Istoria universului

Conform celei mai acreditate teze din comunitatea științifică , istoria universului poate fi începută cu un eveniment explicat de „teoria Big Bang ” a omului de știință Georges Lemaître , susținut și dezvoltat ulterior de George Gamow . Conform acestei teorii, universul , în timpul nașterii sale, dintr-un punct de densitate infinită s-ar fi extins prin auto-generare (o metaforă larg utilizată, deși necorespunzătoare, pentru a descrie acest fenomen este cea a unei explozii colosale), acest fenomen se numește „Big Bang” (expresie inventată de Fred Hoyle ).

Una dintre dovezile care susțin această ipoteză este radiația difuză care persistă încă de la începutul ipotetic al universului.

Starea materiei prime din Big Bang nu poate fi descrisă în termeni fizici , fiind într-o stare numită de fizicieni „ singularitate ”.

În timp ce ipotezele cu privire la viitorul universului variază de la o expansiune nelimitată la un fenomen de expansiune-contracție oscilant , o posibilă consecință a unui univers închis , nu se știe nimic din ceea ce s-a întâmplat înainte de Big Bang: probabil timpul s-a născut în acel moment.

Interpretarea originilor universului este o întrebare la granița dintre știință și filosofie : posibilitatea unei validări empirice a diferitelor ipoteze este adesea dificilă, dacă nu imposibilă. Unele dintre aceste teorii postulează cicluri infinite de moarte și renaștere a universului, altele chiar postulează existența nu numai a noastră, ci și a altor universuri.

Modele ale universului

Pentru a defini mai bine istoria universului, științific, este în primul rând esențial să știm ce tip, ce model trebuie luat în considerare pentru a ne putea apropia cât mai mult de realitate, de veridicitatea evenimentelor care au fost baza trecutului, formează prezentul și mâine va reprezenta viitorul. În ultimii ani, s-au alternat multe teorii și fiecare dintre ele a reprezentat baza celor care s-au succedat. Astăzi este adevărat că cel mai acreditat este cel al Big Bang-ului, dar este de asemenea adevărat că, luată doar în acest mod, nu poate oferi toate răspunsurile de care au nevoie.

Trei tipuri de univers: închis, deschis și plat

Istoria universului este alcătuită din origini și evoluție, care este o parte integrantă a cosmologiei . Înainte de a se transforma într-o știință, cosmologia a fost considerată o ramură a filozofiei . Și religiile, cu cosmogoniile lor , au încercat să dea un răspuns la marea întrebare a originii cosmosului, elaborând mari construcții fantastice de tip mitologic . În secolul al XX-lea, au fost formulate trei tipuri de modele:

• Cel al universului închis care evoluează către o soartă de prăbușire a materiei care se va încheia cu un eveniment gigantic, Big Crunch .
• Cel staționar care implică un univers static, care nu se schimbă.
• Celdeschis care prevede un univers care tinde să se extindă la nesfârșit.

Einstein în 1917 a propus un model bazat pe teoria relativității generale ; un model static în care gravitația a creat o curbură în spațiu-timp ; și pentru a valida mai bine acest concept, a introdus constanta cosmologică , o forță care a echilibrat forța atracției gravitaționale .

Aleksandr Aleksandrovič Fridman a spus că universul se extinde, iar modalitățile acestei expansiuni depind de densitatea medie a materiei conținute în el: dacă ar fi prea mică, atracția reciprocă a galaxiilor ar cauza o încetinire a expansiunii însăși, dar nu cum ar fi pentru a o opri, de aceea vorbim despre un univers deschis .

Dimpotrivă, dacă densitatea materiei ar fi mai mare decât valoarea critică ( 5 × 10 ⁻³ g / cm³ ), expansiunea ar fi destinată să se oprească și ar exista o contracție până la prăbușire ( Big Crunch ), de aceea vorbim despre un univers închis ; în plus, teoria susține că ar putea exploda din nou pentru a se reexpanda și a se prăbuși din nou într-un ciclu infinit, vorbim despre un Univers oscilant .

