Materia neagră

Se spune că materia neagră, materie cu care nu am putut interacționa pe nicio cale directă, există. Noi știm că ea este acolo undeva pentru că îi putem observa efectele gravitaționale. Dar dacă această substanță misterioasă străbate universul, fără a avea un efect asupra nimănui cu excepția forței gravitaționale pe care o exercită, aceasta ar fi o cale perfectă a avea o navă gravitată de ea.

Care ar putea fi problema? Să facem o simulare.
„Căpitane, plutim! Unitatea de gravitație artificială cedează! Este o problemă cu materia neagră!”
„Poți să repari problema?”
„Nu, noi putem detecta materia neagră doar prin observarea efectelor ei gravitaționale, deci atunci când gravitația cedează, întreaga unitate de gravitație artificială dispare.”
„Atunci o să plutim până când o să murim.”
Un sistem care poate fi reparat doar atunci când funcționează la parametrii optimi trebuie să fie destul de exagerat.

Mari enigme din astronomie

Ştim că totul a început cu Big Bang. Atunci a apărut materia, energia, spaţiul şi timpul, mai exact Universul. Dar este sau nu infinit universul? Care este forma lui?  Este unul singur sau există o multitudine de universuri? Ce reprezintă viaţa în Univers, un hazard, sau ceva foarte comun? Fie că suntem singuri sau nu, noi, oamenii, ne punem aceste întrebări. Existăm. Investigăm. Descoperim.

Antimateria

Teoretic vorbind, antimateria există. Ea poate fi obţinută în acceleratoarele de particule. Dar, existenţa ei în spaţiu este doar intuită. Nimeni nu a găsit antimaterie în spaţiu până acum.

Conform oamenilor de știință, la formarea universului au fost create două cantități egale de materie și antimaterie. Ar fi trebuit, deci ca cele două cantități să se anihileze reciproc. Datorită unui fapt încă necunoscut, acest lucru nu s-a întâmplat, iar cantitatea de antimaterie în univers este în prezent foarte redusă.

Extratereştri

Acum 150 de ani se ofereau recompense pentru descoperirea extratereştrilor de pe alte planete decât Marte. Se considera că pe „planeta roşie” există cu  siguranţă extratereştrii.

Odată cu progresul ştiinţei şi „era cosmică”, existenţa extratereştrilor nu a putut fi demonstrată. Opportunity şi Spirit au arătat că nu există viaţă pe Marte. Dar asta nu apus capăt căutării. Dimpotrivă, oameni de ştiinţă din toată lumea se află în căutare de forme de viaţă în univers.

Omul este o formă de viaţă inteligentă. Deci, acesta tinde să creadă că există şi alte fiinţe asemenea lui, măcar ca nivel al inteligentei. Stephen Hawking spunea că  ” ideea existenţei extratereştrilor este perfect raţională, însă întâlnirea cu ei s-ar putea dovedi devastatoare pentru specia umană, aşa că poate n-ar trebui să ne străduim atâta să intrăm în contact cu ei.”

Astăzi, programul SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) şi ufologi amatori cercetează cerul în speranţa de a găsi un semnal din partea extratereştrilor.

Energia şi materia neagră

Se presupune că Universul este alcătuit în proporţie de 73% din energie neagră, 23%, materie neagră, 3,6%, gaz intergalactic şi numai 0,4% stele.

Energia şi materia neagră sunt componente misterioase ce nu se văd, nu se simt, dar sunt acolo. Au fost numite în acest mod pentru că negrul simbolizează culoarea necunoscutului.

Energia neagră generează o forță care se comportă ca o gravitație negativă şi care ar putea explica accelerarea expansiunii universului.

Materia neagră este o substanță formată din particule încă nedetectate experimental din cauză că ea nu emite radiații. Galaxia noastră, Calea Lactee, ar putea conţine materie neagră în proporţie de 90%. Aceasta ar putea fi formată  din obiecte cu luminozitate mică, ca, de exemplu, stele pitice maro şi găuri negre, dar se crede că, în cea mai mare parte, este formată din particule neobişnuite, a căror natură nu a fost încă descoperită.

