..................... 184
Astronautul raional .................................... 188
Omul i zborul ....................................... 198
6
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
6/256
tiin i adevr 199Vzut la tv ...................................................... 199
Nu au fost pe Lun! ........................................ 205Radioactivitate sntoas! ............................... 210
Despre medicamente ........................................ 214
O problem de percepie .................................. 217
Prelucrare de rezultate .................................... 220
Manipulri de rezultate .................................... 223Cazul Hwang Woo Suk .................................... 228
Fuziune rece... ................................................ 234
Poliapa ............................................................. 239
O substan periculoas ................................... 242
Intelligent Design vs. Evoluionism ................ 244Cazul Kitzmiller vs. Dover Area School DistrictProcesul maimuelor reloaded ......................... 252
7
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
7/256
Cartea aceasta este rezultatul unor cuvinte mustr-toare pe care domnul Alexandru Mironov mi le-aadresat cu o lun i jumtate n urm. mi reproa
Domnia Sa c nu am finalizat textele pentru carte. Eu,de fapt, le adunasem pe toate, dar nu m puteam de-cide s le ndrept ctre tipar. Motivul? Mereu gseamcte ceva de adugat, cte ceva de completat. i astanu din pricina vreunei tendine perfecioniste, ci dintr-
o cauz mai mult dect banal. La fiecare capitol misoseau sptmnal informaii noi, care conturau maibine subiectele pe care mi le-am propus s vi le poves-tesc. Aproape n fiecare clip se ntmpl lucruri mi-nunate n tiin, lucruri care musai trebuie povestite
9
Cuvnt nainte
Trebuie ca omul s aib un ideal pe msura colosaleisale puteri. Dar idealul de pn acum al majoritii
oamenilor se reduce la deziderate care nu ridic cu nimicfiina uman. Un mare ideal, chiar dac nu poate fi atins
niciodat, este necesar omului.Este preferabil un om cu o iluzie grandioas unui om
ncadrat ntr-o certitudine comod.
Anton Dumitriu
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
8/256
n carte. tiina se mic mai rapid dect viteza mea dea aterne cuvintele necesare unei cri. Reproul dom-
nului Mironov, cruia i mulumesc, m-a trezit la rea-litate. O carte nu exist, ct vreme nu ajunge la citi-tori. Pe de alt parte, dorina mea de a cuprinde celemai noi ntmplri din tiin mi strnete o oarecarenelinite. S v dau cteva exemple.
ncep cartea povestindu-v despre marea descope-rire din 1998, cnd, spre surpriza tuturor cosmologi-
lor, s-a constatat c expansiunea Universului nu estenici ncetinit (aceasta era ideea care domina lumeacosmologilor), nici constant n timp: Universul seafl n expansiune accelerat! La ora la care puneamn pagin textele din aceast carte, n luna decembriea anului 2006, telescopul spaial Hubble, ochiul nos-
tru aruncat n spaiu, a colectat informaii mai precisedespre aceast expansiune accelerat. Practic, oame-nii de tiin l-au orientat astfel nct s vad un nu-mr de supernove de tip Ia, aflate la distane de pnla 10 miliare ani-lumin. Dei despre acest tip de su-
pernove voi vorbi n primul capitol al crii, mi iau li-bertatea de a v spune i aici cteva cuvinte despreele. Acest tip de supernove se caracterizeaz prinaceea c ele apar n sisteme stelare binare, atuncicnd avem de-a face cu o pereche pitic alb gigant roie. Pitica alb absoarbe necontenit mate-rie din giganta roie, pn n clipa n care atingemasa de circa 1,44 mase solare, dup care devine in-
stabil i explodeaz. Devine astfel o supernov de tipIa. Este de remarcat un lucru: maximumul de strlu-cire a acestui tip de supernove este acelai, n oriceloc al Universului, deci le putem folosi ca pe nite re-
pere cosmice. Nu ne mai rmne nimic altceva de10
Cuvnt nainte
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
9/256
fcut dect s comparm strlucirea lor cu distanapn la ele. Astfel am descoperit c strlucirea super-
novelor de tip Ia aflate la mare distan este preasczut, ceea ce implic un Univers aflat n expansiu-ne. Pn s finalizez aceast carte se considera c ac-celerarea expansiunii a nceput cndva, acum vreo 4-5miliarde de ani. Dar tirea din decembrie 2006 avea saduc informaii noi i de-a dreptul surprinztoare.
Aceast accelerare a nceput nc de acum 9 miliarde
de ani, n vremea copilriei Universului (avea peatunci numai 4,7 miliarde de ani). Altfel spus, energiantunecat (despre care nu tim deocamdat ce este cuadevrat, dar despre care vei gsi destule informaiin cuprinsul crii), energia ntunecat, ziceam, i-a
fcut repede simit prezena. De ce? Nu tim acum,
dar cndva vom ti.Cel de al doilea exemplu se refer la o informaieaprut chiar n vremea n care scriam acest cuvntnainte. Vinovat de ea este tot telescopul spaial
Hubble. Cu ajutorul lui s-a putut carta materia ntu-necat pentru o zon de cer cu o suprafa aparentechivalent cu cea a ase Luni. Lucrul acesta este ex-traordinar, cu att mai mult cu ct nu prea se tie ceeste aceast materie ntunecat. Unul dintre autoriilucrrii publicate n 8 ianuarie 2006 n revista Nature
fcea o analogie sugestiv: este ca i cum am ncercas realizm harta Terrei bazndu-ne exclusiv pe lu-minile oraelor. Tehnica folosit pentru cartare a fost
una ct se poate de subtil. A fost folosit efectul delentil gravitaional. Practic, razele de lumin ce nevin de la surse ndeprtate sunt deviate din drumatunci cnd ntlnesc mase mari. Iar materia ntune-cat, dei nu interacioneaz cu materia obinuit
11
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
10/256
(cea din care suntem noi fcui), avnd mas, pro-duce, la rndul ei, devierea luminii. n etapa urm-
toare din harta iniial au fost eliminate masele cu-noscute (stele, galaxii, roiuri de galaxii etc.), iar ceea cea rmas era tocmai harta materiei ntunecate. Aceastaeste o realizare de excepie, care i-ar fi meritat un locspecial n cartea pe care o citii acum. Dar, ca i ncazul primului exemplu, nu a mai fost timp. Carteatrebuia s plece ctre tipografie...
i mai am un exemplu, de aceast dat legat de via-a marian. Americanul Dirk Schulze-Makuch i ger-manul Joop Houtkooper au revenit asupra experimen-telor de cutare a vieii mariene realizate n cadrulmisiunilor Viking 1 i 2 (le vei gsi detaliate ntr-unsubcapitol separat). Concluzia lor? Acele experimente
nu aveau cum s descopere vreo urm de via peMarte, ci, mai mult dect att, chiar au distrus-o. Astapentru c este posibil ca acolo, pe Marte, s triascbacterii cu metabolism bazat pe ap oxigenat, H2O2.
Apa oxigenat prezint dou mari avantaje pentrumetabolismul marian: este higroscopic, deci va ab-sorbi urmele de vapori de ap din atmosfera mar-
ian, i are un punct de nghe foarte sczut (ajunge,n funcie de concentraie, pn la -56 grade C). Din
pcate experimentele de pe Viking nu au avut n ve-dere o asemenea ipotez. i era firesc s nu o ia nseam, deoarece, aa cum tim cu toii, apa oxigenateste un dezinfectant, deci ea ucide bacteriile. Numai
c pe Terra exist cel puin o bacterie, pe numeAcetobacter peroxidans, care folosete n metabolismapa oxigenat... Mai mult dect att, cei doi cer-cettori arat c rezultatele obinute de Viking 1 i 2sunt consistente cu prezena vieii pe Marte...
12
Cuvnt nainte
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
11/256
Am dat doar trei exemple prin care ncerc s v ex-plic de ce am amnat ct am putut trimiterea acesteicri ctre tipografie.
Dar vreau s v mai fac o mrturisire, pentru carev rog s m iertai... Eu, o spun fr s ncerc s fac
pe modestul, nu sunt nimic altceva dect un traduc-tor. ncerc s traduc limbajul tiinei ntr-unul accesi-bil ct mai multor oameni. Nu tiu n ce msur mireuete asta. Dar am un test de verificare.
Stimate cititor dac, citind aceast carte, vei simi,mcar pentru o clip, o emoie profund, atunci nseam-n c am reuit. Eu cred c, dincolo de dezvluirea mis-terelor lumii, tiina are dimensiunea emoiei...
13
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
12/256
O revoluie n cosmologien luna mai 1998, cu ocazia unui congres internaio-
nal, unul n care se dezbteau probleme din cosmologie,s-a supus la vot una dintre problemele fundamentale ale
ultimilor ani. Cosmologii prezeni cred c ultimele ob-servaii asupra supernovelor implic - mpotriva teoriilor standard - c expansiunea Universului se accelereaz?Din 60 de cosmologi prezeni, 40 au rspuns da. Aceas-ta este o revoluie n tulburtoarea tiin a cosmologiei.
Un Univers care se dilat
La nceputul secolului, nainte ca Einstein s pun noi ba-ze fizicii, se credea c Universul are o dimensiune etern con-stant. Universul era staionar. Chiar i Einstein privea cunencredere propriile sale ecuaii, pentru c ele descriau unUnivers nestaionar. A umblat la ecuaii, a introdus un termensuplimentar, pentru ca formulele sale s corespund ideii salepreconcepute. Dar, cam prin aceeai perioad, msurtorilemicrilor galactice, efectuate de Edwin Hubble, demonstrau,fr urm de ndoial, c galaxiile ndeprtate se distaneazmai rapid de Pmnt dect cele apropiate, confirmnd astfelecuaiile relativitii generalizate care, n fapt, descriu, prinfaimoasa ecuaie cosmologic, un Univers aflat n expansiu-ne. Despre ecuaiile lui Einstein vom vorbi ceva mai ncolo.
15
1 Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
13/256
Acum vom spune c, pentru a-i efectua msurtorile, Hubbles-a bazat pe efectul Doppler. Atunci cnd o galaxie se nde-prteaz de noi apare o deplasare spre rou, proporional cu
viteza, a liniilor spectrale. Dup catalogarea unui numr imensde galaxii s-a putut calcula o constant de proporionalitate,care reprezint raportul dintre viteza de ndeprtare idistan, faimoasa constant a lui Hubble. Conform ultimelormsurtori, valoarea acceptat pentru constanta lui Hubbleeste 70 km/s/megaparsec. De aici putem calcula vrsta Uni-versului ca fiind undeva n jurul a 10 miliarde de ani (ntre
timp datele transmise de ctre sonda WMAP ne-au oferit onou vrst pentru Univers: 13,7 miliarde de ani.) Iat o cifral crei sens putem s-l nelegem cu uurin. Dar ce nefacem: vrsta Universului intra n contradicie cu valoarea de-terminat pentru anumite corpuri cereti, care au o vrstcuprins ntre 15 i 20 de miliarde de ani! Asta da con-tradicie! Pentru a explica acest paradox, astrofizicienii aveaun vedere ipoteza conform creia la deprtri foarte mari re-laia dintre deplasarea liniilor spectrale i distan ar trebui sse modifice, fie datorit faptului c viteza de expansiune semodific n timp, fie datorit unei curburi a spaiului. Deaceea, msurarea acestei modificri a devenit unul dintre ma-rile obiective ale cosmologiei, o sarcin cu adevrat dificildeoarece implic msurarea distanelor pn la galaxii ex-trem de ndeprtate, de la care ne vine foarte puin lumin.