Univers în expansiune

George Gamow , pe baza teoriei atomului primordial a lui Fridman și Georges Lemaître, a ipotezat ideea unei mari explozii ( Big Bang ), unde materia, aflată în condiții de temperatură și densitate extreme, a provocat Big Bang-ul care a dus la extinderea și crearea universului de astăzi.

De asemenea, interesantă este teoria lui Andrej Linde care presupune, după fatidicul Big Bang, formarea multor universuri, fiecare închis în sine într-un fel de bulă, fiecare dintre ele având legi fizice diferite; această teorie se numește Multiverse .

Universul ca tânăr

Astăzi cosmologii sunt conduși să considere teoria inflației , exprimată de Alan Guth ca fiind cea care se potrivește cel mai bine cu realitatea observată, pe baza descoperirilor și cunoștințelor de astăzi; plecând de la teoria lui Gamow, care inserează concepte din fizica particulelor elementare , ajungem la o ipoteză, făcută niciodată înainte, despre ceea ce s-ar întâmpla în prima secundă a vieții universului, deoarece se știau puține despre proprietățile materiei la o asemenea extremă condiții. Dar Guth, pornind de la cercetările făcute de Stephen Hawking , a teoretizat un proces de expansiune extrem de rapid; folosind teoria câmpurilor gravitaționale, el a crezut că o regiune din acea stare haotică a început să se umfle (să se umfle , de unde și termenul de inflație), atât de repede încât a dat naștere universului nostru.

Figura 4: Cronologie pentru expansiunea universului

În cele din urmă, teoria acceptată este cea inflaționistă , care vede la origini o singularitate care provoacă o explozie într-un preunivers haotic, care în prima secundă se extinde cu mare rapiditate și apoi continuă din ce în ce mai mult, într-un proces care nu este încetinit suficient de jos prin forță.efectul gravitațional al galaxiilor și prezența masivă a materiei întunecate .

Saul Perlmutter a anunțat că datele sale, pe baza observațiilor supernovelor de tip Ia în galaxiile îndepărtate, ^{[1] au} văzut un univers în expansiune cu mișcare accelerată, ca și cum ar exista o forță anti - gravitațională care acționează ca un motor; această forță a fost numită Energie Întunecată și va duce în viitor la o creștere a volumului universului și la o dezintegrare a galaxiilor în așa-numitul Big Rip .

Scurte note cronologice despre istoria universului

Notă: datele trebuie considerate, chiar dacă nu sunt specificate, ca aproximative. Cosmologii au împărțit „istoria” Universului în 9 ere, variind de la câteva fracțiuni de secundă la miliarde de ani. Fiecare dintre aceste ere este caracterizată de un eveniment particular - care poate fi separarea unei forțe fundamentale de celelalte sau formarea primelor nuclee.

Big Bang

Același subiect în detaliu: Cronologia Big Bang .

Cronologia evoluției universului
Scară în miliarde de ani

• Acum 13,7 miliarde de ani: are loc Big Bang-ul care marchează nașterea Universului sau, mai bine zis, începutul expansiunii sale prin nașterea spațiului-timp. ^[2]

Era de la Planck

Niciuna dintre teoriile fizice actuale nu poate descrie corect ceea ce s-a întâmplat în era Planck , care poartă numele fizicianului german Max Planck . În această eră, cele patru forțe fundamentale - electromagnetice , nucleare slabe , nucleare puternice și gravitaționale - au aceeași intensitate și sunt probabil unificate într-o singură forță fundamentală.

A fost de mare unificare

Diametrul Universului :?

Temperatura : 10 ³⁰ K

Timp după Big Bang : 1 miliardime dintr-o miliardime dintr-o yoctosecundă (10 ^-43 secunde)

De asemenea, numită Era of Gut . Forțele fundamentale, cu excepția gravitației, erau unite într-o singură „superforță” formată din forța electromagnetică și forțele nucleare slabe și puternice . Conform cunoștințelor actuale, tocmai în acest moment poate fi urmărită nașterea spațiului-timp așa cum o cunoaștem.

Era inflație

Același subiect în detaliu: Inflația (cosmologie) .

