Evoluţia Universului

De ce există un univers compus din materie? Enigma aceasta nu are încă un răspuns şi s-ar putea să ne poarte spre o nouă fizică, o fizică dincolo de modelul standard. Un nou rezultat obţinut de proiectul de cercetare LHCb la CERN, care studiază mezonii B, arată că, într-adevăr, avem nevoie de o fizică nouă.


Halou materie întunecată (reprezentare grafică). credit: wikipedia.org

Materia întunecată ar putea interacţiona cu materia obișnuită; în acest caz este imposibil de identificat în cadrul acceleratoarelor de particule. Un grup de cercetători a propus folosirea a miliarde de micropendule mecanice – o reţea care vibrează la trecerea unei particule de materie întunecată.

O pânză de păianjen din filamente de materie care înconjoară o enormă gaură neagră la o distanţă de circa 13 miliarde ani-lumină de noi conţine (cel puţin) şase galaxii. Studiul acestei structuri ne poate ajuta să înţelegem originea găurilor negre de mari dimensiuni, dar şi cea a metastructurilor cosmice.


Magnetar (reprezentare artistică). Credit: ESO/L. Calçada

Materia întunecată este un mare mister al fizicii moderne și se bănuieşte că ar fi compusă din particule încă nedescoperite. Printre particulele-candidat responsabile pentru materia întunecată se numără şi axionul, o particulă cu masa extrem de mică care ar putea genera semnale în câmpul magnetic extrem de intens al unui magnetar.


Călătorie printr-o gaură de vierme. credit: NASA

Sunt găurile de vierme posibile? Încă nu ştim, însă teoreticienii se întrec în a găsi şi propune soluţii pentru a putea călători dintr-o parte în alta a galaxiei folosind aceste efecte ale teoriei relativităţii generale, dar şi o nouă teorie despre univers care ar permite existența unor găuri de vierme care să ne permită să le străbatem fără riscuri.

Gaura de vierme ar fi o deformare extremă a spaţiului şi timpului care ne-ar permite să călătorim rapid (asigurând o scurtătură fantastică în spațiu-timp) dintr-o parte în alta a galaxiei şi chiar şi a universului, folosind consecințele teoriei relativităţii generale a lui Einstein. 


În imagine: pitica albă IK Pegasi B (centru-jos), steaua companion clasa-A IK Pegasi A (stânga) și Soarele (dreapta)

Un nou studiu arată că va fi posibil să se studieze eventuale urme de viaţă pe planete care orbitează în jurul unei stele care a murit, transformându-se într-o pitică albă. Misiunea NASA James Webb Space Telescope ar putea descoperi semnale ale existenţei vieţii pe astfel de planete în condiţii extreme. În prezent căutam semne de viaţă pe planete care orbitează în jurul unor stele asemănătoare Soarelui, la distanţe faţă de acesta care să permită existenţa apei sub formă lichidă.  Nu ştim însă sub ce forme s-ar putea afla viaţa în univers; chiar şi pe Pământ există bacterii care supravieţuiesc în condiţii extreme: căldura intensă, în lipsa aerului şi chiar şi la un nivel de radiaţii extrem de mare.

În univers există galaxii care au mult mai puţină materie întunecată, se pare, decât altele. Acesta „dispariţie” a materiei întunecate din unele galaxii i-a ajutat pe cercetători să afle mai multe despre posibila natura a particulelor care ar compune materia întunecată.


Halou materie întunecată (reprezentare grafică). credit: wikipedia.org

Deși nu știm deocamdată din ce este constituită, ce știm este că materia întunecată domină în univers asupra materiei obișnuite (vizibile). Cum se organizează însă această materie întunecată și cât de mici pot să fie halourile de materie întunecată? Un răspuns la această întrebare a fost dat recent de un grup de cercetători cu ajutorul unui univers virtual, adică unul simulat pe calculator.

Un halou de materie întunecată reprezintă o regiune din spațiu decuplată de expansiunea universală, conținând materie cuplată prin intermediul gravitației. Poate conține mai multe galaxii. Întrebarea este: care este mărimea minimă a acesteia?