Ne ajut moartea stelelorObstacolul de care aminteam mai sus ar putea fi depit
dac am gsi o surs puternic de energie n aceste galaxiifoarte ndeprtate. Care ar putea s fie aceasta? Moartea uneistele: supernova. De fapt este vorba despre un anumit tip desupernove, cele de tip Ia. Una dintre explicaiile producerii eieste urmtoarea. O stea i ncepe existena strlucitoare nmomentul n care fora gravitaional comprim suficient demult o mare cantitate de hidrogen, declanndu-se astfel reac-ia termonuclear. Energia astfel degajat provoac o creterea presiunii, care, la rndul ei, echilibreaz fora gravitaiona-l: steaua i ncepe funcionarea la valoarea nominal. Pe
16
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
14/256
msur ce combustibilul nuclear este epuizat, presiunea devi-ne insuficient pentru meninerea echilibrului, iar steaua seva prbui n ea nsi pn cnd volumul su va fi egal,
aproximativ, cu cel al Terrei, iar densitatea sa va fi de un mi-lion de ori mai mare dect cea a materiei obinuite. Steaua adevenit o pitic alb. Cele mai multe pitice albe i desfoarexistena n anonimat, fr s mai emit lumin perceptibilde pe Pmnt. Totui, cele care fac parte dintr-un sistem binar(dou stele care sunt legate ntre ele prin fora gravitaiei) potaspira materie suplimentar din companionul lor, pn la
limita a circa 1,44 mase solare. Atunci devin att de dense, n-ct se comprim brusc. Cldura care rezult declaneaz oexplozie termonuclear care distruge complet pitica alb,aruncnd n spaiul interstelar uriae cantiti de materie, cu ovitez care poate atinge 10.000 km/s. Strlucirea supernoveivariaz, atingnd maximumul dup aproximativ trei spt-mni, dup care luminozitatea sa ncepe s scad. Superno-
vele au strluciri maxime variate, dar s-a constatat c celefoarte luminoase dureaz mai mult dect cele mai slabe. Prac-tic, s-a putut stabili o relaie precis ntre strlucirea maximi intervalul de timp dup care ea este atins. n ultimii zeceani, prin studiul minuios al supernovelor de tip Ia din veci-ntatea noastr, s-a ajuns ca ele s devin adevrate etaloaneale cerului.
Supernove prea puin luminoaseTehnologiile moderne, mai ales utilizarea dispozitivelor
CCD (ele sunt folosite i la videocamere sau la scanere), carepermit ocolirea incomodelor plci fotografice i realizarea di-rect a unor imagini numerice de nalt rezoluie, au dus lacreterea randamentului observaiilor astronomice. Urmrindacelai sector de cer la intervale de cteva sptmni i com-parnd imaginile obinute se pot detecta cu uurin superno-vele aprute n galaxiile foarte ndeprtate. Deoarece dis-pozitivele CCD ne permit s msurm cu precizie numrul defotoni care alctuiesc fiecare element al imaginii (pixel), osimpl operaie aritmetic (o scdere) ne poate indica diferen-
17
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
15/256
ele dintre dou imagini succesive. Dac facem abstracie dezgomotul de fond i de existena stelelor variabile, atunciimaginea rezultat este neagr, mai puin cazul n care a ap-
rut o supernov. Acestea fiind spuse, restul decurge de lasine. Este suficient s realizm un program informatic, cares permit identificarea supernovelor, astfel nct s ne ofereinformaii despre variaia, n timp, a strlucirii i am creat unsistem de monitorizare a supernovelor. La acesta vom adugainformaiile privitoare la deplasarea spre rou (care, aa cumspuneam, ne ofer informaii asupra ndeprtrii lor fa de
Pmnt) i vom avea la dispoziie un material foarte intere-sant, care va da btaie de cap cosmologilor. Cercettorii ame-ricani: Craig Hogan, conductorul Departamentului de astro-nomie al Universitii Washington, Robert Krishner, de laUniversitatea Harvard, i Nicholas Suntzeff, astronom la Ob-servatorul Cerro Tololo, Chile, au mers pe acest drum. Dupce au studiat zeci de supernove foarte ndeprtate, ei au con-
statat c erau mult mai puin luminoase dect le-ar fi impusteoria. Diferena nu era deloc neglijabil: 25%. Oare care sfie cauza?
Ipoteze, ipoteze, ipoteze...Prima idee care ne vine n minte ar fi existena unui nor de
praf interstelar, ce ar absorbi o parte din lumina care ne vinede la supernovele ndeprtate. Aceast ipotez a fost respinscu rapiditate, deoarece se constatase c absolut toate super-novele ndeprtate, indiferent de direcia n care le observam,ne trimiteau mai puin lumin dect ar fi impus calculul te-oretic. Ar fi trebuit ca undeva, la mare distan de noi, sexiste un nveli uniform de praf, care s absoarb fotonii su-pernovelor ndeprtate. Acesta nu a putut fi confirmat de nicioalt observaie astronomic sau calcul teoretic.
A doua idee implic existena unor lentile gravitaionale.Din cte tii, conform teoriei relativitii, traiectoria luminiieste curbat, atunci cnd ea trece prin preajma unei masemari. Uneori acest efect amplific luminozitatea surselor, al-teori o micoreaz. El ar putea explica, ntr-o anumit msu-
18
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
16/256
r, scderea luminozitii supernovelor. Dar calculele au de-monstrat c acest efect devine important numai pentru obiec-te care se afl la distane i mai mari dect supernovele studiatede cercettorii americani, aa c i aceast ipotez a fost respins.
Acum trecem direct la dou ipoteze care ar putea explica,cu adevrat, fenomenul ciudat pe care noi l-am descris mai sus.
Geometrie neeuclidianConform ecuaiilor lui Einstein, spaiul nostru ar putea
avea o curbur negativ... Pentru a fi ceva mai explicii, s fa-
cem o mic analogie cu o lume bidimensional. Fiinele carear tri ntr-o lume bidimensional perfect plan, n care s-araplica axiomele lui Euclid, ar descoperi, ca i noi, c pe-rimetrul cercului este 2r. n schimb, dac lumea lor ar aveaforma unei ei (adic o lume cu o curbur negativ), ar con-stata c perimetrul cercului este mai mare de 2r. Dac spa-iul nostru ar avea o curbur negativ, atunci sfera de radiaie
produs de o supernov ar avea o suprafa mai mare dect ncazul unui spaiu euclidian. Deci densitatea de radiaie pe su-prafaa ei ar fi mai redus, ceea ce ar explica luminozitateamai redus a supernovelor ndeprtate.
Expansiune acceleratSupernovele ndeprtate ar putea fi mai puin luminoase
dect ar fi trebuit i dintr-un motiv mai banal. Ele sunt la dis-tane mai mari dect ne indic deplasarea spre rou. Altfelspus, constanta lui Hubble nu-i constant... Micarea corpu-rilor se accelereaz pe msur ce Universul mbtrnete. Dece se ntmpl acest fenomen ciudat? Exist cumva o forantigravitaional care acioneaz numai la mari distane?Exist o form stranie de energie a vidului, care creeaz o for-
de respingere?Teoretic, expansiunea Universului poate fi de trei tipuri:
ea se poate desfura cu vitez constant, se poate ncetini sause poate accelera. n fiecare dintre cele trei cazuri dimensiu-nea Universului crete n timp.
19
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
17/256
O ecuaie fundamentalOamenii de tiin, atunci cnd au de rezolvat o problem
nou, ncearc, ntr-o prim etap, s elaboreze un model sim-plificat al fenomenului studiat, dup care l compar cu realita-tea. Apoi apar coreciile i, implicit, modele mai perfecionate.
Nici teoriile cosmologice, cele care ncearc s studiezeevoluia Universului, n ntregul su, nu s-au abtut de laacest principiu. Cosmologii iau n calcul gravitaia, deoareceea guverneaz obiectele cosmice la distane mari i presupunc Universul este omogen i izotrop. Primul model deUnivers a fost elaborat de Einstein, n 1917. Pentru simpli-tate, el a nlocuit obiectul real, un ansamblu discontinuu deobiecte cereti, printr-un fluid n care rolul moleculelor era jucat de galaxii. Acestui obiect i-a aplicat teoria genera-lizat a relativitii i a obinut nite ecuaii. La nceput, a cre-zut c Universul nostru este staionar, adic nu se rotete, nuse dilat i nici nu se contract. n acest caz, ecuaiile scrise
de Einstein erau simple i frumoase.Din pcate, pentru a pstra legtura cu observaiile as-
tronomilor, el a fost nevoit s introduc o constant, faimoa-sa constant cosmologic , care strica ansamblul matematical modelului, fiind, dup cum recunotea el nsui, o com-plicare a teoriei, reducnd simplitatea logic.
Prin anii 1920, rusul A. Friedmann gsete nite soluii
pentru ecuaiie lui Einstein, descriind un Univers nestaionar,care se poate dilata sau contracta. Iniial, Einstein a respins cuvehemen ideea unor asemenea modele. Dar, ca orice om cuadevrat genial, el i-a recunoscut la scurt timp greeala, dupce mai muli cosmologi au ajuns la concluzii similare cu celeale lui Friedmann. Iar faimoasele msurtori ale lui Hubblenu au fcut altceva dect s nscrie cosmologia pe drumul pe
care-l parcurge i n zilele noastre. i se cuvine aici s spu-nem ceva. Acea constant , introdus de Einstein, este strictnecesar pentru descrierea Universului. Ea ne este impus denoile observaii. Altfel spus, chiar atunci cnd a crezut c s-anelat, Einstein a avut dreptate!
20
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
18/256
Densitate i evoluieDac presupunem c =0, lucrurile par a fi simple. Putem
stabili nite scenarii de evoluie a Universului. Astfel, dacdensitatea medie a Universului este mai mic dect o anumitvaloare, numit i cr, atunci fora gravitaional va fi preaslab pentru a opri expansiunea. Universul se va dilata la ne-sfrit. Dac densitatea acestuia este egal cu cr, atunci amavea un Univers staionar. Dac, n sfrit, densitatea sa estemai mare dect cr, atunci dup expansiune va urma un pro-ces de contracie, deci avem un Univers care pulseaz, lat
cum, n cteva rnduri, am putut descrie viitorurile probabileale Universului n care trim. Desigur, lucrurile nu sunt, nicipe departe, att de simple, pentru c....
Ce densitate are Universul?lat o problem fundamental pentru cosmologie. Dum-
neavoastr ce ai face pentru a msura densitatea Universu-lui? Cu siguran ai lua un anumit volum din spaiul cosmic,
ai determina masa coninut n el i apoi ai trece la calcu-larea densitii, o simpl mprire. Metoda este foarte co-rect, n msura n care putei determina, cu o precizie rezo-nabil, cantitatea de materie. Numai c rezultatele obinute vvor nemulumi. Densitatea va fi, cu siguran, prea mic pen-tru a putea fi confirmat, mcar aproximativ, de dinamica ac-tual a Universului. S nu credei c metoda pe care v-am
propus-o este greit. La ea au apelat i astrofizicienii de sea-m ai secolului nostru. Ei au constatat c densitatea medie aUniversului reprezint doar 10% din valoarea care ar fi trebuits explice valoarea actual a constantei lui Hubble. Dac teoriaeste corect, atunci e necesar s cutm o explicaie. Primullucru care ne vine n minte este s considerm c am luat ncalcul doar o mic parte din materia coninut n Univers, res-pectiv materia vizibil (cea pe care o putem detecta cu
telescoape). Probabil c mai exist i alte forme de materie, ne-detectabil cu instrumentele optice, adic o materie invizibil.
