Teoria Big Bang
Teoria Big Bang
Teoria Big Bang
Cine suntem? De unde venim? Încotro ne îndreptăm? Sunt întrebări fundamentale ale
omenirii. Dorinţa omenirii de a afla răspunsul la aceste întrebări a existat din toate timpurile.
Înainte de secolul al 20-lea, nimeni nu a sugerat că universul ar fi în expansiune sau în
contracție, fiind acceptate, de comun acord, ideile că acesta a existat dintotdeauna într-o stare
identică cu cea de azi sau că a fost creat la un anumit moment de timp în trecut, semănând
mai mult sau mai puțin cu cel de azi.
În prezent, universul este descris cu ajutorul a două teorii de bază: teoria generală a
relativității și mecanica cuantică. Prima descrie forțele de gravitație și structurile la scară
macrocosmică, iar cea de-a doua tratează fenomenele care se produc la scară subatomică.
Din păcate, aceste două teorii nu sunt compatibile una cu cealaltă. Scopul fizicienilor
contemporani este acela de a le încorpora pe amândouă într-o teorie cuantică a gravitației sau
Teoria Totului (The Theory of Everything), așa cum o denumește fizicianul și cosmologul
Stephen Hawking.
Ipoteza Big Bang (Marea Explozie) a fost propusă în 1948 de fizicianul cosmolog
George Gamow și colegii săi. Conform acestei ipoteze, universul se afla concentrat inițial
într-un punct singular cu densitate infinită, iar în prezent se află în expansiune.
Ipoteza contracției inițiale a fost propusă în 1963 de doi oameni de știință ruși, Evgheni
Lifshitz și Isaac Khalatnikov. Conform acestei ipoteze, universul actual a rezultat nu dintr-o
singularitate Big Bang, ci dintr-o fază anterioară de contracție, urmată de expansiune.
Ipoteza universului ce tinde spre moarte termică: Entropia universului tinde spre o
valoare maximă.
2
ca ceva infinit de mic, infinit de fierbinte, infinit de dens, o singularitate. De unde a apărut?
Nu știm. De ce a apărut? Nu știm.
Descoperirile în astronomie și fizică au arătat, dincolo de orice îndoială rezonabilă, că
universul nostru a avut de fapt un început. Înainte de acel moment (Big Bang) nu exista nimic;
în timpul și după acel moment a existat ceva: universul nostru. Crearea universului a coincis
cu începutul timpului, care nu a existat înainte de Big Bang, deoarece pur și simplu nu ar
putea fi definit.
După apariția sa, universul aparent s-a „umflat” („Big Bang”), s-a extins și s-a răcit,
trecând de la foarte, foarte mic și foarte, foarte fierbinte, la dimensiunea și temperatura
universului nostru actual. Continuă să se extindă și să se răcească până în zilele noastre iar noi
suntem în interiorul lui: fiinţe incredibile care trăiesc pe o planetă unică ce se roteşte în jurul
unei stele frumoase, grupată cu alte câteva sute de miliarde de stele într-o galaxie care pluteşte
prin cosmos, toate acestea fiind în interiorul unui univers în expansiune care a început ca o
singularitate infinitezimală, care a apărut de nicăieri din motive necunoscute. Aceasta este
teoria „Big Bang”.
Spre deosebire de ipoteza Steady State, care consideră că universul are o densitate
constantă, modelul Big Bang consideră că densitatea și temperatura acestuia scad pe măsură
ce expansiunea continuă.
Conform modelului Big Bang, în urmă cu 13,82 miliarde de ani, crearea universului s
a petrecut conform următorului scenariu:
1. 0 – 10-35 secunde: Universul era concentrat într-un volum de dimensiune zero și
densitate infinită a masei (singularitate inițială). Masa era foarte fierbinte și emitea radiații
puternice, ce împiedicau formarea atomilor.
2. 10-35– 10-33 secunde: A urmat perioada inflaționară, cu un început frânat al
expansiunii universului, urmat de o accelerare accentuată. În perioada inflaționară,
dimensiunea universului a crescut de peste 1060 ori. După această perioadă, expansiunea a
fost din nou frânată la valoarea vitezei critice specifice universului vizibil actual.
3. 10-33 secunde: S-a produs Marea Explozie, în urma căreia materia a început să se
răspândească în spațiu.
4. Un minut după Big Bang: Temperatura masei a scăzut suficient pentru a permite
formarea nucleelor și a elementelor ușoare (nucleosinteza primordială). 5. 380.000 de ani după
Big Bang: Radiația eletromagnetică emisă de materie a început să se răspândească în spațiu.
6. După un milion de ani: Universul a devenit suficient de rece pentru a permite
formarea atomilor, moleculelor și a primelor obiecte cosmice (quasari și găuri negre). 7. După
8,8 miliarde de ani: S-a produs condensarea materiei în stele și galaxii, apoi condițiile
planetare s-au stabilizat și au permis apariția vieții.
8. După 13,82 miliarde de ani: În prezent, universul se află în expansiune și au loc
formări de noi corpuri cosmice, precum și distrugeri ale unora deja existente Care sunt
dovezile majore care susțin teoria Big Bang?
• În primul rând, suntem în mod rezonabil siguri că universul a avut un început.
4
• În al doilea rând, galaxiile par să se îndepărteze de noi cu viteze proporționale cu
distanța lor. Aceasta se numește „Legea lui Hubble”, denumită după Edwin Hubble (1889-
1953) care a descoperit acest fenomen în 1929. Această observație susține expansiunea
universului și sugerează că universul a fost odată compactat.