Pitică albă atrăgând materie (atracție gravitațională) dintr-o stea companion (reprezentare grafică). Credit: NASA

Cum va sfârşi universul? Un fizician de la Illinois State University ne spune că în viitorul îndepărtat universul ar putea sfârşi cu explozii ale piticelor albe (care între timp devin pitice negre) într-un univers extrem de rece şi neprimitor.

Din câte putem observa cu telescoapele noastre vedem că universul este în expansiune; mai mult, expansiunea este accelerată din cauza unei aşa-numite misterioase energii întunecate. Dacă această expansiune va continua, universul se va răci din ce în ce mai mult, temperatura radiaţiei cosmice de fond devenind tot mai mică. Miliarde de ani de acum înainte nu se vor mai naşte stele în univers, galaxiile se vor „stinge” şi chiar şi găurile negre se vor evapora prin emisia radiaţiei lui Hawking. Temperatura universului va tinde spre zero absolut, adică 0 K, un fel de moarte termică a universului.


Rămășițele supernovei Kepler

Rezultatele unui studiu recent arată că mai multe forme de viaţă de pe Pământ (plante) ar fi dispărut acum 359 de milioane de ani, în urma efectelor generate de explozia unor stele la distanţa de circa 65 ani-lumină de noi.

 
Interacţiuni ale neutrino detectate la Observatorul de Neutrino IceCube

În cadrul eforturilor fizicienilor de a identifica neutrinii sterili, adică acei neutrini care ar interacţiona doar prin gravitaţie cu materia (şi, deci, și cu ceilalţi neutrini), a fost obţinut un nou progres: în cadrul proiectelor MINOS+ şi Daya Bay s-au putut stabili limite stricte cu privire la existența acestui tip de neutrin.

Neutrinii sunt particule elementare (care nu sunt alcătuite din alte particule, cum este cazul, de exemplu, al protonilor ori neutronilor) care fac parte din modelul standard al fizicii particulelor. Nu au sarcină electrică, interacţionează slab cu materia şi se găsesc sub trei forme diferite: neutrini electronici, miuonici şi tauonici.

 

Un nou studiu al unei călătorii simulate în trecut a unui sistem cuantic arată ca aşa-numitul efect al fluturelui pentru astfel de sisteme nu este valabil; sistemul se întoarce în prezent mai mult sau mai puţin fără să sufere modificări majore.

Faimosul efect al fluturelui, cel în care o mică schimbare în condiţiile iniţiale are ca efect o schimbare majoră în evoluţia sistemului, este un efect faimos, descoperit de Edward Lorenz, care arăta cum formarea unui uragan poate fi generată de bătăile aripilor unui fluture în urmă cu mai multe săptămâni într-un loc îndepărtat.  


Click dreapta - view image (pentru o rezoluţie superioară)
Grupul Local - grup de galaxii ce cuprinde și Calea Lactee. Conține circa 30 de galaxii. Galaxiile Grupului Local sunt răspândite pe un diametru de 100 milioane de ani-lumină.

Un nou studiu care se bazează pe rezultatele măsurătorilor asupra a 50 de galaxii, precum și o serie de alte observații astronomice - ajung la concluzia că universul ar fi mai tânăr decât se credea, având „doar” 12,6 miliarde de ani (nu 13,8 miliarde ani, vârstă acceptată de majoritatea astronomilor).

De la descoperirea în 1929 de către astronomul american Edwin Hubble a deplasării spre roşu a luminii ce provine de la galaxii îndepărtate (descoperind astfel faptul că universul nu este static, așa cum se credea, ci în expansiune, și încă una accelerată) ştim că universul  nu a existat dintotdeauna, ci a luat naştere în urma unui eveniment pe care oamenii de ştiinţă l-au numit Big Bang, însă despre care nu știm încă foarte multe.


IceCube este un observator de neutrini ale cărui detectoare sunt îngropate la o adâncime mai mare de o milă sub gheaţa de la Polul Sud.

Proiectul de cercetare științifică IceCube, de la Polul Sud, a identificat mai mulţi neutrini decât ar fi fost de aşteptat. Cercetătorii sunt în căutarea sursei acestor neutrini şi bănuiesc că răspunsul ar putea avea legătură cu procesele care au loc în apropierea enormelor găuri negre din galaxiile active.