Dar daca lnu este egal cu zero?Dac este diferit de zero, atunci ea i nu materia ar de-
termina evoluia Universului. n acest caz, influena materiei
21
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
19/256
tinde s scad: atunci cnd diametrul Universului se dublea-z, densitatea sa scade de opt ori. Practic, ntr-un Universaflat n expansiune, importana constantei cosmologice tinde
s creasc foarte rapid. Dac lum n calcul o constant cos-mologic pozitiv, atunci el se va dilata n continuare, ca icum la distane mari ar aciona o for antigravitaional,chiar dac densitatea Universului este mai mare dect cr.
n anii 1930, Paul Dirac i, mai trziu, Richard Feynman,Julian Shwinger i Shinichiro Tomonaga au demonstrat cspaiul vid este mult mai complex dect ne imaginm noi. El
este plin de particule, care apar din nimic i dispar att de ra-pid, nct nimeni nu le poate detecta n mod direct. Acesteparticule, numite virtuale, sunt nite obiecte extrem de ciu-date i totui ele pot produce efecte msurabile, modificndproprietile cuantice ale atomilor (anumite experimente auverificat acest lucru), fapt care demonstreaz, indirect,existena lor.
Dac aceste particule virtuale pot modifica proprietileatomilor, ele ar putea modifica i expansiunea Universului?lat o nou ntrebare la care va trebui s gsim, nu neapratacum, un rspuns. n 1967, astrofizicianul sovietic lacov Zel-dovici a demonstrat c energia particulelor virtuale ar puteacontribui la valoarea constantei . Calculele de mecaniccuantic au dus la un rezultat surprinztor: ar trebui s existeun ansamblu de particule virtuale, care s acopere toate lun-
gimile de und posibile! Dac am aduna energia tuturor aces-tor particule ar rezulta o valoare infinit... Inacceptabil. Maimult dect att, dac am neglija anumite efecte cuantice, infe-rioare unei anumite lungimi de und, energia vidului ar fi de120 de ori mai mare dect energia coninut n toat materiadin Univers! lat, n sfrit, un rezultat extraordinar. Svedem dac el este i plauzibil.
ParadoxAcest rezultat ar duce la o valoare uria a constantei cos-
mologice. Dac am pune aceast valoare n ecuaiile care mo-deleaz dinamica Universului, ne-am trezi n faa unui rezul-tat imposibil. ntindei mna dreapt i privii-v degetele.
22
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
20/256
Dac valoarea constantei cosmologice ar avea valoarea sta-bilit pe baza datelor de mai sus, atunci nu ne-am mai vedeaniciodat degetele... ele s-ar ndeprta de noi cu o vitez mai
mare dect cea a luminii... Faptul c noi ne putem vedea li-nitii nu numai degetele, ci i stelele aflate aproape de mar-ginea Universului, ne conduce la concluzia c trebuie s ne ntoarcem din nou la ipoteze. Pentru a rezolva dificultateaaprut se presupune c o lege fizic, nc necunoscut,anuleaz constanta cosmologic. Teoreticienii s-ar debarasacu plcere de aceast constant, dar observaiile astronomice
sugereaz c ea ar trebui s fie totui diferit de zero.Nu exist nc un rspuns la ntrebriConform ultimelor teorii (acest text a fost scris n anul
1999), constanta cosmologic ar trebui s contribuie cu 40%pn la 70% din energia necesar pentru ca Universul s fieaa cum l tim. Steven Weinberg i colegii si de la Uni-
versitatea Austin studiaz aceast problem pe baza prin-cipiului antropic. Dac Universul nostru nu este dect unuldintr-o infinitate de universuri posibile, singurul care poateadposti viaa aa cum o tim noi, atunci am putea estima va-loarea constantei cosmologice studiind n care dintre uni-versuri s-ar putea dezvolta viaa inteligent. Steven Weinberga obinut pe aceast cale o valoare, care este apropiat de m-rimea aparent a constantei cosmologice. n acelai timp,muli teoreticieni nu sunt de acord cu metoda folosit. Ei credc mrimea constantei cosmologice ar trebui s rezulte directdin aplicarea legilor fizicii. Unii dintre ei au continuat lu-crrile lui Dirac, care s-a artat interesat de numerele rezul-tate din combinarea algebric a unor constante fundamentale.Astfel el a stabilit c vrsta Universului este invers propor-ional cu constanta gravitaional i c deci aceasta din urmar scdea n timp. De aceea, constanta cosmologic ar putea,la rndul ei, s se modifice de-a lungul existenei Universului.Aceast idee, propus de James Peebles i Bharat Ratra de laUniversitatea Princeton, acum zece ani, a fost revitalizat derecentele msurtori asupra supernovelor de tip Ia.
23
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
21/256
Concluzie parialDe fapt nu putem stabili depcamdat care dintre teoriile
prezentate mai sus sunt purttoarele adevrului. Am dorit sprezentm, e drept, foarte pe scurt, dilemele actuale ale cos-mologiei (repet: este vorba de anul 1999). Poate c unii vorspune c oricum ea, cosmologia, nu are nicio finalitate prac-tic. Nici nu are vreuna. Dar cred c tocmai studiul evoluieiUniversului ne-ar putea duce cu adevrat, nu numai cu ima-ginaia, mai aproape de stele. Vom descoperi lucruri noi, vomti s ne aducem mai aproape de ele.
Post scriptum
Acest text a fost scris n 1999. Pe atunci multe ne preauclare, chiar dac ne erau nvluite de mister. Iar lucrurile s-aumai schimbat ntre timp. Este o mare problem pentru noi, ceicare ncercm s povestim tiina. Textele noastre se demo-
deaz prea iute. tiam ieri ceva, nelegeam ieri ceva, daracum peisajul este schimbat cu totul. n capitolele urmtoarevei vede cum i de ce.
Sondarea nceputurilorn ziua de 30 iunie 2001, de la Centrul Spaial Kennedy,
i-a luat zborul, purtat de o rachet Delta II, sonda MAP
(Microwave Anisotropy Probe). ntre timp numele ei s-aschimbat. Acum se numete Wilkinson Microwave Aniso-tropy Probe, n onoarea lui David Todd Wilkinson (1935- 2002), un renumit cosmolog american i unul dintremembri importani ai echipei tiinifice a MAP. Misiuneaei? O cltorie ctre nceputurile Universului...
Universul timpuriuTeoria Big Bang-ului, larg acceptat astzi de ctre oame-
nii de tiin, se bazeaz pe teoria generalizat a relativitii alui Albert Einstein i pe descoperirea, n 1929, a expansiuniiUniversului. Aceast expansiune ne duce la concluzia c n
24
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
22/256
trecut Universul nostru era mult mai dens i mai fierbinte.Pentru a v oferi elementele unei comparaii, v vom spunec pe vremea n care densitatea medie a Universului era egal
cu cea a aerului la nivelul mrii, ei bine, atunci temperaturamedie a Universului era de 2,73 miliarde K! (Astzi densita-tea medie a Universului este de aproximativ un proton/m3.)La asemenea temperaturi agitaia termic nu permitea forma-rea atomilor primelor elemente: hidrogenul i heliul. Electro-nii care strbteau aceast sup primordial capturau orice fo-ton ntlnit n drum. De dragul analogiilor, imaginai-v unnor. Picturile de ap care-l alctuiesc opresc fotonii venii dela Soare, astfel nct putem vedea conturul norilor, dar nimicn interiorul lor. Ei sunt opaci, ntocmai ca Universul aflat nprimele sale sute de mii de ani de existen. Pe msur ceUniversul s-a dilatat, s-a produs i rcirea lui (ntocmai ca ungaz care i mrete volumul). La aproximativ 380.000 de anide la explozia iniial, temperatura sa a sczut suficient demult, pentru ca o parte din electronii liberi s fie capturai deprotoni. Astfel au aprut pe lume primii atomi: cei de hidro-gen. Din acest moment Universul a devenit transparent. De laaceast dat ia natere fondul cosmic de radiaie sau, altfelspus, radiaia relict.
Aceasta a fost descoperit, din ntmplare, de ctre doicercettori americani de la Bell Telephone Laboratories. Estevorba de celebrii Arno Penzias i Robert Wilson. Acetia aurealizat o anten pentru microunde, n ncercarea de a desco-peri fondul galactic de radiaii. nc de la primele msurtori,efectuate n 1965, au detectat o radiaie electromagnetic, co-respunztoare unei temperaturi de aproximativ 2,7 K. Ciudatera faptul c aceast radiaie avea intensitatea constant, indi-ferent de zona cereasc spre care era ndreptat antena. Iniialau crezut c vinovate de acest rezultat sunt aparatele folosite.Au verificat tot ce se putea verifica. Rezultatul a rmas ne-schimbat. Aa c cei doi cercettori americani au comunicatrezultatul obinut, fr s tie c tocmai descoperiser radiaiarelict, semnalul provenit de la nceputurile Universului. Vom
25
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
23/256
aminti, n treact, c teoreticienii prevzuser deja existenaacestui fond de radiaii. Este vorba despre George Gamow, n1948, i Ralph Alpher, mpreun cu Robert Herman, n 1950.
De ce este important msurareafondului de radiaii cosmice?Deoarece viteza de deplasare a luminii are o valoare finit,
rezult c astronomii efectueaz, prin observaiile lor, ocltorie n trecut. Astfel, dac am putea cartografia cerul pelungimea de und corespunztoare temperaturii de 2,7 K, amavea o imagine a Universului la numai 380.000 de ani de lanaterea sa. Aici se cuvine s facem o precizare. Iniial s-aconsiderat c fondul cosmic de radiaii este perfect izotrop,ceea ce ar nsemna c valoarea acestuia este constant, indi-ferent de direcia pe care efectum msurtoarea. De aici ap-rea o problem: cum s-au putut forma stelele i galaxiile din-tr-o sup perfect omogen? Nu vom da un rspuns la aceas-t ntrebare. De fapt, izotropia era numai o aparen. Era
rezultatul imperfeciunii instrumentelor terestre.Teoria indica faptul c, pentru a rezulta actuala structur aUniversului, era necesar ca n faza iniial, adic n primelesute de mii de ani, n supa primordial s apar fluctuaii dedensitate. De exemplu, n zona n care avea s se nasc ga-laxia noastr, Calea Lactee, densitatea ar fi trebuit s fie cu0,5% mai mare dect cea din jurul ei. Astfel, odat cu sc-derea temperaturii Universului timpuriu, ar fi putut acionaefectele gravitaionale. Cum putem vedea noi aceast variaiede densitate? Simplu. Ea se traduce printr-o uoar modificarelocal a temperaturii echivalente a radiaiei relicte.
Prima confirmare a acestei ipoteze a adus-o, n 1992,satelitul american COBE (Cosmic Background Explorer), ca-re a detectat, pentru prima oar, mici fluctuaii n fondul cos-mic de radiaii, cuprinse ntre 2,251 K i 2,7249 K. Re-
zultatele, dei spectaculoase, nu i-au satisfcut pe cercettori.Era necesar un instrument mai precis. Acesta este WMAP.
