Organització de l'Univers: De Sistemes Solars a l'Energia Fosca

Organització de l'Univers i Composició

La matèria presenta diferents nivells d’organització supraplanetaris (de petit a gran). Així direm que un sistema solar està format per una estrella (o més) sobre la qual orbiten una sèrie de cossos que no emeten llum (planetes, satèl·lits, cometes, asteroides...). Una galàxia està formada per milers de milions de sistemes solars. EXEMPLE: Andròmeda, Via Làctea. Un grup local està format per milers o milions de galàxies. Un cúmul galàctic està format per diferents grups locals. I l’Univers observable està format per milers de milions de cúmuls galàctics.

La Via Làctea: La Nostra Galàxia

La Via Làctea és la nostra galàxia. El nostre sistema solar es troba en un dels braços de la galàxia. S’anomena així perquè els grecs pensaven que era un camí de llet per on transitaven els déus que formaven les constel·lacions. Actualment, quan mirem el cel nocturn, la veiem com una boira blanca que s’assembla a la llet. És una galàxia espiral i es creu que al centre hi ha un forat negre que és el que fa girar tots els components al seu voltant per la força de gravetat que conté.

• Diàmetre aproximat: 100.000 anys llum.
• Velocitat de la llum: 300.000 km/s.
• 1 any llum = $9,46 \times 10^{12}$ km (s'utilitza per mesurar distàncies fora del Sistema Solar).
• Conté aproximadament 100.000 milions d’estels. Es creu que cada estel conté com a mínim un planeta orbitant al seu voltant.

Composició Energètica de l'Univers

La composició de l'Univers es divideix en diferents components:

• 0,4% Matèria normal (planetes, estels, nebuloses, asteroides...). Formada per barions i leptons que són partícules subatòmiques. Està formada per àtoms d’elements químics.
• 3,6% Matèria normal no lluminosa, en el sentit que no la podem veure (forats negres i gasos intergalàctics).
• 23% Matèria fosca (de moment no es pot detectar). Es va mesurar la massa total d’estels, pols i gasos i es va comprovar que no era suficient per explicar la intensitat de les forces gravitacionals entre galàxies i intergalàxies, així com el seu moviment.
• 73% Energia fosca (de moment no es pot detectar).

L'Energia Fosca

El 1998 es va deduir la seva existència mentre s'estudiaven les supernoves (explosions) d’estels llunyans. Es va observar que l’univers s'expandeix més ràpid que abans i es va considerar que aquesta energia és la causa d’aquest efecte. L'energia fosca actua de manera contrària a la força gravitatòria. La seva existència va ser demostrada per la sonda espacial WMAP que va mesurar el fons còsmic. Es creu que fa 9.000 milions d’anys, quan l’univers tenia la meitat de mida, l'energia fosca ja existia.

2.1. La Teoria del Big Bang

El 1948, George Gamow va proposar que l’Univers es va formar després d’una gran explosió. Segons aquesta teoria:

Fases Inicials del Big Bang

• Fa 13.700 milions d’anys: Tota la matèria de l’Univers estava concentrada en una zona molt petita, i quan es va produir l’explosió, va sortir disparada en totes direccions. En alguns punts aquesta matèria es va concentrar i va formar estels i galàxies, i des de llavors es troba en una evolució constant.
• Al principi: La matèria, l’espai i el temps no es distingien, però a mesura que s’anava expandint l’Univers s’haurien produït l’espai i el temps.
• Una centèsima de segon després: Els elements subatòmics interactuen amb els fotons (partícules de llum) i creen un plasma dens i calent (tipus de matèria com el foc).
• Durant els primers segons: La matèria i la radiació estan acoblades i l’Univers és opac (no deixa passar la llum). Hi ha massa temperatura per formar nuclis atòmics.
• Uns minuts més tard: La temperatura baixa ràpidament i es formen nuclis atòmics i elements lleugers com H, He, Li, Be. Aquest procés s’anomena Nucleosíntesi primordial i va durar pocs minuts; després la temperatura va baixar tant que ja no es va donar més fusió nuclear.
• Després: Els nuclis atòmics formen els àtoms dels primers elements químics.
• 300.000 anys després del Big Bang: La temperatura baixa encara més i els protons i electrons s'uneixen i formen Hidrogen. Els fotons es separen de la matèria propagant-se lliurement.

Observació i Evidències

Quan la llum travessa un cert element químic en l’espectre de llum apareixen bandes fosques. L’espectre és diferent i podem deduir la composició de les estrelles i les galàxies analitzant els seus espectres de llum. Les zones amb bandes negres representen els elements absorbits.

Descomposició de la Llum i Espectres

Ja se sabia que mitjançant prismes es podia descompondre la llum en colors diferents, un “espectre” que eren franges de colors que els científics enregistraven en un paper fotogràfic. Es va veure que alguns espectres estaven desplaçats (moguts de lloc): apareixien "correguts" o bé cap al color vermell o bé cap al color violeta (es podia mesurar el desplaçament de l'espectre comparant la posició en la qual apareixien les bandes fosques de l'hidrogen amb la seva posició teòrica).

L'Efecte Doppler i les Ones de Ràdio

Sabem que s’apropen o s’allunyen per L’EFECTE DOPPLER. Es van descobrir quan s’estudiaven alguns problemes de telecomunicació i es va veure que les galàxies o nebuloses emeten ones de ràdio. Les galàxies més joves i, per tant, més properes, emeten més radiacions que les llunyanes. Per detectar-les es fan servir radiotelescopis (antenes de ràdio amb desenes de metres de diàmetre).