Va veni o vreme în care cosmologii vor trebui să se bazeze numai pe datele observaționale păstrate în arhive. Universul nostru fiind într-o expansiune accelerată, nu vom mai putea observa fondul cosmologic de microunde (care conține informații despre Universul la circa 380.000 de ani după Big Bang) și nici măcar stele din alte galaxii. Nu vă întristați. Asta se va întâmpla abia peste mai bine de 100 de miliarde de ani.
Câteva precizări
Cosmologia nu are cum să nu fie fascinantă. Ea ne oferă o imagine amplă a întregului Univers, a istoriei și a viitorului său. Suntem conștienți că această imagine nu este completă și că descoperiri viitoare o vor putea modifica. Avem de-a face, mai degrabă, cu o schiță de lucru. Persistă, la nivel popular, o serie de concepții greșite în ceea ce privește cosmologia și de aceea cred că sunt binevenite câteva precizări, pe care le-am găsit prezentate sistematizat în articolul ”Misconceptions about Big Bang”, semnat de astronomii Charles Lineweaver și Tamara Davis, în ediția din martie 2005 a revistei Scientific American.
În primul rând Big Bang-ul nu a fost o ”explozie” în sensul uzual al cuvântului, așa cum o vedem în documentarele dedicate începutului Universului. Nașterea Universului nu seamănă de loc cu explozia unei bombe care aruncă schije în toate direcțiile. Nu a existat un punct infinitezimal în spațiu care s-a extins foarte rapid, dând astfel naștere Universului nostru. De fapt Big Band-ul înseamnă însăși extinderea rapidă a spațiului. Nu a fost o explozie în spațiu ci explozia spațiului însuși.
Alte reprezentări greșite sunt legate de valorile cantitative ale expansiunii Universului. Așa cum știți, conform legii lui Hubble, viteza de expansiune este direct proporțională cu distanța până la obiectul observat. Acestei legi i se supune întreg Universul. Și totuși știm că există galaxii care par să încalce această lege. Una dintre ele ar fi vecina noastră, galaxia Andromeda. Încalcă ea legea expansiunii Universului?
Expansiunea Universului (expansiunea spațiului) nu exclude mișcările proprii ale obiectelor, cum este cazul galaxiei Andromeda cu care vom intra în coliziune peste vreo patru miliarde de ani. În cazul ei, îndepărtarea de noi, cea care ține de expansiunea Universului, este mult mai mică decât accelerația provocată de atracția gravitațională dintre Calea Lactee și Andromeda. La rândul lor, galaxiile îndepărtate pot avea mișcări proprii care le pot apropia de noi, dar, în cazul lor, viteza de expansiune a spațiului este mult mai mare și, comparativ, mișcările proprii devin nesemnificative.
Pentru distanțe foarte mari constatăm că la fiecare dublare a distanței avem și o dublare a vitezei de îndepărtare. Se poate calcula, pe baza constantei lui Hubble, distanța dincolo de care viteza de îndepărtare a galaxiilor este mai mare decât viteza luminii. Aceasta poartă numele de ”distanța Hubble” și are valoarea de circa 14 miliarde de ani lumină. Este greu să nu remarci aici o problemă. Teoria relativității restrânse a lui Einstein interzice mișcările cu viteze mai mari decât cele a luminii. Este cumva o greșeală în legea proporționalității liniare a vitezei de expansiune enunțată de Hubble? Nu cumva ea ar trebui modificată? Eu însumi mi-am pus cândva aceste întrebări și am încercat să le caut răspunsurile. Asta se întâmpla pe vremea în care internetul era ceva ce ținea de un viitor științifico-fantastic, așa că mi-a luat ceva timp până să le găsesc. Ele sunt cât se poate de simple din momentul în care înțelegi că limitarea impusă de către teoria lui Einstein se aplică pentru obiecte care se mișcă în spațiu. În cazul legii lui Hubble avem de-a face cu spațiul însuși și de aceea galaxiile aflate dincolo de cele 14 miliarde de ani lumină ai distanței lui Hubble se pot îndepărta cu viteze supraluminice.