WMAP - un termometru uriaDa, putem spune c WMAP este un termometru... nalt de
3,8 m i cu un diametru de 5 m, cntrind 850 kg. Sonda are
26
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
24/256
drept obiectiv msurarea temperaturii fondului de radiaiicosmice, cu o precizie de o milionime de grad. Pentru aceas-ta, ea este echipat cu dou oglinzi primare i dou secun-
dare, care focalizeaz radiaia primit pe nite detectoare demicrounde ultrasensibile. S facem aici o mic precizare. Defapt, nu vom avea de-a face cu o msurtoare direct a tem-peraturii fondului de radiaii cosmice, ci cu una diferenial.Ce ar putea s nsemne aceasta? Nimic mai simplu. Se va m-sura diferena de temperatur a dou puncte foarte apropiate(acesta este i motivul pentru care sonda este echipat cu do-
u rnduri de oglinzi primare). Astfel se pot obine rezultatemai precise. n plus, pe noi ne intereseaz fluctuaiile, varia-iile de temperatur. Mai rmne o problem: cum putem se-para semnalul util de cel parazit, provenit de la alte surse demicrounde? Pentru rezolvarea ei sonda va efectua msurtoripe cinci frecvene diferite, n gama 22-90 GHz. Prin prelu-crarea matematic a rezultatelor obinute vor fi ndeprtatesemnalele parazite. Mai mult dect att, WMAP nu va fiaezat oriunde n spaiu. Ei i-a fost rezervat punctul numitL2, unul dintre cele 5 puncte Lagrange, n care suma forelorgravitaionale produse de Pmnt, Lun i Soare este nul.Evident, n oricare din aceste puncte, sonda va fi deosebit destabil, element extrem de important, dac avem n vedere fap-tul c ea privete la peste 10 miliarde de ani-lumin distan.Alegerea tocmai a punctului L2 a fost motivat, n plus, de ne-
cesitatea ca Soarele i Pmntul (surse importante de pertubaii)s se afle n permanen n spatele oglinzilor sondei WMAP.
ObiectiveAa cum am mai artat, WMAP are ca sarcin principal
realizarea unei hri a Universului timpuriu. Importana aces-teia pentru verificarea i dezvoltarea teoriilor cosmologiceeste crucial. Vom putea realiza un model al Universului su-ficient de precis pentru a-i putea prezice viitorul. Astfel se vaputea rezolva i spinoasa problem a densitii medii a Uni-versului. Spunem spinoas, deoarece aceasta, aa cum artam n subcapitolul anterior, i afecteaz att forma, ct i evo-luia. Dac densitatea medie este mai mic dect o anumit
27
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
25/256
valoare, numit densitate critic, atunci avem un Univers des-chis, aflat n expansiune continu. Dac densitatea este maimare dect cea critic, atunci Universul nostru este nchis, are
o curbur pozitiv (similar cu cea a unei sfere), iar expansiu-nea se va opri la un moment dat, fiind urmat de o contracie.Dac densitatea este egal cu cea critic, atunci geometria Uni-versului nostru este cea euclidian. Dei ultimele informaiiobinute prin experimentele Boomerang i Maxima par sncline balana n favoarea unui Univers plat, oamenii de tiinateapt s vad noile rezultate ce vor fi transmise de WMAP.
Cu ajutorul acestora vom mai putea determina un parametruimportant, constanta lui Hubble. Valoarea acesteia, care re-prezint raportul dintre viteza de ndeprtare i distana la carese afl un anumit corp ceresc, este determinat, n principal,prin msurtori efectuate asupra stelelor variabile cunoscute subnumele de Cefeide. nainte de WMAP, valoarea acesteia eraconsiderat a fi situat undeva ntre 65 i 80 km/smegaparsec.Vedei i dumneavoastr ct imprecizie! Iar de valoareaconstantei lui Hubble depinde calcularea vrstei Universului.Or, tocmai WMAP ne-a permis s determinm, cu o precizie de5%, nemaintlnit pn acum, valoarea amintitei constante...
Nu a trebuit s ateptm prea mult. n 2004 deja aveaminformaii importante de la WMAP. Dar anul 2006 avea s neaduc i un rezultat, oarecum, neateptat.
Big Bang inflaionarSonda WMAP (Wilkinson Map Anisotropy Probe),
despre care tocmai ai citit, a adus multe clarificri asu-pra a ceea ce era Universul n prima sa tineree. Iat c, n 2006, echipa de cercettori care prelucreaz dateletransmise de ctre sonda plasat (tii deja) n punctul La-grange 2 (L2), la aproximativ 1,5 milioane km de Terra,
vine s ne aduc informaii noi i extraordinare.Prima centralizare a datelor transmise de ctre WMAP a
fost fcut public n februarie 2003. Erau 241 de pagini pli-ne de tiin pur care ne fceau cunoscut Universul, aa cumera el la mai puin de 380.000 de ani de la Big Bang. Imagi-
28
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
26/256
nile transmise de WMAP au fcut nconjurul lumii. Ele nedezvluiau un Univers primar plin de mici fluctuaii de tem-peratur, semn al fluctuaiilor de densitate de materie din
acea vreme. Practic vedeam seminele din care au rsrit ga-laxiile. Rezultatele erau cu adevrat impresionante, motiv pen-tru care revista Science a plasat pe primul loc n topul tiineianului 2003 rezultatele obinute de WMAP. Lucrurile nu s-auoprit aici.
Fondul cosmologic de radiaii
Aveam informaii mai bune dect oricnd despre radiaiarelict (CMB - Cosmic Microwave Background), dar n tiinse cere continuu creterea preciziei msurtorilor. Este nevoiede o precizie sporit tocmai pentru a putea verifica ipotezeletiinei, de aici rezultnd i posibilitatea de a alege ntre teorii.
nainte de a trece mai departe vom reveni, ct se poate descurt, asupra problemei radiaiei relicte, a fondului cosmo-logic de radiaii. Vom repeta cele spuse mai devreme. Mate-ria, aa cum o cunoatem noi, s-a nscut la circa trei minutedup Big Bang, n momentul n care temperatura Universuluia sczut suficient de mult, ajungnd la 109 K. n acest mo-ment se formeaz nucleele uoare. Protonii i neutronii secombin i apar nucleele de hidrogen, deuteriu, heliu i litiu.Electronii liberi interacioneaz puternic cu fotonii, astfel cUniversul este opac. Am putea s-l asemuim cu o cea din
care lumina nu poate s ias. Abia dup vreo 380.000 de aniuniversul se dilat suficient, iar temperatura scade destul demult pentru ca electronii s fie capturai de nucleele sin-tetizate dup cele trei minute de la Big Bang. n acest momentUniversul devine transparent. Un flux de radiaii intens, cutemperatura echivalent de circa 3.000 K, este emis n acestmoment. n timp, datorit expansiunii Universului tempe-
ratura acestei lumini iniiale a sczut la numai 2,7 K. Acestfond de radiaii primordiale l msurm acum cu WMAP.
Polarizarea radiaiei cosmologice i primele steleRevenind la WMAP, vom spune c n rezultatele pre-
zentate n februarie 2003 aveam, de fapt, o hart de tempe-
29
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
27/256
raturi care prezenta fluctuaii foarte mici, dar semnificative,de ordinul a 200 microK. Aa cum spuneam mai devremetocmai aceste fluctuaii reprezint urma seminelor din care
aveau s apar mai trziu galaxiile, stelele. Dac fondul cos-mic de radiaii ar fi fost perfect omogen, atunci Universul arfi acum o uria sup de atomi de hidrogen, heliu i litiu, sin-gurii sintetizai pe parcursul primelor sute de mii de ani deexisten ai Universului nostru. Rezultatele din 2003 confir-mau teoria, dar ele nu erau de ajuns. Aveam nevoie de o pre-cizie mai bun. n plus unele teorii indicau necesitatea ca
acest fond de radiaii s fie polarizat, adic undele electro-magnetice, simplist vorbind, s vibreze ntr-un singur plan.Pentru aceasta oamenii de tiin care folosesc WMAP au fostnevoii s recurg la tot soiul de artificii tehnologice subtile.Practic, ntreg softul aparatelor de la bordul WMAP a fostrescris. Astfel s-a putut crete precizia de msurare de 100 de ori!
Acum vine obinuita noastr analogie. Unii dintre dum-
neavoastr sunt pescari. De obicei este bine s pescuieti nlocurile n care balta are pete. Numai c nu se prea poatevedea dincolo de luciul apei, v mpiedic lumina reflectatde ctre suprafaa lacului. Ar fi o soluie s vedei dincolo desuprafa, n adncimea apei? Exist una, dac se ntmpl scunoatei puin fizic. Astfel ai ti c lumina reflectat estepolarizat. Este suficient s luai un filtru polarizor, care las
numai lumina polarizat ntr-un anume plan. Astfel puteiobtura reflexia, strlucirea nedorit i s vedei n adnculapei. Lyman Page, fizician la Universitatea Princeton, remar-ca, n cazul lui WMAP, c pe noi ne-a interesat strlucirea.S vedei de ce. ntre noi i momentul de la 380.000 de ani dela Big Bang exist, conform teoriei, un nor, o cea de elec-troni rezultai din activitatea primelor stele aprute n Uni-vers. Aceast cea de electroni produce polarizarea radiaieicosmologice, prin mecanisme asemntoare reflexiei. (Defapt este vorba despre mprtierea fotonilor de ctre electro-nii aflai ntre noi i fondul cosmologic de radiaii.) Dac vomputea determina direciile de polarizare a radiaiei de fond,atunci vom putea afla lucruri interesante. De exemplu, putem
30
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
28/256
s determinm momentul apariiei primelor stele. Despre elevom scrie noi un subcapitol ntreg. Pn la WMAP se avansaca dat a naterii primelor stele undeva n prima sut de mi-
lioane de ani de dup Big Bang. Alte date mreau intervalulla 200 de milioane de ani. Or, tocmai aici WMAP ne-a adusprecizri. Noile date ne-au permis s vedem polarizarea ra-diaiei de fond. De aici s-a obinut o nou valoare: primelestele au aprut la 400 milioane de ani dup Big Bang. Dacne-am opri aici i nc ar fi o informaie extraordinar. Numaic harta direciilor de polarizare a radiaiei cosmologice ne
mai ajut la ceva. Cu ajutorul ei putem elimina, prin calcul,efectele parazite ale ceii de electroni de care aminteam maisus. Obinem astfel o hart mult mai precis a fondului cos-mologic de radiaii. Aceast nou hart ne ofer prima confir-mare palpabil a teoriei inflaionare, confirmare ateptat demai bine de 25 de ani.
Perioada inflaionar
Teoria Big Bang-ului, cea clasic, explic destul de binefondul cosmologic de radiaii i originea elementelor uoare.Totui ea nu poate rspunde la cteva ntrebri fundamentale.
De ce este Universul, la scar mare, este att de uniform? De ce sunt att de muli fotoni n Univers? Ce proces fizic a produs fluctuaiile iniiale n densitatea
materiei?