• În al treilea rând, dacă universul a fost inițial foarte, foarte fierbinte, așa cum
sugerează Big Bang-ul, ar trebui să putem găsi o reminiscenţă din această căldură. În 1965,
radioastronomii Arno Penzias și Robert Wilson au descoperit o radiație cosmică de fundal cu
microunde (Cosmic Microwave Background radiation - CMB) de 2,725 grade Kelvin (-
454,765 grade Fahrenheit, -270,425 grade Celsius) care străbate universul observabil. Se
crede că aceasta este reminiscenţă pe care o căutau oamenii de știință.
• În cele din urmă, se crede că abundența „elementelor ușoare” de hidrogen și heliu
găsite în universul observabil susține modelul Big-Bang al originilor.
Cosmologia este ştiinţa care studiază originea, evoluția, compoziția și structura Universului.
Vestea bună a cosmologiei moderne este succesul unui model cosmologic, lambda-CDM, care
pare capabil să explice modul în care a evoluat Universul primordial la starea sa actuală.
Modelul Λ-CDM explică originea universului de la Big-Bang, apoi inflația, Nucleosinteza
Big-Bang și extinderea universului. Aspectul îngrijorător al modelului lambda CDM este acela
că necesită existența materiei întunecate misterioase și a energiei întunecate.
A. MATERIA BARIONICĂ
4,6 % din univers este format din atomi. Barionii includ protonii, neutronii și
electronii. Orice material constituit din protoni, neutroni și electroni se numeşte „materie
barionică”.
Materia barionică a fost generată din nucleosinteza Big Bang (BBN) în universul
timpuriu. În perioada de decuplare, diferite tipuri de particule ies din starea de echilibru
termic. Aceasta este teoria care descrie formarea elementelor ușoare (D, 3He, 4He, 7Li). Bazele
teoriei au fost puse în anii 1940 și 1950. Deși a fost concepută ca o teorie care explică
formarea tuturor elementelor, s-a realizat ulterior că BBN nu a putut explica elemente mai
grele decât litiul. Elementele mai grele se formează de fapt mult mai târziu în interiorul
stelelor.
B. MATERIA ÎNTUNECATĂ
„Materia întunecată” este un material misterios care exercită o atracție gravitațională,
dar nu emite și nu absoarbe lumină. 24 % din univers este alcătuit din materie întunecată rece
(Cold Dark Matter - CDM).
Existența materiei întunecate a fost suspectată pentru prima dată la începutul anilor
1930. În timpul măsurării vitezelor galaxiilor grupate în clustere, astronomul elvețian Fritz
Zwicky a dedus prezența unei mase invizibile. Calculele acestuia au arătat că, dacă s-a luat în
considerare doar masa vizibilă a galaxiilor, acestea ar fi trebuit să se separe datorită propriilor
lor viteze mari. Cu toate acestea, galaxiile au rămas grupate iar clusterele erau stabile. Cea
mai plauzibilă explicație a fost prezența unui mase invizibile care a legat gravitațional
galaxiile, dar care nu a emis radiaţie electromagnetică. Măsurătorile ulterioare au arătat că
trebuie să existe de cel puțin zece ori mai multă materie întunecată decât materie luminoasă în
clusterele de galaxii.
Alte dovezi indirecte ale existenței materiei întunecate au venit din vitezele de rotație
ale galaxiilor spirale. Aceste sisteme se rotesc de obicei cu viteze mai mari în apropierea
centrelor lor decât la marginile lor. La sfârșitul anilor 1960, Vera Rubin, W. Kent Ford și
Norbert Thonnard au descoperit că viteza de rotație rămâne mai mult sau mai puțin constantă
la o anumită distanță de centru, chiar și în regiunile îndepărtate care conțin puține stele. Acest
7
lucru indică faptul că materia întunecată era prezentă cu mult dincolo de limitele discului
galactic, probabil formând un halou extins.
Noțiunea de materie întunecată a devenit de atunci omniprezentă în astronomie și
cosmologie. Materia întunecată joacă un rol important în modelele de formare a galaxiilor.
Adevărata natură a materiei întunecate este una dintre cele mai importante provocări ale
astrofizicii moderne, mai ales că distribuția sa este departe de a fi uniformă. De exemplu
galaxia Dragonfly 44, descoperită în 2015, are o masă comparabilă cu Calea Lactee, dar pare
a fi aproape exclusiv materie întunecată (99,99 %). În schimb, galaxia NGC1052-DF2, care a
fost descoperită în martie 2018, pare a fi lipsită de materie întunecată.
Sursa: Caldwell, R and Kamionkowski, M, Cosmology: Dark matter and dark energy, 458|2 April 2009
8
Tipuri de materie întunecată
Ipotezele privind materia întunecată sunt împărțite în două categorii:
1) MACHO (Massive Compact Halo Objects), care consideră că materia întunecată
include stele pitice albe și maronii, stele neutronice sau găuri negre;
2) WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), care consideră că materia întunecată
include neutrini, monopoli magnetici și alte tipuri exotice de particule elementare stabile
produse în timpul Big Bang-ului.
Diferența majoră dintre cele două ipoteze este că materia întunecată de tip MACHO este
formată din barioni (protoni și neutroni), iar cea de tip WIMP este formată din materie
non-barionică. Teoriile recente sugerează că materia întunecată este în majoritate de formă
non-barionică, dar acest tip de materie nu a putut fi încă produs în laboratoarele terestre.