Timpul

Ce este timpul? Doar o măsură a duratei evenimentelor? În filosofie, timpul este definit ca un flux neîntrerupt, ireversibil, care nu poate curge decât într-o singură direcție. În fizică, timpul este  o dimensiune a naturii. În accepţiunea clasică acesta este continuu, dar  teoria mecanicii cuantice dispută această calitate. Pentru oameni, timpul înseamnă trecut, prezent şi viitor şi cu ajutorul lui este sesizată o ordine în timp a evenimentelor.

Se spune că timpul a început cu Bing Bang şi se va sfârşi odată cu acesta. Este timpul  o insuşire a materiei? Este o iluzie?

Începutul şi sfârşitul universului

Acum 13,7 miliarde de ani. Big Bang. O explozie de proporţii inimaginabile a unui punct fără dimensiuni şi cu energie infinită (singularitate). Apariţia universului. Dar ce a cauzat această explozie? Dacă totul s-a format după Big Bang, ce era înainte?

Împrăştierea materiei şi energiei declanşate de Big Bang continuă şi azi. Universul se află în expansiune. Dar până când? Orice se naşte are şi un sfârşit. Care va fi sfârşitul universului? Nu se ştie când va înceta să existe universul. În schimb, există două scenarii posibile despre felul cum se va sfârşi totul.

Universul are o anumită densitate de masă-energie. S-a calculat că, dacă densitatea ar depăşi valoarea critică, gravitaţia ar determina încetarea expansiunii Universului şi prăbuşirea lui printr-o mare implozie – Big Crunch. În acest scenariu, toată materia şi energia s-ar prăbuşi într-o singularitate infinit de densă şi de fierbinte, într-un fel de Big Bang inversat. Acest lucru nu s-ar putea întâmpla decât peste 10 miliarde de ani. Dar, dacă densitatea Universului ar fi mai mică sau egală cu valoarea critică, Universul s-ar extinde la infinit, deşi viteza lui de extindere ar fi treptat redusă de gravitaţie. În acest caz, Universul ar cunoaşte un proces îndelungat de răcire – Big Chill, în urma căruia ar dispărea.

Universuri multiple

 

Universurile paralele au fost întotdeauna o temă preferată a autorilor sci-f. Însă, unii oameni de ştiinţă întrevăd în fizica cuantică posibilitatatea existenţei mai multor universuri. Astfel, ar putea exista un număr infinit de universuri, fiecare cu legi diferite ale fizicii. Universul nostru ar putea coexista cu alte membrane, alte universuri care sunt de asemenea în expansiune. S-ar putea ca universul nostru să nu fie decât „un balon plutind într-un ocean de alte baloane”.

Forma Universului

 

Nu putem vedea marginile Universului. Nu ştim dacă este finit sau infinit. Atunci cum vom şti care este forma lui? Există teorii asupra acestei chestiuni şi au fost propuse câteva modele.

Universul poate fi plat – model realizat pe baza unor masuratori precise ale temperaturii radiaţiei de fond, de catre WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – sonda spaţiala lansată în 2001), sferic – un model propus în 2003 care descrie geometria globală a Universului drept un poliedru cu 12 feţe pentagonale plate, sau cu formă de pâlnie – aşa-numitul model Picard, publicat în 2004, potrivit căruia Universul are forma pâlniei unei trompete, model elaborat pe baza studierii radiaţiei cosmice de fond.

Calea Lactee – un oraş de lumini

Văzută de pe Pământ, Calea Lactee pare o bandă strălucitoare de mii de stele, care a captivat imaginaţia oamenilor încă din cele mai vechi timpuri.  Soarele este una din cele aproximativ 100 de miliarde de stele care alcătuiesc această galaxie spirală care a început să se formeze în urmă cu 13,5 miliarde de ani.

Cu o masă de aproximativ 3 milioane de mase solare, o gaură neagră supermasivă ocupă centrul Căii Lactee, înconjurată de o aglomerare densă de stele. Discul galactic conţine  stelele mai tinere şi deci, mai strălucitoare care formează braţe spirale, în jurul protuberanţei centrale şi sunt încadrate de un halou sferic, cu aproximativ 200 de roiuri globulare. Acest halou ar putea fi înconjurat de un halou întunecat, numit coroana galactică. Braţele spirale principale poartă numele constelaţiei în care sunt cel mai mult vizibile. Braţul cel mai strălucitor este cel din Sagittarius, dincolo de care se află nucleul galactic. Sistemul Solar se găseşte aproape de marginea interioară a braţului Orion.