Diametrul Universului : 10 ⁻²⁶ metri

Temperatura : 10 ²⁷ K, egală cu un miliard de miliarde de miliarde ° C

Timp după Big Bang : 1 sută miliardime dintr-o yoctosecundă (10 ⁻³⁵ secunde)

În era inflației, fluctuațiile inflatiei au dat naștere unei expansiuni rapide, dar drastice, a Universului. Energia sub formă de radiații eliberată de acest câmp special Higgs a dat naștere la perechi particule - antiparticule .

A fost slăbit electric

Diametrul Universului : de la 10 metri la 10 ¹² metri (un miliard de kilometri): Universul a devenit enorm de mare din cauza inflației

Temperatura : 10 ²⁷ K la 10 ¹⁵ K, egală cu un milion de miliarde de grade Celsius

Timpul după Big Bang : de la o sută de milionimi de yoctosecundă (10 ⁻³² secunde) la 1 nanosecundă , sau 10 ⁻⁹ secunde (o miliardime de secundă)

În această eră, câmpul puternic Higgs a separat deja interacțiunea puternică de cea electrolabă , rezultând în formarea de gluoni și perechi quark- antiquark din radiația eliberată în urma inflației. Se speculează că bosonii X și Y (dacă au existat vreodată) au apărut în această eră. Era electrolabă a durat aproximativ 10 ⁻²⁷ secunde. Sfârșitul său a fost caracterizat prin separarea forței electro-slabe în interacțiunea slabă și interacțiunea electromagnetică, fenomen determinat de oscilațiile câmpului Higgs electro-slab.

Era din hadroni

Diametrul Universului : 100 miliarde de kilometri

Temperatură : 10 ¹³ K (echivalent cu 10 000 miliarde de grade Celsius )

Timp după Big Bang : 1 microsecundă (10 ⁻⁶ secunde, o milionime de secundă)

În timpul hadronilor, energia termică a devenit suficient de scăzută pentru a permite interacțiunea dintre quarki de către forța puternică. Quarkii și antiquarkurile s-au legat astfel pentru a forma primii hadroni .

Era din leptoni

Diametrul universului :?

Temperatura : 10 ¹² K

Timp după Big Bang : 10 ⁻⁴ secunde de Big Bang

În acest moment al istoriei universului, temperatura este de aproximativ 1 trilion de grade.

• 1 secundă după Big Bang : temperatura este de 10 miliarde de grade Celsius.
• La 100 de secunde după Big Bang : temperatura este de 1 miliard de grade.

A fost al nucleosintezei

Același subiect în detaliu: Nucleosinteza primordială .

Diametrul Universului : peste 1000 de miliarde de kilometri

Temperatura : 10 ¹⁰ K

Timp după Big Bang : 100 de secunde

În această eră, majoritatea neutronilor s-au descompus în protoni . Energia a fost redusă suficient pentru a permite nucleonilor să se lege prin pioni formând astfel primii nuclei de heliu-4 și deuteriu .

Era opacitate

Diametrul Universului : între 10 și 10 000 de ani lumină

Temperatura : 10 ⁸ K

Timp după Big Bang : 200 de secunde.

În această eră, energia a scăzut suficient pentru a permite interacțiunea electromagnetică să se manifeste. Particulele încărcate au interacționat între ele și cu fotonii rămași din inflație și anihilare a perechilor particule-antiparticule. În această eră a existat formarea primilor atomi , în special hidrogen , heliu , litiu și izotopi de hidrogen. La sfârșitul erei opacității, temperatura a scăzut suficient pentru a reduce producția de perechi quark- antiquark sau lepton- antilepton de generații masive (vezi Modelul standard ).

După Big Bang

Epoca materiei (Universul actual)

Diametrul Universului : 100 de milioane de ani lumină

Temperatura : 3000 Kelvin

Timpul după Big Bang : 300.000 de ani

În epoca materiei, fotonii rămași din epoca inflației s-au răspândit în tot Universul, formând radiația cosmică de fond care este prezentă și în Universul actual. Toată materia era alcătuită în principal din atomi și leptoni din prima generație. Toate particulele masive care, cu temperaturi ridicate, s-au format continuu în perechi particule-antiparticule din radiații, s-au degradat deja în particule ușoare din prima generație, cum ar fi electroni și neutrini și, printre hadroni , neutroni și protoni . Epoca materiei se desfășoară de aproximativ 13,7 miliarde de ani.