Cum se determină constanta lui Hubble? La aceasta întrebare am răspuns de mai multe ori în articole publicate în revista noastră. Practic se măsoară deplasarea spre roșu a spectrelor obiectelor aflate la distanțe cunoscute. Aici poate să apară foarte ușor următoare confuzie: această deplasare spre roșu este rezultatul efectului Doppler, cel care face, de exemplu, ca sunetul sirenei locomotivei care se îndepărtează de noi să devină mai grav. Dacă ați citit cu atenție paragraful de mai sus, sunt convins că mulți ați înțeles de ce vorbesc despre o confuzie.
De fapt avem de-a face cu două lucruri complet diferite: efectul Doppler și deplasarea cosmologică spre roșu, care se exprimă prin formulări matematice proprii. Primul ține de Teoria restrânsă a relativității și nu ia în calcul expansiunea spațiului, în timp ce deplasarea cosmologică spre roșu ține de Teoria generală a relativității și ia în calcul expansiunea spațiului. Dacă am folosi formula obișnuită pentru efectul Doppler, în cazul acelor galaxii care se îndepărtează de noi cu viteze apropiate de viteza luminii, am ajunge în situația în care deplasarea spre roșu ar deveni practic infinită. Ele nu ar mai putea să fie observate cu instrumentele noastre. Aplicând formula corectă pentru deplasarea cosmologică spre roșu vom constata că, în cazul galaxiilor care se îndepărtează de noi cu viteza luminii, deplasarea spre roșu are valoarea de circa 1,5, ceea ce echivalează cu o creștere a lungimii de undă de 150%, față de valoarea de referință obținută în laborator. Mai mult decât atât, pentru fondul cosmologic de microunde, ceea mai veche lumină din Univers, avem o deplasare spre roșu egală cu 1.089, iar viteza de expansiune este de 50 de ori mai mare decât cea a luminii.
Mai avem o mică problemă. Care este raza Universului observabil? Știm că vârsta Universului nostru este de aproape 14 miliarde de ani și am putea ajunge la concluzia că raza lui este de 14 miliarde de ani lumină. Aceasta este o concluzie greșită, pentru că nu ținem seama de expansiunea Universului de la momentul emiterii fotonilor din fondul cosmologic de microunde. Dacă ținem seama de ea, atunci raza Universului observabil este mult mai mare și ajunge la circa 46 miliarde de ani lumină.
Cosmologia observațională
Cosmologia modernă, cea care caută să deslușească evoluția Universului, își fundamentează modelul teoretic pe trei categorii de date observaționale: expansiunea Universului, fondul cosmologic de microunde și abundența relativă a elementelor chimice în universul primordial. Fără aceste date oamenii de știință nu ar fi putut descrie niciodată evoluția Universului așa cum o cunoaștem astăzi. Este de ajuns să priviți în fugă istoria cosmologiei pentru a vedea cum datele observaționale au modificat de-a lungul timpului modelele de Univers.
Einstein credea într-un Univers static. În acea vreme întreg Universul se limita la o singură galaxie. Apoi vine Hubble, care încearcă să măsoare distanța până la câteva nebuloase și constată că ele nu aparțin Căii Lactee și că sunt galaxii de sine stătătoare. Tot Hubble mai descoperă și faptul că aceste galaxii se îndepărtează de noi cu o viteză proporțională cu distanța care ne desparte. Abia acum avea să își facă loc, la început foarte timid, ideea conform căreia Universul are un început. După multe dispute, în 1965, Arno Penzias și Robert Wilson descoperă, cu totul întâmplător, fondul cosmologic de microunde, aducând astfel dovada clară a începutului de Univers. Mai târziu, ceea ce avea să poarte numele de Big Bang, avea să primească o confirmare suplimentară prin determinarea abundenței relative a elementelor chimice în Universul timpuriu.