La aceste ntrebri ncearc s rspund teoria inflaio-nar, dezvoltat de Alan Guth, Andrei Linde, Paul Steinhardti Andy Albrecht. Aceast teorie presupune o perioad de ex-pansiune extrem de rapid (o expansiune exponenial) ime-diat dup declanarea Big Bang-ului. Pentru a descrie aceastexpansiune m voi folosi de minunata carteMelodia secret i omul a creat Universul, scris de astrofizicianul TrinhXuan Thuan, carte aprut la editura Eonul dogmatic n 2005.Cum a fost posibil ca regiuni diametral opuse ale cerului,aparent fr niciun contact vizibil, s i coordoneze proprie-
31
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
29/256
tile cu o precizie att de mare? De fapt, dac expansiuneaar fi fost una normal, i nu una exponenial, inflaionar,am fi avut un Univers de comar pentru minile noastre,
deoarece proprietile lui ar fi fost diferite n funcie de punc-tul n care ne-am fi aflat. Dup inflaie ntreg Universul obser-vabil abia avea dimensiunile unei portocale, adic aproxima-tiv 10 cm. [...] Deoarece n faza inflaionar el a crescut de 1050ori, el era parte dintr-un mic spaiu cu diametrul de 10-49 cm,adic de miliarde de miliarde de miliarde de ori mai mic dectnucleul unui atom. Acest Univers de nceput (la 10-35 s) era
att de mic, nct fiecare parte infinitezimal pe care o coni-nea era n contact cu fiecare dintre celelalte. Lumina, care eracalea de comunicaie preferat ntre aceste regiuni i care c-ltorea cu viteza de 300.000 km/s, parcursese deja 10-25 cm,chiar dac a avut la dispoziie timpul infinitezimal de 10-35 s.Zona posibil de comunicaie era deja de un milion de miliar-de de miliarde de ori mai mare dect Universul i diversele
regiuni nu ntlneau nicio problem n a-i coordona proprie-tile pentru a fi perfect asemntoare. Dup inflaie, la 10-32s, regiunile universului-portocal nu mai sunt n contact unelecu altele, dar ele i amintesc faptul c au fost. Se pare cfaptul c Universul observabil este plat, adic euclidian, esteexplicat tot de aceast faz inflaionar, deoarece geo-metria spaiului s-a aplatizat n timpul inflaiei, aa dup cum
suprafaa unui balon se aplatizeaz atunci cnd balonul seumfl. Suntem cu toii contieni de faptul c o sfer are ocurbur cu att mai mic cu ct raza sa este mai mare. Cres-cndu-i dramatic dimensiunea, Universul devine plat..Vreau s precizez un lucru. Un Univers plat nu este unul plan,ca o foaie de hrtie. Este doar unul euclidian, unul n care, depild, suma unghiurilor unui triunghi este de 180 de grade.
Dar numrul mare de fotoni din Univers? Dar fluctuaiileiniiale n densitatea materiei? La aceste ntrebri rspunsulne vine tot de la teoria inflaionar. Explicaia fizic riguroaseste dificil de dat ntr-o carte de popularizare a tiinei. Vomspune doar c ntreaga materie din Universul cunoscut esterezultatul unui fenomen extraordinar. La momentul t=10-43 s,
32
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
30/256
adic la momentul din care fizica noastr poate oferi rs-punsuri, ntregul Univers avea numai 10-33 cm i o tem-peratur enorm, 1043 K! Materia nu exist, exist numai vi-
dul cuantic. Este momentul n care apare spaiu-timpul i gra-vitaia. Teoria inflaionar ne vorbete despre fluctuaii n vi-dul cuantic, fluctuaii care duc la apariia de perechi departicule i antiparticule virtuale, de perechi de particule iantiparticule fantom. Ceva se ntmpl i spaiul explo-deaz. La momentul t=10-35 s Universul i scade tempe-ratura de 10.000 de ori, fora nuclear slab se separ acum
de fora electrostatic. Universul ncepe s cristalizezeelibernd o mare energie ctre vidul cuantic, ceea ce declan-eaz inflaia de care aminteam mai devreme. ntre t=10-35 si t=10-32 s Universul crete de 1050 ori! n aceast perioadparticulele i antiparticulele fantom devin reale. Aparquarcii, electronii, neutrinii i antiparticulele lor. ncepe unproces frenetic de anihilare, rezultnd fotoni. Acetia, la
rndul, lor dispar aproape imediat, pentru a se transforma nperechi de particul-antiparticul. Este mai mult dect uninfern. Dar se ntmpl ceva, ceva aproape straniu. Naturafavorizeaz materia. Exist un mic excedent de materie, astfella fiecare miliard de antiquarci exist un miliard de quarciplus unul. Astfel materia nvinge, pe msur ce Universulcontinu s se rceasc. Dar pentru fiecare quark avem 1
miliard de fotoni. Aceasta este explicaia dat de teoriainflaionar pentru numrul mare de fotoni din Univers. Ctdespre fluctuaiile n densitatea materiei, tot teoria inflaionarne spune c ele sunt rezultatul fluctuaiilor iniiale din vidulcuantic din care a explodat Universul... i s v mai spunemceva, un lucru ce ar putea prea c ine de SF: teoria inflaionarprevede existena universurilor paralele!
Ce aduce nou WMAP? Aici este punctul cel mai importantal expunerii noastre. Noua hart a radiaiei cosmologice confir-m, pentru prima oar, modelul inflaionar al Big Bang-ului.Practic ea ne las s vedem pn ctre momentul de nceputal Universului. Reaciile fizicienilor nu s-au lsat ateptate. Eiremarcau cu entuziasm c Este o zi mare pentru cosmolo-
33
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
31/256
gie (Andrei Linde, acum profesor la Stanford, unul dintrentemeietorii teoriei inflaionare), Am depit o limit (Da-vid N. Spergel, profesor la Princeton), Este prima dovad
pentru inflaie (Michael Turner, cosmolog la Universitateadin Chicago). Ct despre Alan Guth, profesor la MIT, celcare inventat teoria inflaionar, el s-a mulumit s zm-beasc pentru sine, n timp ce strbtea de-a lungul i de-a la-tul sala n care se desfura o conferin de fizic...
Aceasta a fost ntmplarea pe care am inut s v-o po-vestim. n ceea ce ne privete, credem c a mai fost fcut un pasctre cunoatere, un pas ctre nceputul Universului. Cu si-guran lucrurile nu se vor opri aici. n civa ani ESA va lansaun nou satelit, Planck, care va avea aceeai misiune ca WMAP:scrutarea nceputurilor lumii. Acela va fi un instrument multmai perfecionat dect WMAP i se va apropia de limitelefizice de msurare. Vom avea rspunsuri suplimentare la n-trebri. Dar aceasta este o alt ntmplare din fascinantul uni-vers al tiinei, o ntmplare pe care, cu mare nerbdare,
ateptm s v-o povestim. Deocamdat s trecem ctre...
Primele steleUniversul la nceputul su. Au trecut 380.000 de ani
de la Big Bang i abia acum temperatura a sczut su-ficient de mult pentru a putea vorbi despre atomi, atomide hidrogen, heliu i ceva litiu. Era i mult lumin aco-
lo, lumin pe care o mai detectm i astzi, sub forma ra-diaiei relicte, faimoasa radiaie de fond de 3 K. Raza decurbur a Universului este de numai 15.000.000 zile lu- min. Un Univers spectaculos i misterios despre careabia n ultimii ani am nceput s l vedem cu ajutorulsondelor spaiale. Una dintre ele, WMAP, ne-a transmisimagini spectaculoase. Acum putem schia scenariul na-
terii fabricilor de atomi ale Universului, putem povesti
despre primele stele...PustietateaNu ne-ar fi greu s ne imaginm un cer pustiu de stele, aa
cum era la nceputurile Universului. Un Univers trist... Defapt apariia stelelor rmne n continuare un teren fertil pen-
34
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
32/256
tru ipoteze, ct vreme nu vom observa direct o stea creatdin materia primordial. tim acum c Universul are 13,7 mi-liarde de ani vechime (vrst calculat de ctre oamenii de
tiin pe baza datelor transmise de WMAP). Cunoatem ivrsta celei mai btrne planete din Univers: aproximativ 12,7miliarde de ani. Deci undeva, n intervalul de 1 miliard de anide la naterea lumii, au aprut primele stele. Din ce? Cum?
Rspunsurile la aceste ntrebri scurte nu sunt uor de dat.Avem nevoie, pe lng modele teoretice, de date rezultate dinobservaie. i tocmai n zona observaiei astronomice, care
ine locul experimentului din fizic, datele disponibile suntaproape nule. S explicm un pic situaia existent n prezent.Spuneam n deschiderea acestui articol c la nceputurile
sale Universul era alctuit din mult hidrogen i ceva urme deelemente uoare, cum sunt heliul i litiul. Elementele maigrele au aprut mai trziu, fiind fabricate n miezul primelorstele. De aici apare prima noastr dificultate. Cutm n Uni-vers nori de materie interstelar primordial, care nu ar trebui
s conin elemente grele. Calea de care dispunem n prezenteste aceea de a analiza lumina ce ne vine de la cele mai n-deprtate galaxii. i constatm c acolo exist deja materiefabricat n stele, deci nu avem de-a face cu materia primor-dial. Ne-am putea gndi c o vom descoperi undeva, n afa-ra galaxiilor, sub forma unor aglomerri de gaz intergalactic.Numai c i aceast cutare nu a dat rezultate. Practic, a fost
analizat lumina ce ne sosete de la cele mai ndeprtate cor-puri cereti: quasarii. Aceasta a traversat numeroi nori in-tergalactici pn s ajung la noi. Dar i aceast msurtoarea euat n descoperirea materiei nceputului de Univers. nnorii intergalactici exist deja elemente grele!
ProblemaIat o situaie complicat. Avem informaii destul de bune
despre Universul la 380.000 ani de la Big Bang. Dar nu timnici cum artau primele stele, nici cum s-au format. Nu timpentru c, repetm, nu le putem observa direct, deocamdat.Pentru a gsi rspunsuri, mcar ipotetice, oamenii de tiin aula dispoziie o unealt foarte puternic: modelarea matematic,adic simularea cu ajutorul ecuaiilor a evoluiei sistemelor.
35
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
33/256
nainte de a prezenta rezultatele la care s-a ajuns n pre-zent, credem c este util s v povestim cte ceva despre di-ficultile care au trebuit s fie depite.
Atunci cnd se formeaz o stea este necesar existenaunui nor de materie care s se comprime datorit gravitaiei.Nicio problem. Imaginile transmise de WMAP ne arat cnc de la nceputuri n Univers existau fluctuaii de densitatea materiei iniiale, deci apruser deja aglomerri uriae.
Avem totui o mic problem. Atunci cnd norul inter-stelar se comprim temperatura acestuia crete foarte mult
(legea este valabil pentru orice gaz). Asta nseamn c avemo cretere a vitezei medii a componentelor gazului, ceea ce artrebui s anuleze procesul de comprimare. n zilele noastreacest surplus de energie este evacuat prin intermediul mo-leculelor de ap (vom aborda mai trziu i subiectul apei dinUnivers) i de monoxid de carbon, componente inexistente nacele vremuri de nceput... Ne putem gndi c evacuarea cl-durii s-a fcut prin intermediul hidrogenului molecular. Darhidrogenul molecular se formeaz cu ajutorul prafului inter-stelar, printr-un fel de condensare. Iar praf interstelar nu exis-ta n acele timpuri. Iat cum ne nvrtim n jurul aceleiai pro-bleme, a crei rspuns, ce rezult din modelri, ar putea fiacela c totui poate aprea steaua i n absena elementelormai grele, printr-un mecanism foarte ineficient. Adic printr-omare risip de materie. i mai trebuie s existe ceva... trebuie
s existe ceea ce fizicienii numesc materie ntunecat, omaterie stranie, care n prezent, la scara Universului, face caexpansiunea Universului s fie accelerat.
ModelareaCum ar putea arta un asemenea scenariu? Pentru a rs-
punde ne-am folosit de modelrile realizate de ctre cercettoriiGreg Bryan, de la MIT, Michael Norman, de la Universitatea Cali-fornia-San Diego, i Richard Larson, de la Universitatea Yale.
