Dovezi care sustin Big Bang-ul

Stiinta a avansat pana la punctul in care putem deduce ceva despre intregul univers. Acest lucru a fost o mare provocare avand in vedere cat de inimaginabil de vast este universul. 

Nenumaratele stele pe care le vedeti pe cer constituie abia 3000 de vecine din aproximativ 300 de miliarde de stele care se afla in galaxia noastra, iar in univers exista pana la 100 de miliarde de galaxii. Oamenii intotdeauna si-au pus urmatoarea intrebare: universul a existat mereu asa cum il vedem noi, sau acesta a inceput cumva brusc?

La inceputul secolului trecut, am aflat cu uimire faptul ca universul se afla in expansiune. Acest lucru i-a facut pe fizicieni sa ajunga la concluzia ca universul a inceput in trecutul finit cu o dimensiune minuscula. Dandu-si seama ca universul a avut un inceput, oamenii si-au pus atunci intrebarea: cum a inceput universul? Acum, dupa decenii de observare si gandire, oamenii au reusit sa raspunda cu incredere la intrebarea privind originea universului nostru, cu ceea ce este cunoscut drept Big Bang. In continuare veti afla mai multe despre acele dovezi care sustin Big Bang-ul si despre nasterea universului in care traim

Ce este Big Bang-ul?

Conform teoriei Big Bang-ului, universul a luat nastere prin extinderea de la un volum infinitezimal cu o densitate si o temperatura foarte mari. Initial, universul era extrem de mic, chiar mai mic decat un por de pe pielea unui om. Odata cu Big Bang-ul, tesatura spatiului in sine a inceput sa se extinda la fel ca suprafata unui balon – materia pur si simplu se deplasa pe spatiul aflat in extindere, la fel ca praful pe suprafata unui balon. Big Bang-ul nu este ca o explozie de materie intr-un spatiu gol, ci mai degraba, spatiul insusi a inceput odata cu Big Bang-ul si a transportat materia cu el pe masura ce s-a extins. Fizicienii cred ca si timpul a inceput tot odata cu Big Bang-ul. Astazi, aproape toti oamenii de stiinta cred in modelul Big Bang-ului. Dovezile au fost atat de coplesitoare incat, in 1951, Biserica Catolica a declarat oficial ca modelul Big Bang-ului este in conformitate cu Biblia.

Pana la inceputul anilor 1900, majoritatea oamenilor au presupus ca universul avea o dimensiune fixa. In 1915 au aparut noi posibilitati, cand Einstein si-a formulat faimoasa teorie generala a relativitatii, care descrie natura spatiului, timpului si gravitatiei. Aceasta teorie permite expansiunea si contractia tesaturii spatiului. In 1917, astronomul Willem de Sitter a aplicat aceasta teorie intregului univers si a incercat sa demonstreze ca universul ar putea sa se extinda. Matematicianul Aleksandr Friedmann a ajuns la aceeasi concluzie intr-un mod mai general, in anul 1922, la fel ca si cosmologul Georges Lemaitre, in 1927. Acest pas a fost unul revolutionar, intrucat opinia acceptata la acea vreme era ca universul era static in ceea ce privea dimensiunea. Urmarind aceasta expansiune in sens invers, Lemaitre si-a imaginat toata materia continuta initial intr-un unives minuscul si apoi, explodand. Aceste ganduri au introdus noi posibilitati uimitoare pentru univers, insa erau independente de observatii la acea vreme. Big Bang-ul si evolutia universului

Trei rezultate observationale principale, obtinute in secolul trecut, i-au convins pe astronomi ca universul a inceput cu un Big Bang. Mai intai, acestia au descoperit ca universul se extinde – adica distantele dintre galaxii devin din ce in ce mai mari. Acest lucru i-a facut sa-si dea seama ca totul era mult mai apropiat inainte de un fel de explozie. In al doilea rand, Big Bang-ul explica foarte bine abundenta de heliu si alte elemente (cum ar fi deuteriul) in univers. Un mediu dens, fierbinte si aflat in expansiune, care initial era rece, ar fi putut produce aceste elemente in abundenta. In al treilea rand, astronomii au putut chiar sa observe radiatia cosmica de fond din toate directiile universului. Aceasta ultima dovada a confirmat definitiv teoria nasterii universului, Stephen Hawking numind-o “descoperirea secolului, daca nu chiar cea mai mare descoperire din toate timpurile”.

