L'Univers: Origen, Composició i Futur

1.1. Què és l'Univers?

L'Univers és la totalitat del temps i de l'espai; de totes les formes d'energia i matèria. Està constituït per tot: matèria, energia, espai i temps, tot el que podem tocar, mesurar o detectar. Abans que sorgís l'Univers, no existia ni el temps, ni l'espai ni la matèria.

Malgrat que el desenvolupament tecnològic ha permès avenços en el coneixement del cosmos, encara no en coneixem la magnitud i la composició, o com i quan serà el seu final.

1.2. La matèria de l'Univers

Els cosmòlegs consideren que el gas i la pols còsmica, i tota la matèria que formen els estels, els forats negres i els cossos planetaris, constitueixen només el 5% de la matèria total de l'Univers. La resta, que no es pot veure ni analitzar amb els instruments actuals, és matèria fosca i energia fosca.

• Matèria normal o bariónica: Constitueix el 5% del total de la matèria. És matèria coneguda, formada per hidrogen (al voltant del 70%) i altres elements.
• Només una part de la matèria bariónica (s'estima que al voltant del 0,4%) constitueix la matèria visible, que forma els estels, els planetes i els gasos calents intergalàctics. La resta és matèria no lumínica, que forma els forats negres i el gas intergalàctic.
• Matèria fosca: Constitueix el 23% de la matèria de l'Univers i se'n desconeix la composició. Té un efecte gravitacional important, perquè la massa total de components d'una galàxia no és suficient per explicar la intensitat de les forces gravitacionals al seu interior.
• Energia fosca: Es considera que constitueix aproximadament el 72% de l'Univers i que està distribuïda de manera homogènia per tot l'espai, encara que se'n desconeix la naturalesa.

Segons la cultura azteca, el món i l'ésser humà han estat creat diverses vegades, i cada creació ha estat sempre un cataclisme que ha posat fi a la vida de la humanitat.

Les teories pseudocientífiques, quan són sotmeses a una anàlisi, es comprova que són falses.

Segons dos models:

El geocentrisme proposava que la Terra ocupava el centre de l'Univers, i el Sol i tots els astres giraven al voltant seu. Qüestionada per Aristarc i altres astrònoms, va ser defensada per Aristòtil i Ptolomeu fins al segle XVI.

Ptolemeu va proposar un model esfèric en el qual cada planeta feia dos moviments: un de propi, en cercles petits sobre ell mateix, anomenat epicicle, al mateix temps que girava al voltant de la Terra, en un cercle més gran, el cercle diferent.

La teoria heliocèntrica, enunciada per Nicolau Copèrnic (1473-1543), millorada per Kepler i demostrada inicialment per Galileu i definitivament per Newton, proposava que el Sol ocupava el centre de l'Univers, i la Terra i els planetes giraven al voltant seu.

Aquesta teoria, molt més senzilla que la geocèntrica, situa el Sol al centre del Sistema Solar i explica el moviment dels planetes mitjançant òrbites.

1.3. Teories modernes sobre l'origen de l'Univers

Actualment, la teoria més acceptada sobre la formació de l'Univers és la del Big Bang, enunciada per George Gamow l'any 1948, que proposa que l'Univers es va originar després d'una gran explosió.

L'any 1948, Hermann Bondi, Thomas Gold i Fred Hoyle van proposar la teoria de l'Univers estacionari, que sostenia que l'Univers és infinit i uniforme, que no va tenir mai un origen, que va existir sempre i que tenia el mateix aspecte en qualsevol punt i temps.

Aquesta teoria proposa que l'Univers es va expandir de manera uniforme, i molt ràpidament, un instant després del Big Bang, i que, en aquesta expansió descomunal, la seva grandària es va multiplicar milions de vegades.

2.1. El Big Bang

Segons la teoria del Big Bang, fa 13.700 milions d'anys, tota la matèria de l'Univers estava concentrada en una zona extraordinàriament petita que, després de l'explosió, va sortir impulsada en totes direccions.

Quan es va refredar, va originar les partícules elementals que formen els àtoms (electrons, protons, neutrons, positrons, etc.) i, més tard, els petits elements químics, principalment l'hidrogen.

Quan la matèria es va concentrar en alguns llocs de l'espai, es van formar els primers estels i galàxies i, des d'aleshores, l'Univers continua en evolució constant.

En aquest model cosmològic, matèria, espai i temps són indissociables. D'aquesta manera, en la gran explosió es va originar tota la matèria de l'Univers, que es va formar a partir d'un punt infinitament dens, després d'una gran explosió.

2.2. Les bases de la teoria: l'expansió de l'Univers

Com qualsevol teoria cosmològica, la teoria del Big Bang ha de ser comprovada i ha d'explicar el que s'observa en l'Univers conegut.

El Big Bang va provocar l'expansió de l'espai, que s'allunyava de nosaltres en totes direccions.

El 1929, Edwin Powell Hubble va mesurar la velocitat de desplaçament de galàxies, la distància de les quals havia calculat, i va concloure que, excepte les més properes, les del Grup Local, la majoria s'allunyaven.

2.3. La confirmació del Big Bang

Tanmateix, la teoria del Big Bang no va ser acceptada definitivament fins que dos grans descobriments van aportar proves que la sustentaven: la radiació de fons de microones còsmiques i el registre de l'eco de la gran explosió.