Procesul prin care s-au nscut primele stele a nceput rela-tiv repede dup Big Bang, undeva n intervalul cuprins ntre13 milioane i 100 milioane de ani dup Big Bang (ntre timpdata naterii primelor stele a fost plasat la 400 milioane de
36
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
34/256
ani de la Big Bang, dar modelul matematic rmne valabil).Iniial s-au produs mici fluctuaii de densitate n structuraUniversului. La 100 milioane de ani (repetm: noile date in-
dic 400 milioane de ani) de la apariia Universului materiantunecat a nceput s se concentreze n zonele n care den-sitatea era mai mare, atrgnd cu sine atomi de hidrogen. Omic parte a acestora s-au apropiat att de mult, nct au n-ceput s formeze molecule, lund astfel natere mari nori mo-leculari cu diametrul cuprins ntre 10 i 1.000 parseci (un par-sec este egal cu 3,6215 ani lumin sau, n kilometri, un parsec
este egal cu 3,0856 x 1013 km). Masa acestora a fost de or-dinul masei a o mie de sori. n etapa urmtoare ncepe com-primarea gravitaional a acestei aglomerri de gaz. Dup c-teva milioane de ani, temperatura i presiunea din centrul no-rului molecular ating valori suficient de mari pentru a declan-a reaciile termonucleare. Apare prima stea. Modelrile in-dic pentru ea o mas cuprins ntre 100 i 250 mase solare.
O stea cu adevrat uria. Dar stelele uriae ard foarte repede.n centrul lor reaciile termonucleare se desfoar ntr-unritm de-a dreptul infernal. i se mai ntmpl c stelele maritriesc puin, foarte puin, dac facem comparaia cu Soarelenostru. Explodeaz repede stelele uriae i arunc n Universmaterie nou, n care vom gsi i elementele mai grele, careuureaz naterea de noi atri i apariia primelor planete. Dar
prin explozie nu se evacueaz dect ceva mai puin de jum-tate din masa stelei iniiale, restul se aglomereaz n centrulstelei moarte, formnd o gaur neagr supermasiv. Procesulde mai sus ar putea explica prezena gurilor negre n centrulgalaxiilor, despre care vom vorbi n alt parte.
Acesta a fost un posibil scenariu al formrii primelor stele,pe care l-am simplificat foarte mult. Se dau rspunsuri lamulte ntrebri, dar nu tim nc dac sunt cele corecte. Pro-babil c n anii ce vor veni vom dispune de modele mai de-taliate i mai precise. Dar, oricum ar fi modelele matematice,este necesar observaia, verificarea. Instrumentele noastrede astzi nu ne pot ajuta, dar putem avea sperane pentru vii-tor. Dac nu se schimb n ru ceva pe la NASA n anii viitori
37
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
35/256
(mai exact n 2009) va fi lansat n spaiu NGST (Next Gene-ration Space Telescope), o unealt minunat, cu o oglind de8 m (de comparat cu cei 2,4 m ai lui Hubble), care ne va oferi
imagini detaliate ale galaxiilor aa cum erau ele acum multemiliarde de ani. Atunci vom avea confirmri sau infirmri alescenariului prezentat mai sus.
Pe mine m frmnt altceva. Spuneam c cea mai btrnplanet din Univers a aprut la numai un miliard de ani de laBig Bang. Planetele au aprut foarte repede n Univers. Esteposibil s fi aprut i viaa ntr-un Univers tnr?
Materia ntunecat, energia ntunecattirile care le primim n ultimii ani despre Univers
sfideaz logica, sfideaz modul nostru de a vedea lumea.Credeam ntr-un Univers n care materia cu care suntem
obinuii este predominant. Numai c lucrurile nu staun niciun fel aa. Numai 4-5% din Univers este alctuit
din materie, din materia aceasta din care noi nine suntem fcui. Restul de 95%? Nimeni nu tiedeocamdat ce reprezint aceste 95%. Se vorbete despre materie ntunecat i energie ntunecat, dar acestesintagme vor doar s acopere ceva ce nu cunoatem nc.
Ipoteza materiei ntunecate s-a nscut din constatrile as-trofizicienilor. Acetia au un mare avantaj: dispun de cel mai
mare laborator cu putin. Un laborator n care ei nu pot or-ganiza experimente, dar n care pot observa fenomene ciudate,care trebuie s i gseasc explicaia. Iar n acest imens labo-rator se ntmpl lucruri care nu prea pot fi explicate cu ajutorula ceea ce tim acum. De fapt, misterul este destul de vechi.
Iat un exemplu, vechi de cinci decenii. Prin 1933 un as-trofizician german, pe numele su Fritz Zwiky, studia mi-
carea galaxiilor ndeprtate ncercnd s le estimeze masa,msurndu-le strlucirea. Apoi a folosit diferite alte metodede estimare, bazate pe viteza de rotaie a galaxiilor, i a ajunsla nite rezultate aiuritoare: masa roiurilor galactice ndepr-tate era de 400 de ori mai mare dect cea calculat iniial.Discrepana dintre masa calculat i cea estimat a cptat i
38
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
36/256
un nume: Problema masei lips. Problema nu este rezolvatnici n prezent i, mai mult dect att, ea s-a complicat. i s-acomplicat mai mult din 1998, cnd astrofizicienii au fcut un
anun extraordinar, care a fcut obiectul primului nostru sub-capitol.Expansiunea Universului se accelereaz!
A sosit acum momentul unor scurte precizri. Relativita-tea generalizat postuleaz c prezena unei mase oarecarecurbeaz spaiul. Analogia care descrie acest postulat estedeja clasic: cea a unei bile aflat pe o coal perfect elastic.Dar Teoria generalizat a Relativitii poate fi aplicat n ca-
zul ntregului Univers, caz n care vom putea stabili structuraspaiu-timpului la scar mare. Trebuie numai s cunoatemct mai bine felul n care masa i energia sunt distribuite nUnivers. Simplificnd la maximum modelul cosmologic pu-tem spune c, dac densitatea materiei n Univers este maimic dect 2 x 10-23 g/cm3, atunci curbura Universului estenegativ (pe o suprafa cu curbur negativ dreptele paralele
se ndeprteaz una de alta, iar suma unghiurilor unui tri-unghi este mai mic de 180 grade). Dac densitatea materieieste egal cu valoarea de mai sus, atunci curbura Universuluieste nul, avem de-a face cu un Univers plat (n acest caz suntvalabile teoremele geometriei euclidiene). i, n sfrit, dacdensitatea este mai mare dect cea indicat mai devreme,atunci curbura Universului este pozitiv (cum este cea a unei
sfere, iar n acest caz nu exist drepte paralele i suma un-ghiurilor unui triunghi este mai mare de 180 grade).n discuia noastr mai exist un aspect important: leg-
tura dintre densitatea medie a materiei n Univers i viteza sade expansiune. ntr-un Univers alctuit numai din materie,masele se vor atrage reciproc, ceea ce va constitui o frn ncalea dilatrii, care ar trebui s ncetineasc pe msura trece-rii timpului. Dar teoria relativitii vorbete despre o echiva-len ntre materie i energie, motiv pentru care modelele deUnivers trebuie s in cont de o eventual densitate de ener-gie diferit de zero, la scara Universului. De altfel, n mode-lul lui Einstein, pentru ca Universul s fie staionar (adic snu se dilate sau s se contracte) a fost introdus un termen su-
39
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
37/256
plimentar, faimoasa constant cosmologic . Aceast con-stant joac un rol foarte important: n anumite condiii, den-sitatea de energie fiind diferit de zero, ar aprea o for re-
pulsiv, care ar contrabalansa efectele gravitaionale. tim deja,datorit lui Hubble, c Universul se afl n expansiune. Acum s nereamintim constatarea din 1998, conform creia aceast expan-siune se accelereaz. Ceva trebuie s provoace acest fenomen. Ce?
Rspunsurile se afl deocamdat la stadiul ipotezelor. Unlucru este cert. Materia aceasta, cu care suntem noi obinuii,pe care o putem vedea sau pipi, reprezint doar o foarte mic
parte din compoziia ntregului Univers, doar vreo 4%! Res-tului, pn la 100%, i se adaug cuvntul ntunecat: materientunecat, energie ntunecat, asta ca s sublinieze mai multmisterul. Dar de unde tim c avem numai 4% materie obi-nuit? Vorbeam mai sus despre curbura Universului, care de-pinde de densitatea de materie. Iar curbura Universului aputut fi determinat cu o precizie suficient de bun, prin m-surtori efectuate asupra fondului cosmologic de radiaii.Acest fond de radiaii reprezint prima plpire a Univer-sului, la aproximativ 380.000 de ani dup Big Bang (pn nacel moment densitatea i temperatura acestuia erau att demari nct niciun foton nu putea circula liber, Universul eraopac). Msurtorile au fost fcute de-a lungul timpului cusonda spaial COBE, a urmat msurtorile experimentuluiBoomerang (care s-a folosit de baloane ridicate n stratosfer)
i apoi, n 2003, msurtorile efectuate de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Interpretarea tuturor acestorrezultate a dus la o concluzie clar. Trim ntr-un Univers plat,adic ntr-un Univers n care este valabil geometria euclidian.Dac Universul este euclidian, atunci trebuie s avem oanumit densitate de materie, a crei valoare am indicat-omai sus. Iar dac facem comparaia cu ceea ce msurm di-
rect obinem o valoare foarte mic, de numai 4% din ceea cear trebui, pentru a ne da un Univers plat... Revenim la ideeanoastr: trebuie s mai existe ceva. Ar trebui s putem explicaacest ceva apelnd la ipoteze.
Ne este foarte uor s ne gndim c avem de-a face cumaterie obinuit, dar care nu este accesibil instrumentelor
40
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
38/256
noastre. Este vorba despre ceea ce astrofizicienii numescMACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects).Candidate pentru acest tip de materie ntunecat ar putea fi
gurile negre primordiale, despre care vom vorbi de ndat ceterminm acest capitol. Acestea ar fi putut fi fabricate nnumr suficient de mare n perioada timpurie a Universului,astfel nct s-l influeneze i n prezent, ducnd la mani-festrile neateptate pe care le-am descris mai sus. AcesteMACHOs ar mai putea fi i altceva: pitice maro sau planetegigante, care nu emit lumin proprie. Acest tip de obiecte
sunt analizate cu atenie de ctre astrofizicieni, dar mai existo ipotez, mai fascinant i mai plin de perspective de ne-bnuit n prezent.