Expansiunea universului

Cam in aceeasi perioada in care oamenii au inceput sa vina cu ideea unui univers in expansiune, astronomul Vesto Slipher a observat ca exista mai multe galaxii care se indeparteaza de noi, decat galaxii care se apropie. Astronomii stiu daca o galaxie se apropie sau se indeparteaza uitandu-se la spectrul sau de lumina. Daca spectrul se deplaseaza catre o lungime de unda mai scurta (albastru), atunci galaxia se apropie de noi. Daca spectrul se deplaseaza catre o lungime de unda mai lunga (rosu), atunci galaxia se indeparteaza. Gradul de deplasare depinde de viteza de apropiere sau recesiune. Cu alte cuvinte, Slipher a observat ca existau mai multe galaxii ale caror spectre se deplasau spre rosu, decat cele ale caror spectre se deplasau spre albastru.

In 1929, Edwin Hubble a descoperit ca galaxiile indepartate se distantau de noi cu viteze mai mari, proportionale cu distantele lor. Cu alte cuvinte, spectrele galaxiilor mai indepartate aveau deplasari spre rosu mai mari. Lumina care provine de la galaxiile indepartate are nevoie de milioane sau chiar miliarde de ani pentru a ajunge pana la noi. Acest lucru inseamna ca noi vedem o imagine de acum milioane sau miliarde de ani. In deplasarea spre rosu, spectrul trece de la o lungime de unda scurta la o lungime de unda mai lunga, pe masura ce lumina calatoreste de la galaxie la noi. Aceasta crestere in lungimea de unda se datoreaza expansiunii tesaturii spatiului in sine, de-a lungul anilor in care a calatorit lumina. Daca lungimea de unda s-ar fi dublat, atunci spatiul trebuie sa se fi extins cu un factor de doi. Astfel, descoperirea lui Hubble a fost ca acest factor de expansiune era aproximativ proportional cu distanta parcursa de lumina, sau echivalent cu cat de departe in timp privim. Acest lucru inseamna ca universul era tot mai mic, cu cat ne deplasam mai inapoi in timp.

Urmarind inapoi acest univers in expansiune, vedem ca spatiile dintre galaxii devin din ce in ce mai mici, in timp ce densitatea devine tot mai mare. Acest lucru continua pana cand toata materia este compactata intr-un volum al universului redus complet, cu o densitate incredibila – momentul Big Bang-ului. Putem estima acum cat timp s-a intamplat acest lucru prin impartirea vitezei recesionale a unei galaxii la distanta pana la ea. In acest fel estimam acum cat timp distanta dintre galaxia respectiva si a noastra era de zero. Calculele arata ca Big Bang-ul s-a petrecut acum 10-15 miliarde de ani, care inseamna de aproape trei ori varsta Pamantului.

Expansiunea universuluiCa o modalitate de a verifica aceasta estimare a varstei universului, putem examina cele mai batrane obiecte pe care le gasim in acesta pentru a vedea daca au varsta de 10-15 miliarde de ani. Din datarea radioactiva a izotopilor de uraniu, stim ca cei mai batrani izotopi au fost creati acum aproximativ 10 miliarde de ani (prin reactii nucleare in supernove). Din modelul curent de evolutie a stelelor, stim ca cele mai batrane stele din galaxia noastra au aproape 12 miliarde de ani. Aceste varste sunt in concordanta cu varsta estimata din expansiunea observata a universului. Acest acord sugereaza ca universul chiar a inceput in urma cu un timp finit, ceea ce ofera un motiv incurajator de a crede in modelul Big Bang-ului.

Abundenta heliului si prezenta deuteriului in univers

Ideea ca universul era extrem de fierbinte la inceput ofera o explicatie rezonabila pentru faptul ca heliul si deuteriul par sa fi existat chiar si inaintea formarii stelelor. Ambele elemente sunt create prin fuziune nucleara. Fuziunea unui proton si a unui neutron produce deuteriu (cunoscut si drept hidrogen greu), in timp ce fuziunea a doua nuclee de deuteriu produce heliu. Aceste reactii pot avea loc numai la temperaturi foarte ridicate, cum sunt cele din interiorul stelelor. In 1946, George Gamow a sugerat ca fuziunea nucleara trebuie sa fi avut loc atunci cand universul era extrem de fierbinte la inceput. Acest proces, numit “nucleosinteza Big Bang-ului”, ar fi creat heliu si deuteriu (plus urme de elemente, cum ar fi litiu si beriliu) dintr-o mare initiala de protoni si neutroni energetici.

La inceputul anilor 1960, studiile spectroscopice ale stelelor locale au aratat ca abundenta heliului era de aproximativ 20-30% din masa, restul fiind in cea mai mare parte hidrogen. Stelele si bombele cu hidrogen sunt singurele obiecte despre care stim ca pot crea heliu in universul actual. Ambele combina nuclee de hidrogen in nuclee de heliu prin fuziune nucleara, eliberand cantitati uriase de energie. Astronomii au calculat ca cerul noptii ar trebui sa fie mult mai luminos daca tot heliul pe care il observam acum ar fi provenit de la arderea stelelor (sau exploziile bombelor). O parte din heliu, daca nu chiar cea mai mare parte, trebuie sa fi existat inainte de formarea stelelor.