Les proves del Big Bang:

La radiació de fons de microones còsmiques va ser descoberta l’any 1965 pels radioastrònoms Arno Penzias i Robert Wilson, quan provaven un nou receptor de microones molt sensible. Van registrar una radiació estranya, un soroll que no podien eliminar, que provenia amb la mateixa intensitat de tots els punts de l’espai. Van indicar que aquesta radiació de microones còsmiques era el resplendor de la gran explosió, una radiació generada en el Big Bang que, com havia predit George Gamow, després d'haver recorregut tot el cosmos, arribava com a microones perquè l'Univers s'estava expandint.

La confirmació decisiva de la teoria del Big Bang va ser possible gràcies a les dades aportades pel telescopi espacial COBE el 1992, les imatges del qual mostraven com era l'Univers poc després del Big Bang. En aquestes imatges es van detectar petites pertorbacions de la radiació de microones de fons, que van acumular matèria que va originar estels, galàxies i cúmuls de galàxies.

2.4. El futur de l'Univers segons la teoria del Big Bang

Segons els científics, el final de l'Univers dependrà de si la seva densitat crítica, o densitat de la seva matèria, és la necessària per aturar la seva expansió, en un temps infinit. Les possibilitats són:

• Big Crunch (gran col·lapse): Si la densitat de l'Univers és superior a la crítica, assoliria una grandària màxima, es començaria a colapsar i acabaria en un estat semblant al del seu inici, anomenat Big Crunch.
• Big Chill (gran refredament): Si la matèria-energia fora de l'Univers fos insuficient i la seva densitat fos igual o inferior a la densitat crítica, la força de la gravetat frenaria la seva expansió i s'expandiria eternament. Seria cada vegada menys dens i més fred.
• Big Rip (gran esquinçada): Si la densitat de l'Univers fos pròxima a la densitat crítica i l'energia fosca superés la força de la gravetat, es produiria una expansió molt accelerada que acabaria separant els cossos units per gravetat.

L’Evolució de l’Univers: Tema 3

UNS QUANTS SEGONS DESPRÉS DEL BIG BANG

1. Separació de la força gravitacional.

Tota la matèria estava en forma d'energia i les quatre forces que regeixen el comportament de les partícules estaven agrupades en una superforça. Poc després, la força gravitatòria es va separar de les altres forces, que es van mantenir unides.

2. La gran inflació.

L’expansió de l'Univers va provocar un lleuger refredament que va permetre la separació de la força nuclear forta i es va desprendre una gran quantitat d'energia, fet que va provocar una gran inflació: en un instant, l'Univers va augmentar 10⁵ vegades la seva grandària.

3. La formació de les partícules nuclears: el confinament de quarks.

— Al cap de 10^-6 segons, el descens de temperatura va permetre que actués la força nuclear forta, que va unir quarks, que van donar lloc a protons, neutrons i altres partícules nuclears.

— Al cap de 10^-3 segons, tota l'antimatèria havia desaparegut i la seva aniquilació va produir una gran quantitat d'energia radiant en forma de fotons.

— Una centèsima de segon després del Big Bang, a una temperatura aproximada de 10¹³ K, les partícules elementals acabades de formar interactuaven fortament amb els fotons, tot formant una sopa còsmica homogènia o fase fosa.

FORMACIÓ DE PARTÍCULES NUCLEARS

Les partícules de la fase fosa interactuaven constantment, però la temperatura era tan elevada que no eren prou estables per formar nuclis atòmics. La unió de quarks va formar neutrons i protons.

La Formació dels primers elements:

Uns quants minuts després del Big Bang, la temperatura va disminuir ràpidament fins a uns 100 milions de graus (10⁸ K), cosa que va permetre la fusió de protons i neutrons que van originar àtoms d'elements lleugers: hidrogen (i del seu isòtop, el deuteri), heli i traces de liti i beril·li. Després, la temperatura i la densitat de l’Univers van baixar i va cessar la fusió nuclear.

Aquest procés s'anomena nucleosíntesi primordial i els científics proposen que va durar només alguns minuts, entre els 100 i els 300 primers segons després del Big Bang.

Els primers anys de l’Univers: La Recombinació

380.000 anys després del Big Bang, com que l'Univers es va expandir, la temperatura va disminuir per sota dels 3.000 K, i això va permetre que els protons s’unissin als electrons per formar àtoms estables amb càrrega neutra, procés anomenat recombinació.

Els fotons (radiació) es van separar de la matèria, es van desacoblar, es van propagar de forma lliure per l'espai, i l'Univers es va fer transparent. Aquesta radiació és la que es registra actualment com a radiació de fons de microones.

Algunes regions de l'espai on la densitat era més gran i, per tant, la seva gravetat era una mica superior, atreien cap a elles matèria que va originar els primers estels i les primeres galàxies.

Cap a un Univers madur:

La formació d’estructures.

En aquest Univers primitiu, la matèria es va agrupar formant els primers estels i les primeres galàxies. Quan l’Univers tenia 1.000 milions d’anys, les fusions entre galàxies eren molt freqüents. Aquest procés va anar disminuint amb el temps, fins que uns 6.000 milions d’anys després de la gran explosió era gairebé inexistent. Des d’aleshores, els xocs i les fusions de galàxies són molt poc freqüents.

La grandària de l’Univers.

Les dades proporcionades pel Hubble han permès deduir que, entre 5.000 i 6.000 milions d'anys després del Big Bang, l’Univers tenia la meitat de la grandària que té actualment.