L'ASTRONÒMICA

Per a estudiar l’origen de l’Univers han calgut dues coses molt importants i complementàries: una teoria matemàtica de la gravetat prou potent per abarcat tot l’Univers i observacions de l’Univers més antic.

La teoria matemàtica va aparèixer l’any 1915 de la mà del gran físic Albert Einstein, i es coneix com a Teoria de la Relativitat General. Aquesta teoria té un formalisme matemàtic força complicat que, bàsicament, ve a dir que l’espai i el temps formen un sol cos i que la presència de matèria produeix al seu voltant una deformació a l’estructura geomètrica d’aquest espai-temps. Aquesta deformació de l’espai-temps és la causant de la gravetat. Aquesta nova concepció de la gravetat va suposar un profund canvi en el coneixement de l’Univers i va implicar forts canvis a la física.

Amb aquesta potent teoria i una gran quantitat d’observacions ara ja tenim certa idea de l’origen i evolució de l’Univers en la seva major escala.

Principals observacions cosmològiques

Aquestes són les principals observacions que s’han realitzat:

a) L’Univers està en expansió
Estudiant els espectres de les galàxies llunyanes s’observa que s’estan allunyant de nosaltres, i quan més lluny es troba una galàxia més ràpidament s’allunya de nosaltres. Això és conegut com la llei de Hubble. Així doncs, l’Univers està en expansió; totes les galàxies s’allunyen de totes les altres (amb l’excepció de les galàxies properes on és molt més forta la seva influència gravitatòria).

b) La radiació de fons de microones
Radiació de fons de microonesL’any 1965 es va descobrir una llum residual molt poc energètica (en forma de microones) que procedeix de totes les direccions de l’Univers. Es coneix com la radiació de fons de microones, i seria la llum residual del propi Big Bang. Aquesta radiació és isotròpica, és a dir, té la mateixa intensitat a tot el cel i és molt homogènia. Només té una lleugera asimetria (diferència) d’una part en cent mil. Aquesta radiació ha estat, des d'aleshores, intensament estudiada per diversos projectes, com el COBE, BOOMERANG, DASI o WMAP.

Radiació de fons de microones

c) La proporció entre la matèria i la radiació de l’Univers és de 1/10⁹
Des de fa temps s’han dut a terme nombrosos projectes de recerca destinats a fer el recompte de la radiació que hi ha a l’Univers, que va des de les ones de ràdio, passant per les microones, l’infraroig, l’espectre visible, l’ultraviolat, els raigs X i acabant en els raigs gamma i, per una altra banda, s’han desenvolupat altres projectes destinats a fer el recompte de la matèria –visible i fosca– que hi ha a l’Univers. Si s'analitzen els resultats obtinguts en aquests projectes s'obtindrà com a resultat una proporció força sorprenent:

Radiació / Matèria = 10⁹

És a dir, per cada partícula de matèria hi ha mil milions de fotons. No es coneix cap mecanisme pel qual durant el decurs de l'evolució posterior de l’Univers es pogués generar aquesta proporció tan contundent. Aquesta enorme producció de fotons es va haver de produir, gairebé sense dubte, en el mateix inici de la formació de l’Univers, just en els primers instants de vida quan encara no hi havia estrelles ni galàxies.

d) L’Univers està format per hidrogen (75%) i heli (25%)
Mesurar quins elements químics formen l’Univers i en quina proporció és una tasca realment llarga i feixuga. Des del segle passat s’han reforçat els projectes dirigits cap aquest propòsit i els resultats que donen són prou clars: el nostre Univers està format per un 75% d’hidrogen (1H), un 25% d’heli (4He) i la resta d’elements químics són gairebé anecdòtics.
Com que se sap que a l’interior de les estrelles l’hidrogen es transforma en heli, es pot pensar que aquest percentatge d’heli (25%) s’ha anat formant en els nuclis estel·lars, però no és així. En els primers estadis de l'evolució del nostre Univers es van donar les condicions necessàries perquè es pogués formar aquesta proporció entre elements químics.

e) La distribució de matèria a l’Univers no és uniforme
Com ja s’ha dit, la matèria a l’Univers no està distribuïda de forma uniforme, sinó que s’agrupa i forma una mena de formatge de gruyere, amb grans forats buits, rodejats d’unes parets formades per supercúmuls de galàxies.

f) La Teoria de la Relativitat General ha superat totes les proves
Des d'aleshores són molts els experiments que s’han fet per a verificar aquesta teoria: mesures detallades de la precessió de l’òrbita de Mercuri, desplaçament òptic de la posició de les estrelles en els eclipsis de Sol, desplaçament el vermell dels espectres d’objectes massius, mesures precises de la transmissió d’ones entre satèl·lits al voltant de la Terra i molts més.
Doncs bé, tots aquests experiments han corroborat la Teoria General de la Relativitat, reafirmant-la com la teoria que estableix els mecanismes d’actuació i comportament de l’Univers a gran escala.