Bazandu-se pe teoriile nucleosintezei Big Bang-ului, fizicienii de la mijlocul anilor 1960 au calculat ca aproximativ ¼ din masa a fost transformata in heliu la inceput, in timp ce restul a ramas sub forma de hidrogen. Acest lucru ar fi in concordanta cu masuratorile anterioare ale abundentei de heliu de 20-30%, daca cea mai mare parte a heliului observat ar fi fost prezent de la Big Bang, chiar dinainte ca stelele sa inceapa sa produca mai mult. La inceputul anilor 1970, studiile spectroscopice din alte galaxii au confirmat ca majoritatea heliului observat chiar exista dinaintea formarii stelelor. Aceste galaxii trebuie sa se fi format cu o compozitie initiala de aproximativ 24% heliu. Acest rezultat observational sustine teoria ca trebuie sa fi existat un Big Bang la inceput care a transformat aproximativ ¼ din masa in heliu, prin nucleosinteza.

Observarea deuteriului ofera un sprijin suplimentar al nucleosintezei Big Bang-ului. Spre deosebire de heliu, deuteriul nu este produs deloc in stele. La temperaturi de peste un milion de grade Kelvin, acesta se disociaza in proton si neutron. La inceputul anilor 1970, astronomii si-au dat seama ca nu exista niciun proces cunoscut in universul actual care sa fi putut produce deuteriul. Acest lucru se datoreaza faptului ca orice deuteriu produs in stele va fi disociat imediat sau convertit in heliu, din cauza temperaturilor ridicate din interiorul stelelor. Deplasarea spre rosu a unei galaxii

Cu toate acestea, in 1973, studiile spectrelor de absorbtie ale stelelor din apropiere au aratat ca mediul interstelar contine urme de deuteriu. Deoarece stelele nu ar fi putut produce deuteriul, acesta trebuie sa fi fost creat foarte devreme in formarea galaxiei, sau chiar inainte. In ciuda temperaturii ridicate de la inceput, nucleosinteza Big Bang-ului ar fi putut crea deuteriu, deoarece expansiunea universului a redus densitatea si temperatura atat de rapid incat deuteriul nu a avut timp sa se descompuna. Prin urmare, abundenta heliului si existenta deuteriului ofera dovezi puternice ca universul a inceput cu o explozie fierbinte si violenta, fapt care este in concordanta cu modelul Big Bang-ului.

Radiatia cosmica de fond

Cea mai concludenta dovada pentru Big Bang provine din observarea radiatiei cosmice de fond. In 1948, Gamow a prezis ca radiatia de la nucleosinteza Big Bang-ului umple si-acum universul. Acesta a calculat cat de fierbinte trebuie sa fi fost universul pentru a produce abundenta de heliu, si a estimat ca temperatura acestei radiatii ar fi scazut pana la aproximativ 5 grade Kelvin deasupra lui zero absolut, in universul actual. Majoritatea teoreticienilor de la acea vreme, inclusiv el, credeau ca o asemenea radiatie ar fi prea slaba pentru a putea fi detectata.

Cu toate acestea, in 1964, doi astronomi radio, Arno Penzias si Robert Wilson, se chinuiau sa scape de un “zgomot” de fundal constant ce provenea de la semnalele antenelor radio. Eforturile lor au inclus capturarea porumbeilor care isi faceau cuiburi in interiorul antenelor in forma de con, si curatarea a ceea ce ei numeau “material izolator alb” produs de porumbei pe suprafetele antenelor. Dupa un an, acestia tot n-au reusit sa indeparteze zgomotul de fundal. Ei au realizat ca acest semnal constant era uniform in toate directiile, fie ca indreptau antena catre soare, Calea Lactee, sau zone mai goale ale cerului. Acest lucru insemna ca semnalul venea de undeva dincolo de galaxia noastra (altfel nu ar fi fost atat de uniform in toate directiile).

Gradul ridicat de izotropie ne spune ca semnalul provine de foarte departe sau, in moc echivalent, dintr-o perioada timpurie. Sursa trebuie sa fi fost extrem de puternica pentru ca noi sa o putem detecta. Fizicienii au dedus ca aceasta trebuie sa fi provenit de la mingea imensa de radiatii, asa cum prezisese Gamow, dar cum puteau fi siguri ca asta era intr-adevar ceea ce Penzias si Wilson detectasera? Pana la urma, ei observau doar o mica parte din spectrul radiatiei.