Acum a sosit momentul să vă invit să speculăm un pic. Să ne punem o întrebare simplă: Trăim într-un Univers aflat în expansiune accelerată. Astrofizicienii viitorului vor mai avea la dispoziție datele observaționale care să îi ajute să descrie evoluția Universului nostru? Această întrebare și-au pus-o mai mulți oameni de știință, așa că avem la dispoziție destule discuții pe această temă, așa că nu vă voi prezenta propriile mele speculații. Cea mai interesantă mi s-a părut a fi discuția din articolul ”The Return of a Static Universe and the End of Cosmology” (Întoarcerea la Universul static și sfârșitul cosmologiei) scris Lawrence Krauss și Robert Scherrer, care a fost publicat în General Relativity and Gravitation în 2007.
Vă vorbeam mai devreme despre cele trei categorii de date observaționale care ne-au ajutat să deslușim istoria Universului nostru. Să le luăm pe rând.
Expansiunea Universului
Calea Lactee face parte dintr-o structură mai mare, numită Grup Local, care este formată din mai multe galaxii. Toate acestea sunt cuplate gravitațional cu galaxia noastră și, așa cum arătam la începutul articolului, ”scapă” de sub acțiunea legii lui Hubble. Așa cum știm acum Universul se află într-o expansiune accelerată. Ce se va întâmpla în viitor dacă această expansiune va continua?
Peste 100 de miliarde de ani oamenii viitorului își vor ridica privirile spre cerul nocturn și vor vedea un peisaj care ne este familiar: un cer spuzit cu stelele din galaxia noastră. Foarte probabil, sub acțiunea gravitației, galaxiile din Grupul Local vor fuziona într-o supergalaxie. Peste 100 de miliarde de ani, stelele uriașe și strălucitoare își vor fi epuizat combustibilul nuclear, lăsând în urmă stele mai mai mici și mai palide. Dincolo de asta va exista o mare diferență: nici cu cele mai puternice instrumente nu vom mai putea observa alte galaxii.
Calculele arată că peste circa 100 de miliarde de ani deplasarea spre roșu a luminii provenite din galaxiile care nu fac parte din Grupul Local va ajunge la 5.000. Comparați această valoare cu cea a deplasării spre roșu pentru fondul cosmologic de microunde (vă spuneam mai devreme că este 1089) și veți înțelege de ce va deveni aproape imposibil să observăm alte galaxii. Lucrurile se vor agrava pe măsură ce înaintăm în timp. Peste un trilion de ani lumina care va veni de la galaxii care în prezent se află în apropierea Grupului Local va avea o deplasare spre roșu atât de mare încât lungimea de undă a radiațiilor gamma va fi mai mare decât dimensiunea Universului observabil. Ele vor fi imposibil de observat, oricât de mult ar evolua tehnologia viitorului.
Practic, astronomii viitorului vor considera, pe baza observațiilor, că trăim într-un Univers static, o insulă înconjurată de spațiu gol, așa cum era el descris de către astronomii de la începutul secolului trecut.
Fondul cosmologic de microunde
După descoperirea expansiunii Universului aveam suficiente date pentru a ne imagina că el are un început. Dar această idee și-a făcut loc cu greu în lumea științei. Până la jumătatea anilor 1960 mulți astronomi considerau că trăim într-un Univers etern în care materia este creată pe măsură ce Universul se dilată astfel încât Universul ca întreg rămâne practic neschimbat. Acesta era modelul Universului static. Acum știm că acest model este total greșit. Dar pentru asta a fost nevoie de o observație esențială: detectarea fondului cosmologic de microunde.
În contextul acestui articol urmează întrebarea firească: astrofizicienii viitorului vor avea posibilitatea tehnică de a observa direct fondul cosmologic de microunde? Să vedem cum vor sta lucrurile.
Peste 100 de miliarde de ani, în Universul cu expansiune accelerată, fondul cosmologic de microunde va deveni ceea ce am putea numi fond cosmologic de unde radio. Din cauza deplasării spre roșu radiațiile care vin de la începutul Universului vor avea lungimea de undă medie de circa un metru. Ne-am putea gândi că va fi suficient un receptor radio pentru a le detecta. Din păcate lucrurile se complică. Pe măsură ce Universul se extinde fondul cosmologic se ”diluează”. Intensitatea semnalului care va veni din perioada de început a Universului va fi de un trilion de ori mai mică decât cea a semnalului care vine în prezent de la fondul cosmologic de microunde.