Este vorba despre WIMPs (Weakly Interacting MassiveParticles), care poart nume, deocamdat, neobinuite nou:neutralino, axoni etc. Aceste particule ipotetice ar avea capa-citatea de a nu interaciona dect foarte slab cu materia
obinuit. Astfel, este posibil ca n fiecare clip trupurilenoastre s fie strbtute de milioane de asemenea particule nfiecare secund, particule ce cltoresc cu milioane de km/h,fr ca acestea s interacioneze cu materia din care suntemalctuii. Nici mcar Pmntul sau corpurile cereti cele maimasive nu ar fi un obstacol pentru WIMPs. De fapt, avem de-tectat deja asemenea particule care interacioneaz slab: neu-
trinii. Numai c neutrinii au mas neglijabil, n timp ceWIMPs, aa cum le arat i numele, ar trebui s fie particulemasive. S nu credei c aceste particule au fost scoase dinvreun joben de ctre astrofizicieni. Ele sunt prevzute de c-tre cea mai modern i exotic ramur a fizicii, cea a super-stringurilor. Aceast teorie ncerc s unifice forele naturii fo-losindu-se de un Univers multidimensional (apte dimensiunisuplimentare se adaug celor cu care suntem noi obinuii).Pentru frumuseea ipotezelor din teoria superstringurilor vomdeschide o mic parantez. Este bine s tii c, potrivit aces-tei teorii, la dimensiuni foarte mici, undeva n jurul a 10-35m,particulele elementare dispar. Rmn numai nite mici defor-mri ale spaiului, un soi de corzi ce vibreaz ntr-un spaiu
41
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
39/256
cu 11 dimensiuni (de aici vine i numele de teoria super-stringurilor). Ei bine, particulele elementare sunt tocmai re-zultatul combinrii acestor corzi. Altfel spus materia nsi
este rezultatul combinrii unor vibraii la scar subcuantic.ncheiem aici mica noastr parantez.
Revenind acum la materia ntunecat trebuie s ne punemobinuita ntrebare: cum am putea verifica o asemenea ipo-tez? Una dintre ci ar fi s fabricm noi nine materientunecat. Este posibil aa ceva? Se pare c da, deoarece n-cepnd cu 2007 la CERN, n Elveia, va fi pus n funciune un
superaccelerator de particule, n inelul cruia se vor ciocniprotoni i antiprotoni de foarte mare energie, energie ncneatins pe Terra. Se sper c n urma acestor ciocniri vomgsi urmele clare ale materiei ntunecate. i mai exist o cale.Dei, aa cum spuneam, particulele WIMPs interacioneazfoarte slab cu materia, totui aceast interaciune se produce.Mai multe grupe de cercettori din lumea ntreag au propus
diferite metode pentru a o detecta. Imaginai-v un cristal ncare atomii sunt aproape ngheai, prin aducerea lui la tem-peraturi ct mai apropiate de zero absolut. Apoi vom urmrice se ntmpl cu atomii din reeaua cristalin, deoarece n ur-ma interaciei cu WIMPs vom avea o foarte uoar cretere aagitaiei acestor atomi. Desigur, precizia de msurare esteesenial ntr-un asemenea experiment, deoarece, s nu ui-tm, WIMPs nseamn particule masive care interacioneazslab cu materia obinuit.
Dac pn acum am vorbit despre materia ntunecat,trebuie s ne oprim puin i asupra energiei ntunecate, vino-vat, aa cum se arta mai nainte, de accelerarea expansiuniiUniversului. Aici lucrurile sunt i mai complicate, de aceeanoi le vom simplifica. nti vom face o afirmaie: vidul nu es-te vid i nici nu poate fi vid. Acolo se produc fluctuaii la sca-r cuantic, apar i dispar particule, exist deci energie, nu-mit chiar aa: energia vidului. Iar aceast energie calculatde fizicieni este cu 120 de ordine de mrime mai mare dectcea calculat de cosmologi. Diferena este uria i pune mariprobleme oamenilor de tiin. Iar aceast energie a vidului
42
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
40/256
este cel mai bun candidat pentru energia ntunecat, care artrebui s reprezinte aproximativ 73% din ntregul Univers. Ovaloare uria pentru ceva ce nu tim, deocamdat, ce repre-zint. Dar i n acest caz vom avea, n anii ce vin, expe-rimentele corespunztoare. De fapt, se va relua un experimentmai vechi, realizat nc din 1948 de ctre fizicianul olandezH.G.B. Casimir. Acesta a folosit dou plci de aluminiu pla-sate n vid, foarte aproape una de alta. ntre ele au aprut forede atracie i de respingere (foarte slabe) care oglindeau toc-mai fluctuaiile de energie la nivelul cuantic al vidului. n aniinotri avem la dispoziie un instrument mult mai sensibil: jonciunea Josephson. Cu ajutorul acesteia se pot msurafluctuaiile din vidul cuantic, atunci cnd este rcit pn napropiere de 0 K. Ateptnd rezultatele acestor experimente,trebuie s mai introducem, n fug, un cuvnt nou: quintesen-a, a cincea esen, dincolo de elementele-standard ale alchi-mitilor: pmntul, aerul, focul i apa. Acesta ar putea fi cu-vntul ce va fi folosit n viitor pentru a numi energia ntu-necat. i credem c acest cuvnt ilustreaz foarte bine ceeace tim acum. tim c ne aflm n faa unui mare mister caretrebuie s-i gseasc rezolvarea. Acesta este rostul tiinei.
Gurile negre primordiale
V vom povesti despre gurile negre primordiale, care s-au format cndva, la nceputul Universului nostru.Vorbim despre gurile negre din pricin c s-ar putea caele s ne ajute s construim crrile prin care, peste ani,vom cltori ctre cele mai ndeprtate galaxii.
Ct de mic poate fi o gaur neagr? tim, aproape sigur,c n centrul galaxiilor se afl guri negre supermasive, cumasa echivalent cu cteva sute de milioane de mase solare.Dar ct de mic ar putea fi o gaur neagr? Teoria spune ccea mai mic gaur neagr cu putin ar trebui s aib diametrulde 10-33 cm, cruia i-ar corespunde o mas de 2 x 10-2 g. Adicar avea o dimensiune mai mic dect a particulelor elementare
43
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
41/256
i o mas de miliarde de miliarde de ori mai mare dect a ori-crei particule elementare cunoscute nou.
Istoria gurilor negre nu este chiar nou, ea datnd nc de
pe vremea lui Laplace, care a artat c ar putea exista corpuricereti cu o mas att de mare nct nici mcar razele de lu-min s nu le poat prsi, din pricina forei gravitaionaleuriae. Dar, orict de mare ar fi fost intuiia marelui astronomfrancez, el nu avea cum s bnuiasc ct stranietate poartcu sine asemenea corpuri cereti. A trebuit ca geniul unuiEinstein s schimbe fizica ce sttuse la baza ipotezei lui La-
place: fizica newtonian. i aceast fizic nou, creat deEinstein, a adus cu sine un ir lung de noi teorii, printre carei cele referitoare la gurile negre. Nu vom intra n detalii, cine vom referi de acum nainte strict la subiectul nostru.
n 1974 geniul fizicii ce poart numele de Stephen Haw-king, cutnd s neleag proprietile gurilor negre la nivelcuantic, a enunat ipoteza existenei gurilor negre primor-
diale, ale celor de la nceputul timpului. Acestea, aprute cumult timp n urm, ar disprea acum, inundnd spaiul cu iz-bucniri de particule de energie foarte nalt. Ipoteza a fost pri-mit cu mult scepticism, aa cum se ntmpl adesea n ti-in. Dar tot n tiin se ntmpl c, atunci cnd faptele tinds confirme ipotezele, ipotezele sunt acceptate.
i se mai ntmpl c interesul oamenilor de tiin pentru
aceste obiecte tinde s creasc, deoarece ei ar putea fi can-didaii perfeci pentru a explica materia ntunecat, cea care,conform informaiilor transmise de ctre sonda WMAP, alc-tuiete cea mai mare parte a Universului nostru. Aceast mis-terioas materie ntunecat ar explica foarte bine ceva ciudat:expansiunea Universului se accelereaz, n loc s se nceti-neasc. Iar gurile negre primordiale, n msura n care arputea fi detectate, ar reprezenta un laborator ideal pentrutestarea celor mai noi teorii din fizic, cele care ncearc sunifice mecanica cuantic i cele ale relativitii generale.
i totui aceste guri negre ale nceputului de Univers nuseamn cu cele ce se supun teoriei einsteiniene. Conformacesteia o gaur neag ia natere prin prbuirea gravitaio-
44
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
42/256
nal a unui astru ce trebuie s aib o mas de minimum treimase solare, altfel materia nu ar ajunge la o densitate su-ficient de mare. Un asemenea obiect poate fi observat indi-
rect. Materia ce ajunge n vecintatea ei este atras ntr-unvrtej ameitor, cu vitez din ce n ce mai mare, iar particulelencrcate vor emite radiaii electromagnetice ce pot fi detec-tate de aparatele terestre. Cea de-a doua cale const n urm-rirea micrii atrilor, pentru a vedea dac acetia au nso-itori invizibili, i cea de-a treia cale const n a detecta defor-mrile spaiului provocate de existena gurii negre. Cu aju-
torul acestor metode s-au putut identifica muli candidai latitlul de gaur neagr.Dar ce se ntmpl cu gurile negre primordiale? Aici tre-
buie s facem o precizare. Acestea, conform teoriei, trebuies aib o mas extraordinar de mic, fiind uoare ca fulgulsau ca firul de praf. Iar asemenea guri negre minuscule nu armai produce efectele cataclismice ale surorilor lor, gurile
negre clasice. Dar am putea totui s le detectm. Cci ele seevapor, se evapor cuantic! Este o afirmaie ciudat, deoare-ce ne-am atepta ca ele s atrag din ce n ce mai mult ma-terie, iar masa lor n timp ar trebui s creasc. Numai c me-canica cuantic aplicat n acest caz indic altceva (de aceeavorbim de evaporare cuantic). Pentru a explica acest feno-men trebuie s v spunem c n vidul cel mai perfect, n vidul
teoretic, apar perechi de particule virtuale. Avem de-a face cuo adevrat materializare din nimic. Cum energia trebuie srmn nemodificat, nseamn c suma energiei celor douparticule trebuie s fie zero, adic una s posede energie ne-gativ, iar cealalt energie pozitiv (poate v pare ciudataceast energie negativ, luai-o deocamdat ca pe o afir-maie i v promitem c vom reveni asupra acestui subiect).n mod normal aceast generare de perechi de particule dinneant nu duce la rezultate spectaculoase, cci ele se anihi-leaz instantaneu. Numai c n vecintatea unei guri negre,chiar a uneia foarte uoare, spaiul este puternic deformat. Pe-rechea de particule aprut din neant este supus unei puter-nice fore gravitaionale, iar cele dou particule nu mai au
45
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
43/256
cum s se anihileze reciproc. Conform teoriei lui Hawking,particula cu energie negativ va fi atras de gaura neagr, ntimp ce particula cu energie pozitiv are ansa s evadeze.
Astfel ia natere radiaia Hawking. Este ca i cum gaura nea-gr ar pierde mas i ar emite lumin Acest fenomen estecu att mai important cu ct masa gurii negre este mai mic.Viteza de evaporare crete odat cu scderea masei, astfel cgurile negre primordiale se vor evapora din ce n ce mai ra-pid (la scara de timp a Universului). Exist o limit dup careevaporarea nceteaz? Teoriile moderne din fizic susin c
evaporarea ar trebui s nceteze n clipa n care masa guriinegre atinge limita de 10-5 g. Astfel, Universul ar putea fipopulat cu nenumrate guri negre minuscule, vestigii alecelor primordiale, avnd efecte sesizabile asupra Universului.
S revenim acum asupra evaporrii gurilor negre uoare,deoarece astfel am putea identifica o cale prin care s le pu-tem descoperi n adncurile Cosmosului. O gaur neagr cu
masa de 1015 g (masa pmntului dintr-un deal) se va evapora n aproximativ 15 miliarde de ani deci, avnd n vedere cvrsta Universului este de 13,7 ani, rezult c ar trebui s pu-tem detecta radiaia Hawking emis de ea.