g) L’Univers ha canviat en el temps
Quan observem els astres més llunyans també estem observant en el passat perquè la llum ha trigat més a arribar fins a nosaltres; per tant observant diferents parts de l’Univers també podem observar en diferents etapes del mateix.
Per això podem veure que l’Univers més antic és molt diferent de l’Univers més actual i proper. L’Univers antic estava format per petites galàxies irregulars que anaven xocant entre sí per formar galàxies més grans. Després s’observa una època en què les galàxies eren molt actives; és l’època dels quàsars, blazars etc. I actualment les galàxies ja estan tranquil·les.

El model cosmològic estàndard

Amb aquestes proves observacionals i la teoria de la Relativitat General s’ha construït un model de l’origen de l’Univers conegut com a model cosmològic estàndard, popularment el Big Bang. Aquest és el model: L’Univers va néixer ara fa 13.700 milions d’anys en una enorme explosió. Abans de l’explosió no sabem què hi havia ni podem explicar-ho; però tota la matèria i energia que coneixem es trobava en un espai molt petit, i per tant amb una densitat i una temperatura enormes.

En explotar, l’Univers es va anar expandint i refredant. Com que la temperatura inicial era enorme no podia existir la matèria tal com la coneixem, inicialment tot era energia.

En refredar-se, l’energia va crear matèria i antimatèria. Va haver-hi un fet molt destacable: va haver-hi una petita asimetria ja que es va crear una mica més de matèria que d’antimatèria (no sabem perquè). Aquesta asimetria va ser quasi inapreciable. Per a cada mil milions de partícules generades n'hi havia una menys d'antipartícules.

Més tard, en refredar-se, la matèria i l’antimatèria es van aniquilar mútuament tornant-se a convertir en energia, però degut a la petita asimetria inicial, va quedar una mica de matèria a l’Univers. Així doncs, en aquell moment l’Univers estava format per energia i per matèria. La matèria era la més elemental: quarks, electrons i neutrins bàsicament.

Els quarks es van anar ajuntant i van formar nucleons: protons i neutrons.

Passats uns 300 mil anys després del Big Bang, es van poder formar àtoms neutres amb nucli i electrons al seu voltant. En aquest moment l’Univers va passar de ser opac a ser transparent, i la llum es va desenganxar (tècnicament desacoplar) de la matèria. Aquesta llum que va començar a anar sola és la radiació de fons de microones que encara veiem avui en dia.

Després va venir una època fosca perquè encara no hi havia cap astre que brillés en el cel, fins l’aparició de les primeres galàxies amb les primeres estrelles al seu interior. Aquestes van anar evolucionant fins arribar a l’Univers actual, ple de galàxies, estrelles, planetes i potser vida.

Grans incògnites actuals

Tot i que creiem saber més o menys com és l’Univers, com es va formar i com ha evolucionat, tenim enormes dubtes i grans incògnites per explicar. Les principals són l’acceleració de l’Univers, la matèria fosca i l’energia fosca.

a) L’acceleració de l’Univers
Com hem vist, l’Univers està en expansió. Sempre s’havia pensat que l’efecte de la gravetat aniria frenant aquesta expansió, i que l’Univers tindria tres finals possibles: una frenada total i una posterior contracció de l’Univers, una frenada fins aturar i deixar un Univers més o menys estàtic, o una frenada insuficient que no frenaria l’expansió mai, però si la disminuiria molt.
Doncs l’any 1999 es va descobrir un fet que va deixar la cosmologia en estat de xoc: l’Univers està en expansió accelerada !!! Es a dir, que s’expandeix cada vegada més ràpidament. Si això no canvia, les galàxies s’allunyaran les unes de les altres cada cop més ràpidament i l’Univers serà un lloc molt fred amb galàxies molt separades. Des d’aleshores s’està buscant la possible causa d’aquest efecte però no se’n té ni idea.

b) La composició de l’Univers
Estudiant amb molt detall la radiació de fons de microones, entre d’altres, s’ha vist que tota la matèria i energia que coneixem només és el 4% del total. A l’Univers hi ha d’haver un 23 % més de matèria que desconeixem; en diem la Matèria Fosca. Però a més hi ha d’haver un 73% d’energia que desconeixem, responsable de l’acceleració de l’Univers; en diem l’energia Fosca.

No tenim ni idea què pot ser ni la Matèria Fosca ni l’Energia Fosca. Des de fa molt poc, amb la posada en marxa del nou accelerador de partícules del CERN, el LHC, s’intentarà trobar algun tipus de matèria exòtica que expliqui almenys què pot ser la matèria fosca de l’Univers.