Universul - raționalitate și mister

Fiecare seara senină de vară, ne dezvăluie imensa boltă cerească cu aștri care o luminează de miliarde de ani! Adâncul și splendoarea cerului copleșește orice admirator onest! Nici o religie nu l-a ignorat. De milenii, cugetarea filosofică, poezia și literatura oricărei culturi, meditația și cântarea religioasă a pomenit cerul ca semn al puterii Creatorului. Nici o religie nu l-a considerat atât de atent precum a făcut-o creștinismul.

Fiecare seara senină de vară, ne dezvăluie imensa boltă cerească cu aștri care o luminează de miliarde de ani! Adâncul și splendoarea cerului copleșește orice admirator onest! Nici o religie nu l-a ignorat. De milenii, cugetarea filosofică, poezia și literatura oricărei culturi, meditația și cântarea religioasă a pomenit cerul ca semn al puterii Creatorului. Nici o religie nu l-a considerat atât de atent precum a făcut-o creștinismul. De milenii, teologia creștină a dezvăluit în Univers mult mai mult decât un semn, a văzut o operă străbătută și întreținută până în cele mai adânci structuri ale ei de amprenta rațiunii și înțelepciunii lui Dumnezeu, un mesaj neîntrerupt despre dragoste Lui pentru noi oamenii, și un sălaș al întrupării lui Hristos Dumnezeu!
Dacă orice om sensibil la măreția copleșitoare a cerului, poate admira Lumea ca operă, mesajul ei este mai greu accesibil. Este nevoie de multă rigoare științifică, de matematică, de sclipiri de geniu, de intuiții profunde și de multe ori de tehnologie avansată pentru a putea dezvălui înțelesurile adânci ale Universului. Totuși, nici puterea extraordinară a rațiunii umane, nici marile teorii ale fizicii din ultimul secol, nici progresele tehnologice contemporane nu pot atinge substratul ultim al acestei lumi, nu pot formula teoria explicativă completă despre Univers. Mai mult chiar și în ciuda faptului că adesea creează impresia că ajuns foarte departe și foarte în adâncul rațiunilor acestei lumi știința este abia la început!

Materia întunecată – o mare întrebare a cosmologiei
Cosmologia actuală se confruntă cu câteva dificultăți majore, de rezolvarea cărora depinde succesul elaborării unui model explicativ privind istoria și structura Universului.
S-a împlinit deja un secol de la remarcabila formularea a Teoriei Relativității Generale. Teoria a revoluționat reprezentările lumii fizice, schimbând radical și definitiv concepția lumii științifice despre materie, energie, spațiu, timp și Univers. În același timp, progresul tehnologic a oferit omului o șansă extraordinară de a pătrunde tainele adânci ale Universului, făcând posibile măsurători și observații de mare precizie. În ultimele decenii însă, lumea științifică a fost pusă în fața unor rezultate contradictorii. În timp ce unele observații și măsurători au confirmat cu succes teoria relativității generale, alte observații au intrat în contradicție cu rezultatele ei!
Una dintre dificultățile cosmologiei contemporane este tocmai aceea a corelării datelor observaționale ale galaxiilor cu teoria gravitațională a lui Einstein.
Teoria Generală a Relativității, sau teoria geometrică a gravitației a fost prezentată de Einstein în 1915. Potrivit acestei teorii există o surprinzătoare legătură între spațiu, timp și materie-energie. Relativitatea Generală descrie modul cum spațiul și timpul sunt deformate în vecinătatea corpurilor care posedă o masă considerabilă. O rază de lumină ce traversează o regiune situată în vecinătatea unui corp masiv din Univers, nu se va deplasa pe o traiectorie dreaptă ci va suferi o curbură semnificativă, cu atât mai mare cu cât corpul este mai masiv. La fel, ritmul de curgere al timpului este diferit în vecinătatea unor astfel de corpuri masive, timpul curbat însemnând de fapt un timp care trece mai greu. Potrivit acestei teorii realitatea fizică (domeniul realului) este un continuum spațiu-timp patru-dimensional, care se modifică geometric în vecinătatea unor densități mari de masa-energie.
În ultimele decenii, Teoria Generală a Relativității a fost verificată de observații în mod repetat.