• 1 milion de ani după Big Bang : temperatura este de 300.000-400.000 ° C. Se formează primul atom , atomul de hidrogen format din 1 proton și 1 electron .

Formarea primelor stele

Galaxy M101, unul dintre cele mai bune exemple de galaxie spirală.

Neregulile din distribuția materiei prin inflaton au fost cauzate de fluctuațiile cuantice din acest câmp special Higgs . Spre începutul erei materiei, neregulile s-au manifestat în principal în zone de materie mai condensate decât altele. Forța gravitațională a acționat asupra acestor nereguli formând aglomerări din ce în ce mai mari de materie: aceasta a condus la formarea primelor stele , la 200 de milioane de ani de la Big Bang, și a primelor galaxii active (în principal quasare ). Astrofizicienii speculează că primele stele formate în Univers au fost mult mai masive decât cele actuale. Procesele de fuziune nucleară declanșate în nucleul acestor stele au dus la formarea de elemente grele precum oxigenul , carbonul , neonul , fierul și azotul , care s-au răspândit în spațiul interstelar în urma exploziei stelelor din supernove , cu formarea consecventă a găurilor negre. .

• Acum 13,2 miliarde de ani ( 500 de milioane de ani după Big Bang ) s-a născut HE 1523-0901 , cea mai veche stea cunoscută de noi. Odată cu explozia lor, stelele masive formate în urmă cu 13,5 miliarde de ani , numite „ megastare ” au dat naștere unei radiații electromagnetice deosebit de intense, probabil responsabilă de ionizarea atomilor de hidrogen găsite printre grupurile de galaxii din universul actual.
• Acum 12,7 miliarde de ani : poate, dar este una dintre cele mai discutate informații din cosmologie, se produc condensele galaxiilor (protogalaxii) și începe formarea stelelor .
• Acum 10 miliarde de ani: formarea galaxiei noastre, Calea Lactee .

Accelerarea energiei întunecate

Același subiect în detaliu: accelerarea Universului .

La aproximativ 7 miliarde de ani după Big Bang, Universul, care își încetinea expansiunea datorită forței gravitaționale (așa cum se arată în Figura 4), a suferit o accelerare a expansiunii sale, care este încă detectabilă în Universul actual. Această accelerare poate fi cauzată de energia întunecată , forța lambda antigravitațională ^[3] . Acest lucru va duce probabil ca Universul să se termine într-o Big Rip sau Big Freeze , cu excepția cazului în care materia întunecată și gravitația sa se anulează sau energia întunecată este explicația exactă pentru accelerația aparentă.

• Acum 5 miliarde de ani: s-a născut sistemul solar și, prin urmare, și steaua pe care o numim Soare.
• Acum 4,5 miliarde de ani: formarea planetei Pământ .
• Acum 4-3,5 miliarde de ani: primele forme de viață apar pe Pământ.

Euclid este o misiune a Agenției Spațiale Europene , a cărei lansare este programată pentru 2021, care își propune să colecteze informații despre originea și evoluția universului printr-un sondaj de cinci ani și analiza contextuală a distribuției galaxiilor și a schimbării lor roșii respective. . ^[4]

Sfârșitul universului

Același subiect în detaliu: Destinul final al universului .

Teoriile Big Bang-ului pot fi împărțite în trei grupe principale:

• cele pentru care, în ciuda observațiilor, universul este etern așa cum se credea anterior: teoria stării staționare și a Universului oscilant (și varianta sa mai modernă, Big Bounce )
• cele pentru care Universul a avut un început, dar nu va avea un sfârșit real: Moartea Termală a Universului și Big Rip
• cele pentru care Universul a avut un început și va avea un sfârșit bine definit: Big Crunch .

Notă

Bibliografie

• " De la big bang la găurile negre. O scurtă istorie a timpului " (1988) de Stephen Hawking
• „O scurtă istorie a științei” de Eirik Newth.
• „Înainte de început” , (1998) de Martin Rees
• "Enciclopedia științei (vol. 1)" Federico Motta Editore (2005)

Elemente conexe

Portalul de astronomie

Portalul de fizică