Vom reveni mai ncolo la radiaia emis prin evaporareagurilor negre primordiale, pentru c trebuie s ne oprim, prede cteva fraze, asupra originii lor. Recapitulm: n primele
momente de la Big Bang Universul ntreg nu era dect o supde particule elementare nedifereniate. Agitaia termic eraatt de mare nct, n urma ciocnirilor succesive, nu puteauaprea nici mcar cei mai simpli atomi, iar fotonii erauimediat absorbii. Universul era ca un nor, era opac. Abia lavreo 380.000 de ani dup Big Bang aceast sup a devenittransparent. Asupra acestui moment avem informaii destulde bune, oferite de radiaia cosmologic (sau de fond, saurelict). Acest fond de radiaii nu este perfect uniform (cumar fi n cazul unei supe omogene), lucru demonstrat de son-dele Cobe i WMAP. Au existat fluctuaii de densitate n su-pa originar, ceea ce a dus la apariia stelelor i galaxiilor, dari a gurilor negre primordiale. Acestea din urm erau sufi-
46
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
44/256
cient de deprtate una de alta, astfel nct nu s-au influenatreciproc, mai pe scurt, au rmas aa cum erau la nceput, adi-c uoare. i dac sunt uoare, am spus mai sus, se evapor
rapid, i dac se evapor emit radiaie Hawking, din ce n cemai intens pe msur ce masa lor scade, deci ne ofer caleaprin care am putea s le detectm.
Nu ne rmne dect un mic pas. Urmrim radiaia cosmi-c. De foarte mult vreme fizicienii sunt intrigai de un fe-nomen bizar. Cam o dat la 100 de ani fiecare kilometru p-trat de pe planeta noastr este izbit de ctre o particul cu o
energie de 1020 eV. Este deci vorba despre un fenomen foarterar. Dar raritatea unui fenomen nu ne scap de cutarea uneiexplicaii. Or una dintre explicaii ar fi tocmai aceasta: par-ticula de nalt energie provine din evaporarea unei guri ne-gre primordiale. Ar putea fi, iat una dintre expresiile cucare oamenii de tiin pot fi de acord, dar nu pentru multvreme. Pentru tiin sunt necesare dovezi suplimentare.
Trebuie s ne mutm aparatele de msur dincolo deatmosfera terestr, n Cosmos. Dac vom detecta, simultan,izbucnirea unui flux de neutri, protoni, antiprotoni i radiaiiX nu am putea spune c originea acestuia este o gaur neagrprimordial. Dar, dac am detecta un flux puternic de radiaiin care abund antiprotonii de nalt energie, am putea spunec acetia sunt rezultatul evaporrii unei guri negre de mici
dimensiuni, deci a unei guri negre de la nceputurile Univer-sului. Un instrument capabil s detecteze un asemenea fluxde antiprotoni va fi amplasat (ct de curnd nu tim, datoritproblemelor pe care le are NASA) la bordul ISS. Este vorbadespre AMS (Alpha Magnetic Spectrometrer spectrometrumagnetic de radiaii alfa, radiaii alfa care nu sunt altceva de-ct protoni). Vor fi descoperite gurile negre primordiale cuajutorul aparatelor pe care le vom trimite n spaiu? Rs-punsul, la nivelul certitudinii, este greu de dat. Dar, probabil,anii ce vin ne vor aduce confirmarea existenei gurilor negreale nceputului de Univers. i atunci va trebui s mai facemciva pai ctre viitor. Fizica ne ndreapt cu pai uriai ctreo nou fizic. O nou fizic ce va deschide multe pori ctre
47
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
45/256
noi necunoscuturi. O fizic ce va purta, cu adevrat, paiiomului ctre marginile Universului. Dar aceasta este o altpoveste, care merit, cu siguran, o alt carte, cu mult mai
groas dect cea de fa. Deocamdat ne vom mrgini la unalt spectacol oferit de Univers, legat tot de gurile negre. Estevorba despre...
Cpcunii din UniversObservaiile fcute cu ajutorul VLT (Very Large
Telescope) de la Paranal, Chile, au condus la descope-
rirea faptului c n centrul galaxiei Centaurus A (NGC5128), aflat la o distan de 11 milioane de a.l. ne noi, seafl o gaur neagr supermasiv.
Observaiile au nceput nc din 1997, cnd telescopulspaial Hubble a primit misiunea s urmreasc aceast ga-laxie. Cu ajutorul lui s-a putut observa un uria nor de gaz ceprea a fi nghiit de ctre un obiect misterios. Dar aceste ob-
servaii iniiale nu au fost suficiente. Pentru astronomi mis-terul nu are dect un singur rost. Acela de a fi elucidat. i, aacum spuneam, VLT a adus rspunsul final. Un obiect mon-struos, un soi de cpcun galactic, nghite cantiti uriae dematerie n centrul galaxiei Centaurus A. Acum cei mai muliastrofizicieni cred c n centrul galaxiilor se afl o uriagaur neagr.
Ce simple ar putea s par informaiile din paragraful demai sus! i, totui, la aceast concluzie nu s-a putut ajungedect dup nenumrate cutri, presrate cu ipoteze abando-nate pe traseu.
Cutarea a nceput prin studierea a nenumrate galaxii, p-n ctre marginile Universului. Cele mai multe dintre ele suntlinitite, aa cum avem norocul s fie Calea Lactee, galaxia ce
adpostete Sistemul Solar. Dar exist i o alt categorie degalaxii. Undeva n centrul lor se produc fenomene titanice, deacolo emindu-se cantiti uriae de energie. Acestea suntgalaxiile active. Pentru a v face o imagine, v vom spune cdintr-o sfer cu diametrul de numai 30 de a.l. din centrul aces-tor galaxii se emite mai mult energie dect din ntreaga galaxie
48
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
46/256
(Calea Lactee are un diametru de aproape 100.000 de a.l.).Celor ce iubesc clasificrile le vom spune c exist trei tipuri degalaxii active: galaxiile Seyfert, radiogalaxiile i quasarii.
Galaxiile Seyfert sunt galaxii spirale, ale cror nuclee suntde 10 ori mai luminoase dect ar fi normal. Despre ele timc gazul din nucleul lor se deplaseaz cu viteze ridicate, demii de km/s.
Radiogalaxiile au fost descoperite n anii 1950, sub formaunor puternice surse radio (de unde le vine i numele). Primadintre ele a fost Cygnus A, aflat la 600 milioane de a.l. de
Terra, i reprezint una dintre cele mai puternice surse radiodin ntreg Universul. Aceast emisie intens de unde electro-magnetice este provocat de deplasarea electronilor cu vitezeapropiate de viteza luminii n cmpuri magnetice intense, fe-nomen cunoscut i sub numele de radiaie sincrotron.
La nceputul anilor 1960 au fost reperate alte surse radiopunctuale. Numai c de aceast dat liniile lor spectrale nupreau s corespund niciunui element cunoscut. Aceste sur-se au primit numele de quasari (cea ce nseamn aproapestea). Dar de ce liniile spectrale nu corespundeau nici unuielement cunoscut? Rspunsul a venit repede. De fapt elecorespundeau hidrogenului, dar erau puternic deplasate ctrerou, ceea ce nseamn c aceste surse se afl la distane foar-te mari, de ordinul miliardelor de ani lumin. i nc un faptremarcabil. Spectrele luminoase ale quasarilor sunt similare
cu cele obinute pentru galaxiile Seyfert.Dar de unde vine aceast imens cantitate de energie emi-
s de galaxiile active? Iat o ntrebare important, la care as-trofizicienii au cutat rspunsuri. Ideea de la care s-a plecat afost urmtoarea. Trebuie s identificm un mecanism prin ca-re s poat fi accelerat gazul din nucleul galaxiilor Seyfert,electronii pn la viteze apropiate de viteza luminii, n cazul
radiogalaxiilor i strlucirea quasarilor. n urma msurrii lu-minozitii s-a ajuns la concluzia c sursa de energie este datde extraordinare concentrri de mas, ntre un milion i unmiliard de mase solare. Mai rmnea s se stabileasc cu ceavem de-a face. Cu supernove, ciocniri de stele, galaxii sauguri negre?
49
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
47/256
n cele din urm explicaia acceptat a fost cea legat deexistena unei guri negre n miezul galaxiilor active. De ce?nainte de toate este o problem de randament. Niciodat un
obiect ceresc obinuit nu va putea egala cantitatea de energieemis de nucleul galaxiilor active. Cantitatea de energie emi-s de o stea i, prin nsumare, a ntregii galaxii, provine dinconversia unei pri din masa sa n energie, rezumat splen-did de formula lui Einstein: E = mc2. Aceast conversie a ma-sei n energie se produce n urma reaciilor de fuziune nucle-ar din centrul stelelor, prin care atomii de hidrogen se trans-
form n atomi de heliu. Dar randamentul reaciei de fuziuneeste relativ mic, de circa 0,7%. Pentru a fi mai clari, s vedemla ce se refer randamentul n acest caz. Dac se convertete n heliu un kg de hidrogen, numai 7 g din masa ce intr nreacie este transformat n energie, restul se transform nheliu. Dar n cazul quasarilor ar fi nevoie ca masa a mii desori s fie convertit complet n energie, n fiecare an, pentrua putea s le explicm luminozitatea! Cifrele de mai sus nupot s nu dea de gndit, pentru c ele oglindesc mecanismeprea puin probabile pentru a explica energia quasarilor. Tre-buia imaginat un mecanism nou. i acesta a fost, aa cumdeja bnuii, gaura neagr. n cazul gurii negre, calculele oarat, este suficient ca aceasta s nghit anual 0,02 pn la20 de mase solare pe an. O cifr cu totul rezonabil... Iar gau-ra neagr ar trebui s aib o mas cuprins ntre 100 de mi-
lioane i un miliard de mase solare.Credem c este bine s repetm cte ceva din cele spuse n
subcapitolul de mai nainte despre ceea ce este o gaur nea-gr. Cel mai simplu este s spunem c aceasta este un corpceresc cu densitate extraordinar de mare, att de mare nctnici mcar lumina nu mai poate scpa de pe suprafaa ei. Uncorp cu masa ct a Pmntului ar trebui s aib un diametru
de numai 8 mm pentru a fi o gaur neagr. Poate ar mai trebuis v imaginai curbura spaiului. Orice mas curbeaz spa-iul i cea mai sugestiv imagine, furnizat de nsui Einstein,este cea a unei foi de cauciuc pe care aezm nite bile (carear reprezenta corpurile cereti). Foaia de cauciuc se va defor-ma. nchipuii-v c pe aceast foaie de cauciuc am aeza un
50
Universul
8/8/2019 Ultima aventura, Universul
48/256
obiect cu densitate infinit, foaia de cauciuc se va deforma in-finit, formnd un soi de pu (ne imaginm c nu se va rupe,este un obiect ideal aceast coal de cauciuc). Acum trebuie
s ne imaginm ce s-ar ntmpla cu materia care este aspiratde acest pu gravitaional. Este evident c ea va fi accele-rat pn la viteze relativiste, emind puternice fluxuri deradiaii X. Extraordinara capacitate a gurilor negre de a con-verti materia n radiaii nu este singurul argument n favoareaipotezei c n centrul galaxiilor active se gsesc guri negre su-permasive. La aceasta se adaug i observaiile astronomice.
Telescopul spaial, deja btrnul Hubble, ne-a oferit ima-ginea centrului radiogalaxiei M87, un disc de gaz cu dia-metrul de numai 500 a.l. Msurtorile efectuate asupra aces-tui disc au dat valori att de mari, nct nu puteau fi explicatedect prin prezena n centrul nucleului gal
Top Related