Experiența ne arată că orice mișcare de rotație este însoțită de forțe centrifugale. Un cuplu de patinatori care doresc să se învârtă ținându-se de mâini, față în față, vor simți forțele centrifuge care tind să-i despartă. Cu cât se vor roti mai repede, va fi necesar să se țină tot mai strâns de mâini, ca prinsoarea lor să nu se rupă.
Universul este o alcătuire adâncă și extraordinară, pentru că aceste simple observații, legate de dansul a doi patinatori, făcute adesea prin intermediul experienței directe, se aplică întrutotul și galaxiilor gigantice aflate la miliarde de ani lumină de noi! Aceleași legi care dictează comportarea lucrurilor în natura terestră structurează și decid cinematica tuturor structurilor din Univers.
Ținând seama de necesitatea respectării acestor legități simple și universale, astrofizicienii și cosmologii au identificat în ultimul secol două mari necunoscute care privesc materia și expansiunea Universului.
Unele date observaționale arată că actuala teorie a gravitației nu poate explica în ce fel stelele unei galaxii, spre exemplu, rămân în interiorul ei.
Stelele sunt corpuri gigantice, unele dintre ele fiind cu mult mai mari decât Soarele. Mare parte din galaxiile cunoscute sunt aglomerări de zeci sau chiar sute de miliarde de astfel de stele, toate aflându-se într-o mișcare de rotație. Fiecare stea din aceste aglomerări imense de aștri se rotește în jurul centrului galaxiei tot așa cum Pământul se rotește în jurul Soarelui. Vitezele de deplasare ale stelelor în jurul centrului galactic sunt de ordinul sutelor de kilometri pe secundă! Având în vedere masa gigantică pe care o are o stea, forțele centrifuge pe care le dezvoltă mișcarea acestora sunt enorme. Cu alte cuvinte prinsoarea care ține steaua în galaxie trebuie să aibă o intensitate considerabilă pentru a o putea ține în loc. Prinsoarea care ține steaua în rotația ei rapidă în jurul centrului galactic este chiar atracția gravitațională. Intensitatea gravitației dintr-o galaxie poate fi apreciată după masa și numărul aștrilor.
În acest punct datele contrazic teoria. Potrivit calculelor, forțele centrifugale de aruncare a stelelor înafara orbitelor lor (aceleași care aveau tendința să rupă și prinsoarea patinatorilor), sunt mult mai mari decât gravitația (prinsoarea) existentă în galaxie. Prin urmare, potrivit legilor gravitației, stelele ar trebui să părăsească orbita și galaxia, însă datele arată că într-o largă majoritate a cazurilor, nu se întâmplă așa. Pe de altă parte, teoria generală a gravitației este o teorie bună, verificată experimental de nenumărate ori. Pentru a rezolva această situație de incompatibilitate, cercetătorii au fost nevoiți să postuleze, să presupună existența unui alt contribuabil material în galaxii, denumit materie întunecată.

Existența materiei întunecate a fost presupusă, pentru prima dată, în anii „30, de către astrofizicianul suedez Fritz Zwicky. Observând un grup de galaxii aflate în rotație, acesta a calculat parametrii de mișcare pe care acest grup ar fi trebuit să îl aibă potrivit legilor newtoniene. Calcule au arătat că fiecare dintre galaxiile considerate ar fi trebuit să aibă de 400 de ori mai multă materie decât cea detectată (prin mijloacele standard) pentru a putea explica suficient de bine mișcarea lor. (Din viteza de rotație și mărimea unor stele ale galaxiei, utilizând teoriile gravitației, se poate deduce masa întregii galaxii.) Între timp, s-au descoperit și alte forme de materie, care au diminuat contribuția materiei întunecate din galaxii până la 25%, aceasta fiind de șase ori mai abundentă decât materia vizibilă.

Este denumită materie, întrucât ea trebuie să explice surplusul de atracție gravitațională al galaxiilor, deci trebuie să prezinte masă în valoare semnificativă, cât să poată conta gravitațional. Este denumită și întunecată, pentru că există foarte puține dovezi și procedee tehnice de detectare a acesteia. Contribuind la masa întregii galaxii, materia întunecată sporește atracția gravitațională a aglomerării, încât stelele rămân pe orbitele lor, cu respectarea legilor gravitației, în ciuda forțelor centrifuge. Existența și proprietățile încă nedovedite ale materiei întunecate, reprezintă prima dintre marile probleme ale cosmologiei (în ordine cronologică).

Răspunsurile sunt ascunse tot în Univers.
Unele corpuri cerești descoperite recent pot ajuta foarte mult la detectarea materiei întunecate. O descoperire recentă arată că două stele se îndepărtează de centrul Căii Lactee, cu o viteză de aproape două milioane de kilometri pe oră. Aceste două stele care părăsesc galaxia se alătură altor trei cunoscute până acum, inaugurând o nouă categorie de stele, cunoscute ca fiind stele hiper-rapide exilate din galaxie. În această categorie ar putea să existe în jur de 1000 de stele, un număr destul de mic, ținând cont de faptul că în Calea Lactee sunt mai mult de 200 miliarde de stele.

