Composició, origen i estructura de l'Univers

1. La composició de l'Univers

Què és l'univers?

L’univers és tot, sense excepcions: matèria, energia, espai i temps. Tot el que existeix forma part de l’univers.

Què conté l’univers?

De segur penseu: galàxies, constel·lacions, estels, planetes, satèl·lits, meteorits... Però això només representa aproximadament el 0,4% de la composició de l’univers.

Per tant, de què més pot estar constituït?

Segons la NASA, l’univers està constituït aproximadament per:

• Matèria normal visible: tot allò que podem veure: estels, planetes, pols i gasos calents intergalàctics (~0,4%).
• Matèria normal no lluminosa: forats negres i gas intergalàctic (~3,6%).
• Matèria fosca: ~21%.
• Energia fosca: ~75%.

1.1 La composició de l'Univers (més extensa)

1.2 Matèria normal (≈4%)

• Està formada pels àtoms dels elements de la taula periòdica.
• L’element més abundant és l’hidrogen.

1.1.2 Elements abundants

Elements més abundants a l’univers. Per cada milió d’àtoms d’hidrogen trobem les següents quantitats d’altres elements:

1.3 Matèria fosca (≈21%)

• No es pot veure perquè no emet ni reflecteix la llum.
• Té efectes gravitatoris sobre la matèria normal, fet que va permetre detectar-la.
• Té una massa tan gran que influeix en la formació i en el moviment de les galàxies.
• Es pot detectar amb l’anomenada «lent gravitatòria».
• No es coneix la seva composició amb certesa.

1.4 Energia fosca (≈75%)

• Es distribueix de manera homogènia per tot l’univers.
• Actua de manera contrària a la força gravitatòria, separant les galàxies entre sí.
• Acceler a l’expansió de l’univers.
• Encara és una gran incògnita; es coneix poc sobre la seva naturalesa.

2. Ciència i pseudociència

Durant molt de temps, l’astrologia va ser una de les principals branques del saber, fins al punt que no hi havia cap rei sense un bon astròleg en nòmina.

Sabeu en què consisteix l’astrologia?
L’astrologia manté que és possible endevinar, mitjançant l’observació dels moviments dels astres al cel, grans esdeveniments: naixements de reis, catàstrofes ambientals, quan sembrar els camps, la fi de les guerres... A partir de l’astrologia van sorgir els signes del zodíac.

L’astrologia no és ni ciència ni art; és creença i superstició, sovint frau i rèmora.

2. L'origen de l'Univers. Teories modernes

Big Bang (conceptes desenvolupats i estudiats per diversos científics, entre ells George Gamow, 1948).

Teoria de l’univers estacionari (proposada al segle XX): univers infinit i uniforme, sense un origen definit; no va tenir un començament i té el mateix aspecte en qualsevol punt.

Teoria de la inflació còsmica (1980): s’integra en el model cosmològic estàndard del Big Bang.

L’univers es va expandir de manera uniforme i molt ràpidament uns instants després del Big Bang. Durant aquesta expansió la seva grandària es va multiplicar milions de vegades.

• La inflació va produir ones de densitat que van provocar que la matèria es condensés i formés galàxies i grups de galàxies.

Per confirmar la teoria del Big Bang es disposa de tres elements fonamentals:

• L’efecte Doppler (desplaçament cap al vermell).
• La radiació de fons de microones còsmiques (descoberta que va ser reconeguda amb un Premi Nobel).
• Les perturbacions de la radiació còsmica de fons (variacions de temperatura a la radiació de microones), interpretades com l’eco de la gran explosió (Premi Nobel 2016).

3. L'evolució de l'Univers

• La gran inflació: la separació de la força nuclear forta va provocar un alliberament molt intens d’energia. L’univers va augmentar la seva grandària unes 10⁵⁰ vegades.
• Formació de partícules nuclears: el confinament de quarks. La temperatura va baixar i va permetre l’actuació de la força nuclear forta: els quarks es van unir i van formar protons, neutrons i altres partícules nuclears.

Possibles destins de l’univers:

• Big Crunch: disminució progressiva de l’expansió; domini de la gravetat que provocaria una implosió i el col·lapse de tota la matèria en un punt petit i molt dens (similar, en concepte, a l’estat anterior al Big Bang).
• Big Chill (gran refredament): la matèria es dispersa, impossibilitant la formació d’estrelles; la llum de l’univers s’apaga i l’univers es refreda cap al zero absolut.
• Big Rip (gran esquinçada): l’energia fosca separaria cada vegada més la matèria de l’univers: cúmuls galàctics, galàxies, sistemes planetaris i, finalment, fins i tot els components dels àtoms.

4. Estructura de l'Univers

4.1 Les galàxies

• Les galàxies estan formades per matèria normal, matèria fosca i energia fosca, unides per la gravetat.
• A l’univers observable (allò que podem detectar) hi ha més de 100.000 milions de galàxies.
• Al centre d’algunes galàxies es troben forats negres supermassius.
• L’espai entre galàxies (espai intergalàctic) està pràcticament buit; només conté un gas molt tènue amb menys d’un àtom per cm³, matèria fosca i energia fosca.

Les galàxies s’agrupen en cúmuls galàctics i aquests en supercúmuls.

• La nostra galàxia és la Via Làctia.
• La Via Làctia forma part del cúmul galàctic anomenat Grup Local.
• El Grup Local, juntament amb altres cúmuls galàctics, està en el Supercúmul Local.

Les nebuloses estan constituïdes per gas (principalment H i He) i pols interestel·lar.

Els tipus més freqüents de galàxies són: el·líptiques (ovals), espirals i irregulars.

4.4 Els forats negres

Un forat negre és una singularitat envoltada per una superfície tancada anomenada horitzó de successos, que el separa de la resta de l’univers.

4.5 Els estels

• Els estels són cossos esfèrics que generen energia perquè al seu interior es produeixen reaccions termonuclears de fusió.

Formació d'un estel

• Els estels es formen en regions denses de les nebuloses, quan el gas i la pols es comprimeixen i augmenten la densitat fins a iniciar la fusió nuclear.

5. El sistema solar

El sistema solar està format pel Sol i pels cossos planetaris que en són gravitacionalment dependents, a més d’asteroides, cometes i meteorits.

5.1 El Sol

• Es va formar fa uns 4.500 Ma i li queden aproximadament 6.000 Ma més de vida com a estrella de seqüència principal.
• Les seves tres quartes parts són hidrogen (H); la resta és heli (He) i, en menor proporció, carboni, neó, oxigen, silici i ferro.

5.2 Asteroides, cometes i meteorits

• Asteroides: cossos rocosos més petits que els planetes; molt abundants al cinturó d’asteroides entre Mart i Júpiter.
• Cometes: cossos formats per gel, pols, metà i amoníac en estat sòlid. Tenen òrbites molt excèntriques (el·líptiques) i per això es veuen amb poca freqüència.
• Meteorits: fragments de cometes o asteroides que arriben a la superfície d’un planeta.

5.3 Els planetes del sistema solar

Al sistema solar hi ha vuit planetes principals:

• Rocosos: Mercuri, Venus, Terra i Mart.
• Gasosos: Júpiter, Saturn, Urà i Neptú.
• També hi ha cinc planetes nans reconeguts: Ceres, Plutó, Haumea, Makemake i Eris.

Ordre dels planetes

Mercuri, Venus, Terra, Mart, Júpiter, Saturn, Urà i Neptú.