Un grup de cercetători a propus construirea în laborator a unui model al găurilor negre cu ajutorul grafenului, pentru a studia ce se întâmplă în apropierea aşa-numitului orizont al evenimentelor şi, poate, pentru a face un pas înainte spre o nouă teorie cuantică a gravitaţiei.

Instrumentul eROSITA, un telescop care măsoară raze X, a reuşit să creeze o nouă hartă a universului în raze X, mai detaliată decât cea obţinută în anii '90 cu ROSAT. Multe surse de raze X, precum găuri negre masive, stele cu câmpuri magnetice intense şi clustere de galaxii, au fost observate pentru prima dată.


Galaxia pitică Kinman. Pentru o rezoluție mai mare, click aici.

O stea luminoasă din galaxia pitică Kinman a dispărut fără a lăsa urme; astronomii încearcă să înţeleagă ce anume s-a întâmplat cu această stea. O ipoteză este aceea că steaua s-ar fi putut transforma direct  într-o gaură neagră.

Reprezentanți ai proiectului de cercetare comun LIGO-Virgo au anunţat recent descoperirea unui obiect misterios, cu o masă de 2,6 ori cea a Soarelui. Cercetătorii au măsurat undele gravitaţionale emise în timp ce acest obiect era înghiţit de o gaură neagră cu masa de circa 9 ori mai mare.


Detectorul de materie întunecată din cadrul proiectului Xenon, Gran Sasso, Italia

În cadrul proiectului de cercetare Xenon din cadrul laboratorului subteran italian de la Gran Sasso, Italia, detectorul de materie întunecată (Xenon1T) a măsurat mai multe evenimente decât se aştepta, pe baza calculelor privind semnalele din mediu. Ar putea fi indicii ale unor noi tipuri de particule sau, situaţie mai puţin spectaculoasă, fluctuaţii statistice. Dacă prima variantă s-ar dovedi corectă, ar putea fi cea mai importantă descoperire în fizică de la descoperirea accelerației cosmice.

Vânătoarea de particule de materie întunecată sau a particulelor care nu fac parte din modelul standard al fizicii particulelor elementare (sau care, dacă fac parte, au proprietăţi neaşteptate) continuă, cercetătorii dorind cu îndârjire să descopere semnale care să pună bazele unei noi teorii a fizicii.


Reprezentare grafică a unui neutron și a unui proton (care sunt formați din quacuri)

Neutronii liberi au o viaţă limitată: se dezintegrează în circa 14-15 minute. Timpul de viaţă al neutronului nu este însă cunoscut cu precizie. Mai mult, există două măsurători care nu sunt compatibile. Noi măsurători s-au efectuat în spațiu, în cadrul unui experiment care folosește planetele Venus şi Mercur ca surse de neutroni.

Neutronii fac parte din nucleul atomilor, împreună cu protonii. Neutronul nu este particulă elementară, ci este format din două quarcuri down şi un quarc up. Scoşi însă din nuclee, neutronii liberi nu sunt particule stabile, ci se dezintegrează. Un neutron dă naștere unui proton, unui electron şi unui antineutrin electronic.


Gaură neagră devorând o stea-partener

 

Existenţa găurilor negre cu mase dintre cele mai diverse (cele mai mari având mase de miliarde de ori mai mari decât a celor mai mici) rămâne încă un mister. Recent, în urma observaţiilor astronomice, dar şi a unor noi simulări pe calculator, s-au făcut progrese în explicarea modului în care găurile negre cresc până la mase de miliarde de ori cea a Soarelui.


Imagine a detectorului din proiectul ALICE / LCH

Proiectul de cercetare științifică ALICE (A Large Ion Collider Experiment) de la marele accelerator de particule LHC de la Geneva a efectuat o serie de măsurători şi caracterizări ale modului în care este produsă antimateria în procese nucleare. Caracterizarea acestor tipuri de procese ne-ar poate ajuta în identificarea materiei întunecate, care ar putea genera antimaterie în urma dezintegrării sau anihilării de particule de materie întunecată.


Fermi Large Area Telescope. credit: NASA

Misterul materiei întunecate se păstrează nealterat. Vânătoarea de particule misterioase în cadrul acceleratoarelor de particule a rămas până în prezent fără rezultate. La fel este situația în laboratoarele subterane. Noi observaţii astronomice, măsurând raze gama de energii extreme, ar putea însă dezvălui semnale ale existenţei acestei materii stranii.