Sistemele binare – detectivi pentru materia întunecată.
Mai întâi trebuie spus că potrivit teoriilor și numeroaselor dovezi actuale în interiorul galaxiei noastre există o gaură neagră super-masivă. În al doilea rând trebuie spus că în Calea Lactee, dar și în alte galaxii, există numeroase stele care se însoțesc unele pe altele în mișcarea lor în jurul centrului galactic. Aceste corpuri legate, stele duble sau sisteme binare, se rotesc în jurul centrului galaxiei asemeni unor cupluri de patinatori care s-ar învârti prinși de mâini, deplasându-se în același timp în cerc, pe gheață. Teoria afirmă că stelele exilate super-rapid provin din sistemele binare. Stelele exilate sunt de fapt desprinse din stelele duble care s-au apropiat prea mult de gaura neagră din centrul galaxiei. Atracția gravitațională care a cuprins acest sistem aflat în rotație, a rupt legătura dintre ele, capturând-o pe cea mai apropiată și aruncând-o pe cealaltă în direcția opusă, cu o viteză foarte mare.

Găurile negre sunt corpuri provenind din explozia unor stele ce depășesc o anumită masă critică. După arderea nucleară a materialului stelar, stelele explodează dând naștere celor mai spectaculoase fenomene fizice din Univers, supernovele. Găurile Negre se formează în urma exploziilor supernovelor. Reziduurile din explozia stelei sunt comprimate gravitațional la densități foarte mari. Intensitatea gravitației acestor corpuri noi este atât de mare încât nici un semnal, nici chiar razele de lumină nu pot evada din câmpul atractiv. Gaura neagră este un aspirator perfect ce înghite toată materia și energia care se află în apropiere, care rămâne invizibil oricărei investigații clasice.

Forța de aruncare este imensă, având în vedere faptul că unele stele super-rapide sunt de patru ori mai masive decât Soarele! Ele ating viteze de 1,5 milioane de kilometri pe oră! Pe de altă parte, observațiile arată că toate stelele exilate hiper-rapid cunoscute până în prezent au părăsit centrul galaxiei la momente diferite ale istoriei galaxiei. Din această cauză, nu există motive pentru a crede că acestea au fost împinse în afară de o explozie de proporții.
Simularea computerizată arată că aceste stele hiper-rapide se pot forma în apropiere de centrul galaxiei. Unele observații chiar au identificat stele care orbitează în jurul găurii negre din centrul galaxiei, pe o orbită extrem de alungită – acesta fiind chiar tipul de orbită prezis de teorie. Prin urmare, exilarea hiper-rapidă este inevitabilă, și se va produce, aproape de fiecare dată, când un sistem binar gravitează suficient de aproape de centrul galaxiei unde se află gaura neagră.
Estimările arată că o stea începe să părăsească galaxia, o dată la aproximativ 100.000 de ani. Șansa ca momentul ejectării ei, adică începutul exilului, să poată fi surprins este mic.
Remarcabil însă este că aceste stele hiper-rapide oferă o probă excelentă cu privire la structura galaxiei și a existenței materiei întunecate. În timpul vieții, aceste stele străbat o mare parte a galaxiei. Dacă pe cer sunt măsurați parametrii lor de mișcare, se pot deduce date foarte multe despre forma galaxiei Căii Lactee și despre modul cum materia întunecată este distribuită în ea!

Forma galxiilor și materia întunecată
Mai există și alte metode de a pune în valoare existența materiei întunecate din galaxia Calea Lactee. Spre exemplu, pe baza unor observații, s-a descoperit faptul că 9 dintre cele 14 galaxii satelit (de mici dimensiuni) ale galaxiei Andromeda sunt dispuse în același plan, dispuse chiar în linie dreaptă. De asemenea, Calea Lactee conține o formă destul de regulată (două plane) unde sunt adunate toate galaxiile sateliți. Procesele de formare a galaxiilor, prevăzute de teoriile actuale, nu pot explica în nici un fel atât de multă ordine în arhitectura galaxiilor. Sunt aceste tipare ordonate (plane, linii drepte), forme standard de depozitare a materialului galactic? Cum se poate explica o astfel de dispunere a galaxiilor satelit? Una dintre explicații are în vedere că motivul dispunerii bi-plane sau liniare a galaxiilor mici ar putea fi existența unor fluxuri asemenea unor „culuare“ de materie întunecate. Practic, galaxiile satelit ar putea fi scufundate, fixate într-o țesătură invizibilă gigantică de materie întunecată care determină designul ordonat de dimensiuni foarte mari.
(Prelucrare după o comunicare făcută de Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Harvard, 26 ianuarie 2006)