Daca radiatia provenea intr-adevar de la Big Bang, aceasta ar avea un tip de spectru numit “spectrul corpului negru”. Radiatia are spectrul corpului negru daca este emisa de ceva care absoarbe si reemite lumina in mod liber, dar nu o reflecta. Conform modelului Big Bang-ului, la inceput, universul trebuie sa fi fost aglomerat cu particule si lumina, si trebuie sa fi fost foarte fierbinte. In acel mediu, particulele se ciocneau constant de lumina, absorbind-o si reemitand-o. Lumina dintr-un asemenea mediu ar avea un spectru al corpului negru, iar forma caracteristica a spectrului ar fi pastrata in timp ce lumina calatoreste prin spatiul aflat in expansiune. Intr-un spectru al corpului negru, exista o contributie la intensitate in fiecare lungime de unda. Cantitatea de contributie variaza in mod continuu pe lungimile de unda, intr-un mod caracteristic care depinde numai de temperatura corpului emitator. Prin urmare, astronomii ar putea verifica daca un spectru este cel al unui corp negru prin masurarea intensitatii radiatiei la lungimi de unda diferite.

Radiatia cosmica de fondIn timpul anilor 1970, mai multe grupuri au observat radiatia de fond la diverse lungimi de unda infrarosii si microunde. Toate au confirmat ca radiatia de fond are un spectru al corpului negru cu o temperatura caracteristica de aproximativ 3 grade Kelvin. In 1991, un observator prin satelit, numit COBE (Explorator al Fundalului Cosmic), a efectuat o masuratoare precisa a radiatiei de fond de pe orbita Pamantului si a produs un rezultat absolut minunat. Datele s-au potrivit cu spectrul corpului negru atat de bine, incat curba teoretica a corpului negru ascunde erorile punctelor de date. Acest lucru este considerat a fi cea mai buna potrivire intre datele teoretice si rezultatele observate din istoria astronomiei.

COBE a masurat temperatura caracteristica a radiatiei de fond, aceasta fiind de 2.726 +/- 0.010 grade Kelvin. Aceasta temperatura este in mod semnificativ mai mica decat temperatura initiala a radiatiei, deoarece universul aflat in expansiune a intins lungimea de unda a radiatiei cu mai multi factori, facand-o mult mai putin energetica. Pentru ca radiatia sa ajunga pana la noi a fost practic nevoie de intreaga varsta a universului. Acum astronomii stiu ca expansiunea universului in acest timp a intins lungimea de unda a radiatiei de mai bine de 1000 de ori. Radiatia Big Bang-ului vine de pe vremea cand universul avea doar 500 000 de ani. Acest lucru face ca radiatia cosmica de fond sa fie cel mai vechi lucru pe care l-am observat vreodata. Aproape ca putem vedea evenimentul Big Bang-ului.

Concluzii

Secolul 20 a vazut un salt urias in modul in care oamenii percep cosmosul. Oamenii nu au mai presupus ca universul era static in ceea ce priveste dimensiunea. Privind la modul in care galaxiile distante se indeparteaza de noi, am invatat in schimb ca universul se extinde in volum. Urmarind universul in expansiune inapoi in timp, ne-am imaginat un inceput dens si fierbinte al universului nostru, intr-un trecut finit. In mijlocul secolului, am descoperit ca reactiile nucleare in acest univers timpuriu fierbinte explicau cu precizie de ce exista o abundenta de heliu si de ce exista deuteriu. Mai mult decat atat, am detectat o slaba urma a Big Bang-ului care s-a petrecut acum miliarde de ani. Faptul ca universul a inceput cu un Big Bang este, in esenta, concludent si poate reprezenta cea mai profunda descoperire pe care au facut-o oamenii vreodata.

Cu toate acestea, Big Bang-ul este doar o descriere globala a originii universului. Astazi, fizicienii particulelor au teorii consistente despre istoria universului pana la o miime de miliardime dintr-o secunda dupa nasterea sa, sau chiar mai devreme. Acestia isi pot testa teoriile in mod experimental, cu acceleratoare de particule care pot simula evenimente ce implica energi uriase similare cu starea de la inceput. Pentru a invata mai multe despre modul in care universul a inceput, fizicienii trebuie sa dezvolte o teorie care merge in vremurile si mai timpurii de dupa Big Bang. O asemenea teorie trebuie sa combine atat relativitatea generala (datorita campului gravitational extrem de la inceput), cat si mecanica cuantica (datorita compactitatii extreme a universului la inceput). Astazi, scopul fizicii este sa dezvolte aceasta teorie a gravitatiei, pentru ca intr-o zi, noi sa putem intelege cu exactitate ce s-a intamplat in momentul Big Bang-ului.