Galaxia se roteşte diferenţiat – cu cât obiectele sunt mai aproape de centrul ei, cu atât perioada de revoluţie este mai mică. Soarele se roteşte în jurul centrului galactic cu ≈ 800 000 km/h şi îşi parcurge orbita în 225 de milioanae de ani.

Stelele din Calea Lactee sunt clasificate în două grupuri, numite populaţii, pe baza vârstei lor şi a compoziţiei lor chimice. Populaţia I este formată din cele mai tinere stele, bogate în elemente grele şi formate din materiale expulzate de stelele existente. Aceste stele se găsesc în discul galactic, unde există foarte mult material din care se formează stele.

Stelele din populaţia a II-a sunt mai bătrâne şi sărace în metale. Se găsesc în halou şi în protuberanţa centrală, unde materialele din care se formează stelele au fost epuizate şi nu se mai formează stele noi.

Din masa Căii Lactee doar 10 % reprezintă mediu interstelar – hidrogen în diferite stări şi particule de praf şi este concentrat în discul galactic. În mediul interstelar  temperatura variază foarte mult. În cele mai reci regiuni temperatura are o valoare de aproximativ -260⁰C, iar hidrogenul există sub formă de nori de molecule unde se formează stele. Există, de asemenea, nori de hidrogen neutru (regiuni HI), unde temperaturile variază între -170⁰C şi 730⁰C, şi zone de hidrogen ionizat încălzit de stele (regiuni HII), cu temperaturi de ≈ 10 000⁰C.

Particulele de praf reprezintă aproximativ 1% din masa galaxiei şi se găsesc peste tot în mediul interstelar. Cele mai multe sunt granule solide mici, cu diametrul de la 0,01 la 0,1 microni, formate din carbon, silicaţi sau fier şi acoperite cu gheaţă de apă şi amoniac sau bioxid de carbon solid.

Restul de 90% din masa Căii Lactee este reprezentat de misterioasa materie neagră. Aceasta ar putea fi formată  din obiecte cu luminozitate mică, ca, de exemplu, stele pitice maro şi găuri negre, dar se crede că, în cea mai mare parte, este formată din particule neobişnuite, a căror natură nu a fost încă descoperită.

Ce este materia?

Materia este tot ce este afectat de gravitaţie. Cea mai mare parte a materiei de pe Pământ este formată din atomi şi ioni. În Univers, materia exstă în condiţii şi forme diferite, depinzând de densitatea mediului interstelar. Nu toată materia este formată din atomi, dar este formată din particule de un anumit tip. Unele particule sunt elementare (nu  sunt formate din alte particule mai mici), ca de exemplu quarcii şi electronii, care formează atomii şi ionii.

Dar, cea mai mare parte a materiei este materia neagră. În continuare se poate vedea o diagramă  cu distribuţia materiei în Univers.

Materia Neagră şi Energia Neagră

În Univers există mult mai multă materie decât este vizibilă prin stele şi alte obiecte cosmice. Materia invizibilă se numeşte materie neagră. Compoziţia ei nu este cunoscută. Ea poate lua forma unor obiecte întunecate, asemănătoare planetelor sau a unor entităţi subatomice neobişnuite care nu interacţionează aproape deloc cu materia obişnuită.

De ce ar exista materie neagră în Univers ?

Răspunsul este simplu, dacă analizăm mişcarea galaxiilor din roiuri, care are o viteză prea mare ca să poată fi explicată numai prin forţa gravitaţională a materiei vizibile. Trebuie să existe o masă suplimentară.

În plus, având în vedere rapiditatea cu care Universul se extinde, cosmologii au presupus că există energie neagră, o forţă care contracarează gravitaţia şi face Universul să se extindă mai repede.

Imaginea de mai jos a fost luată într-un detector subteran de particule, unde cosmologii cercetează neutrinii. Neutrinii din Cosmos sunt particule cu o masă foarte mică,  care combinaţi, ar putea constitui 1% sau 2 % din materia neagră.