Hexaquarc (reprezentare grafică)

Materia întunecată în univers „cântăreşte” mai mult decât materia obișnuită. Cercetătorii cred că materia întunecată este formată din particule încă nedescoperite. Recent însă a fost propusă o nouă idee: materia întunecată ar putea să fie alcătuită din quarcuri normale, la fel ca cele care formează protonii și neutronii, însă ar fi organizați într-un tip de structură diferit, imediat după Big Bang.


Sistemul triplu HR 6819, format dintr-o stea (orbita în albastru), o gaură neagră (orbita indicată în roșu) și, la depărtare, o altă stea (orbita în albastru)

Astronomii de la Observatorul Sudic European au anunțat recent că a fost descoperită cea mai apropiată gaură neagră de Terra, la circa 1.000 ani-lumină distanță. Cu o masă de câteva ori cea a Soarelui, aceasta influenţează mişcarea a două stele apropiate. O nouă metodă a permis astronomilor să arate că găurile negre pot fi descoperite folosind telescoape extrem de precise care studiază mişcarea stelelor vizibile.


Reprezentare grafică a discului de acreție a unui quasar (ULAS J1120+0641) alimentat de o gaură neagră super-masivă cu o masă de 2 miliarde ori mai mare decât cea a Soarelui

Măsurători ale aşa-numitei constante a structurii fine prin folosirea datelor care provin de la quasari (quasi-stellar object) îndepărtaţi ar arăta că aceasta constantă este... variabilă. Ba, mai mult, că universul ar avea o direcţie privilegiată. Dacă va fi confirmată aceasta măsurătoare, va zgudui din temelii fizica modernă.

Se pare că neutrinii şi antineutrinii au comportamente diferite; acesta este rezultatul proiectul de cercetare științifică T2K din Japonia, care măsoară oscilaţii ale acestor particule într-o fostă mină situată la circa 1 km adâncime. Acest comportament diferit ar putea explica de ce materia a învins în bătălia cu antimateria imediat după Big Bang şi, deci, de ce existăm.

Unul dintre cei mai activi şi creativi matematicieni contemporani, John Horton Conway, autorul Jocului vieţii, cu numeroase realizări în domenii diverse ale matematicii şi fizicii, a murit ca urmare a infectării cu noul coronavirus, SARS-CoV-2. Lăsă în urma lui nu doar Jocul vieţii, ci şi un număr impresionant de articole, cărţi şi amintiri.

Cercetătorii din proiectul de cercetare științifică ETH (Event Hotizon Telescope), care foloseşte o serie de telescoape care împânzesc globul terestru, au reuşit să obţină imaginea extrem de clară a jetului de plasmă emis de materia devorată de o enormă gaură neagră situată într-un quasar îndepărtat.

În centrul multor galaxii (poate chiar al tuturor) se găsesc găuri negre enorme, cu mase de milioane sau chiar miliarde de ori cea a Soarelui. Aceste găuri negre devorează stelele, gazul şi praful cosmic ce orbitează în jurul lor şi pe care reuşesc să le captureze prin efectele gravitaționale extreme pe care le generează.


Imagine obținută cu Telescopul Hubble a cefeidei RS Puppis, una dintre cefeidele folosite pentru a măsura expansiunea universului
Credit: NASA/ESA/Hubble Heritage (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collab)

Care este viteza de expansiune a universului? Diverse metode de a o măsura dau rezultate diferite. O nouă teorie, a bulei cosmice intergalactice, ar explica aceste rezultate.

Teoria apariției şi a evoluţiei universului are ca punct de plecare aşa-numitul Big Bang, un fel de explozie cosmică, care ar fi dus la apariția spațiu-timpului și a tot ce există în acesta: materie, antimaterie, materie întunecată ori energie întunecată. De atunci, adică acum circa 13,8 miliarde de ani, universul se află în expansiune şi în răcire. Dacă la început era un univers extrem de cald, o supă de quarcuri şi gluoni, la ora actuală temperatura universului, măsurată prin intermediul radiaţiei cosmice de fond, este de circa 2,7 K.


 


Ne poți ajuta cu o donaţie.


PayPal ()


Contact
| T&C | © 2020 Scientia.ro