Materia întunecată, țesătură pentru construcția galaxiilor
Observații și măsurători recente, făcute la Universitatea Cambridge făcute într-unul dintre cele mai mari observatoare astronomice terestre, aparținând European Space Agency, (Paranal, Chile), au pus în valoare proprietăți surprinzătoare ale materiei întunecate.
În primul rând, s-a descoperit faptul că materia întunecată este fierbinte și se deplasează cu viteze de până la 9 kilometri pe secundă, mult mai rapid decât oricare dintre previziunile anterioare!
Faptul că materia întunecată atinge temperaturi mari este surprinzător. Temperaturile sunt estimate la 10.000 de grade Celsius, mai mult decât cele de la suprafața Soarelui (6000 de grade Celsius)! Cosmologic vorbind însă, această temperatură nu este foarte mare, având în vedere că în miezul stelelor se ating 15.5 milioane de grade Celsius. Densitatea luată în calcul, pentru materia întunecată, este de 4 atomi/cm3 de spațiu galactic, volumul fiecărui bloc de materie întunecată fiind de aproximativ 1000 de ani lumină cubi.
Plecând de la aceste date noi, se poate aprecia faptul că materia întunecată este formată din particule masive modelate, până în prezent, doar pe cale teoretică. (WIMP)
Particulele sunt numite WIMP - weakly interacting massive particles. Aceste particule interacționează doar slab cu alte forme de materie. În anumite condiții, între aceste particule însă, potrivit modelelor teoretice, apar puternice forțe repulsive sau atractive.
Faptul că materia întunecată este atât de fierbinte are consecințe importante, în special în ceea ce privește modul în care este înțeleasă interacțiunea ei cu alte forme de materie. Considerată mult timp a fi rece și densă, materia întunecată era luată în calcul doar gravitațional. Temperaturile foarte ridicate ale materiei întunecate arată și faptul că ea nu poate atinge orice densitate. Într-un spațiu galactic dat nu poate fi introdusă orice cantitate de materie întunecată. Când această cantitate depășește o anumită densitate minimă (cea de 4 atomi pe centimetrul cub este luată ca referință), materia întunecată începe să preseze spre exterior, comportându-se repulsiv.
Un alt fapt neașteptat a fost acela că, indiferent cât de mari sunt galaxiile, cantitatea de materie întunecată din interiorul lor pare să fie formată din una sau mai multe formațiuni (asemănătoare unor blocuri imense) de materie întunecată, fiecare dintre acestea având dimensiuni apropiate! Acest fapt este neașteptat, întrucât dimensiunile și forma galaxiilor sunt extrem de diverse. Mai mult, numărul stelelor din galaxii variază foarte mult. Cu toate acestea, materia întunecată este grupată în aglomerări de aproximativ 30 de milioane de stele de mărimea Soarelui, conținute în volume de 1000 de ani lumină.
În situația galaxiilor mai mari, materia întunecată este prezentă în forma mai multor „blocuri standard“. Existența acestora în interiorul galaxiilor este extrem de binevenită în procesul de formare al galaxiilor, pentru că ele păstrează relativ scăzută temperatura materiei întunecate. Dacă materia ar fi prea fierbinte, atunci ea s-ar deplasa în spațiu mult prea repede pentru ca gravitația slabă a galaxiilor să o mai poată reține. Pe de altă parte, dacă materia întunecată ar fi fost mai rece, sau dacă aceasta s-ar fi deplasat în spațiul inter-galactic mai încet decât în prezent, acestea ar fi determinat formarea unor „grămezi“ mult prea mici de materie întunecată, ceea ce ar fi făcut imposibilă „reținerea“ unui număr atât de mare de stele ca cel existent în galaxiile Universului actual.
În plus, materia întunecată este suficient de fierbinte pentru a explica alte două aspecte, rămase până acum fără răspuns: numărul mare de galaxii pitice din Universul observabil – explicat prin “preferința“ pentru aceste blocuri standard de materie întunecată, relativ mici ca dimensiuni, și aceea a faptului că materia întunecată nu este concentrată în centrul galaxiei (aceasta fiind explicată prin faptul că materia întunecată se deplasează cu viteze considerabile).
În viitor, proprietățile materiei întunecate vor putea fi testate mult mai bine, imediat ce va fi dat în folosință cel mai mare accelerator de particule din lume, LHC (Large Hadron Colider) din Elveția. Particulele accelerate vor putea atinge viteze considerabil mai mari decât în oricare dintre acceleratoarele disponibile pe Pământ.
(Prelucrat după un material apărut la National Geographic News, 13 Februarie, 2006)

 

De la același autor

Ultimele din categorie