Am putea spera că peste 100 de miliarde de ani vor exista tehnologii capabile să detecteze asemenea semnale extrem de slabe. Din păcate, oamenii de știință ai viitorului îndepărtat vor fi obligați să mai rezolve o problemă extrem de dificilă. În zilele noastre instrumentele de care dispunem ne permit să detectăm variații foarte mici în fondul cosmologic, ceea ce ne ajută să obținem informații fundamentale privitoare la primele stadii de evoluție ale Universului. Peste 100 de miliarde de ani aceste variații vor fi atenuate în aceeași măsură cu diminuarea intensității radiației care a fost generată la câteva sute de mii de ani după Big Bang.
Dar pe măsură ce ne îndepărtăm în viitor semnalele care vor sosi de la fondul cosmologic vor deveni imposibil de detectat, oricât de avansată va deveni tehnologia. Spațiul interstelar din galaxia noastră este ocupat de gaz ionizat foarte rarefiat. Undele radio de joasă frecvență nu pot străbate acest gaz ionizat. Din acest motiv în galaxia noastră nu putem avea o radioastronomie pentru unde radio cu o frecvență mai mică de circa 1.000 Hz (sau lungime de undă mai mare de 300 km). Atunci când Universul va ajunge la o vârstă de circa 350 miliarde de ani, lungimea de undă medie a semnalelor provenite de la fondul cosmologic va depăși valoarea de 300 km. Orice informație privitoare la fazele de început ale Universului va deveni inaccesibilă pentru cosmologii din viitorul îndepărtat.
Abundența relativă a elementelor chimice
Cosmologii prezentului sunt foarte norocoși. Abundența relativă a elementelor chimice primordiale, cele care au apărut în primele minute ale Universului, nu s-a schimbat foarte mult până acum. Astfel, chiar dacă este hidrogenul este ”ars” în stele, rezultând heliu, proporția hidrogen/heliu s-a modificat cu doar câteva procente. Lucrurile se vor modifica dramatic o dată cu trecerea timpului. La începutul Universului, heliul reprezenta 24% din materie iar hidrogenul reprezenta 76%. În prezent avem 70% hidrogen și 28% heliu. Peste un trilion de ani, după generații succesive de stele, hidrogenul va reprezenta 20%, heliul 60% și alte elemente chimice vor fi prezente în proporție de 20%.
Cosmologii prezentului au posibilitatea să determine direct compoziția materiei din Univers în faza timpurie de evoluție a acestuia. De exemplu, ei se folosesc de observații asupra norilor de hidrogen luminați de quasari îndepărtați.
Într-un viitor îndepărtat acest gen de observații va fi imposibil de realizat, din aceleași motive despre care vă povesteam mai devreme. Cosmologilor din viitorul îndepărtat le va fi accesibil numai hidrogenul intragalactic. Dar el va fi ”ars” în stele și, așa cum arătam mai sus, proporția lui în compoziția materiei va scădea foarte mult și nu se va mai putea face o asociere cu nucleosinteza din timpul Big Bang-ului. Ne putem imagina că oamenii de știință ai viitorului, cunoscând în detaliu ”fiziologia” stelelor, vor putea calcula cât hidrogen este transformat în heliu la fiecare generație succesivă de stele. Ei vor putea să ajungă la concluzia că Universul nu este etern, dar pentru ei nucleosinteza din timpul Big Bang-ului va rămâne învăluită de mister, dacă nu vor dispune de datele colectate de astrofizicienii din zilele noastre.
Încheiere
Recunosc, atunci când ne aruncăm privirile către un viitor îndepărtat devenim tributari speculațiilor, cu atât mai mult cu cât, oricât de spectaculoase i-ar fi rezultatele, cosmologia modernă este încă în faza copilăriei. Dar cred că scopul acestui gen de speculații este acela de a ne obliga să medităm asupra noastră. Specia umană, oricât de fragilă ar fi, are datoria de a spori cunoștințele despre Cosmos, pentru că s-ar putea, cândva, într-un viitor îndepărtat, să fie pierdute pe veci informații fundamentale despre evoluția Universului…
