|
TRIBUNA NOASTRA |
de Wladimir Paskievici
|
Ce stim despre Univers? Ca este vast, ca este plin de stele si de galaxii, ca in vastul spatiu pe care-l ocupa s-au petrecut si se petrec inca fenomene extraordinare, ca a aparut dintr-o data si ca, intr-o zi, va muri sau chiar dispare. Dar mai exact? Pentru a incepe, cititorul trebuie sa se obisnuiasca cu imensele distante cosmice, cu lungile perioade de timp si cu imensele mase de materie. Astfel, distantele se masoara in ani lumina (a-l), timpul in miliarde de ani (10-9) si masele in mase solare (MS). Un an lumina este distanta parcursa de lumina intr-un an, o distantǎ practic egalǎ cu 10 000 000 000 000 km adicǎ 1 urmat de 13 zerouri sau, pe scurt, 1 a-l = 1013 km. Masa soarelui, MS = circa 2x1030 kg.
Putina istorie Daca navigatorii si savantii din antichitate stiau sa se orienteze privind stelele si sa prezica eclipsele, astronomia, care se ocupa cu studiul miscarii soarelui si a planetelor, a ramas multe secole in urma. Pana la Copernic, in secolul XVI, se credea ca soarele, planetele si stele se invartesc in jurul Pamantului. Galileu, gratie observatiilor pe care le-a facut cu ajutorul telescopului – inventat de altfel de el, a putut confirma teoria lui Copernic care sustinea ca Pǎmantul, ca si planetele, se invartesc in jurul soarelui. Dupa cum se stie, aceasta teorie n-a fost bine acceptata de autoritǎtile religioase din acea epoca. Kepler a fost primul savant care a putut descrie cu precizie deplasarea Pamantului si a planetelor in jurul soarelui. Newton a fost cel care a explicat originea acestor traiectorii - fortele gravitationale observate pe Pamant - si care a stabilit astfel legea gravitatiei universale. Urmatorul mare pas a fost facut atunci cand, cu ajutorul spectografelor, s-a putut determina faptul ca lumina provenind din stele are proprietati similare cu cea a soarelui. Acesta a devenit astfel o stea, printre multe altele in imensitatea universului. Notiunea de galaxie - un ansamblu imens de stele, ca de exemplu Calea Laptelui din care soarele face parte - a aparut abia in secolul XX. Toate celelalte concepte importante azi in astronomie si astrofizica dateaza tot din secolul XX: existenta altor galaxii, dilatarea universului, existenta unor corpuri celeste ciudate (pulsari, stele de neutroni, “gauri negre” etc.), existenta unui fond de radiatie primitiv, precum si teoria Big Bang-ului.
Obtinerea de cunostinte Cunostintele pe care le avem asupra soarelui, stelelor si universului in general provin in mod esential din observatiile asupra luminii si ale celorlalte unde electromagnetice ce vin din spatiu. Instrumentul de observatie prin excelenta este telescopul, combinat cu amplificatori de imagini si cu spectrografe care analizeazǎ lumina in componentele sale si determina astfel compozitia atomica a astrului observat, precum si alte date ca temperatura si presiunea la suprafata. In ceea ce priveste celelalte unde electromagnetice, este vorba pe de o parte de undele infrarosii, de microunde, de unde radar si de unde radio. Primele sunt observate cu telescoape asociate cu detectoare de infrarosu sau cu telescoape trimise in spatiu pentru a evita absorbtia razelor in atmosfera; undele radio sunt observate cu radio-telescoape. Pe de alta parte, este vorba de undele ultraviolete, de razele X si γ (gamma), unde din ce in ce mai mici. In cazul acestor unde, imensa cantitate de oservatii se face prin detectori trimisi in spatiu. Cunostintele provin si din legile fizice stabilite pe pamant, presupus valide in totalitatea universului. Aceste legi fizice cuprind mecanica lui Newton - pentru sistemul planetar solar, relativitatea generalizata a lui Einstein - pentru corpurile masive si pentru evolutia universului, electromagnetismul lui Maxwell, precum si mecanica cuantica. Totalitatea cunostiintelor este sistematizata sub forma de teorii sau, mai exact, de «modele teoretice» care incearca sa explice tot ce este cunoscut si sa prevada viitoarele observatii. Componentele universului Universul este compus din spatiu, din materie cosmica, din stele (inclusiv planetele lor eventuale), din radiatii electromagnetice si, cum vom vedea mai departe, din «materie neagra» si din «energie neagra». Si, probabil, din timp! Daca ne bazam pe intuitie, spatiul este «scena» unde se desfasoara actiunea universului, locul in care materia si razele apar, se deplaseaza sau dispar. Spatiul ar fi deci independent de materie sau de timp. Imaginea moderna este diferitǎ: spatiul este considerat ca un produs al materiei si evolutia lui depinde de aceasta materie! Materia cosmica contine in medie 0.5 particule/cm3 si este compusa din elemente simple, in general din nuclee atomice (in special protoni) si din electroni, a caror origine o vom vedea mai departe. In anumite regiuni din spatiu si sub anumite conditii, aceasta densitate poate atinge un milion (106) de particule/cm3 pentru a forma nebuloasele din care se nasc stelele. Spatiul contine cel putin 70 de septilioane (70 000 000 000 000 000 000 000 sau 7x1022) de stele. Steau cea mai apropiata de Pamant se gaseste la o distanta de 4 a-l; cea mai departata, la cca. 1010 a-l. Steaua cea mai mare este circa 150 mai masiva decat soarele (adica 150 MS); cea mai putin masiva are circa 0.1 MS. Cea mai mare poate avea un diametru de 100 de ori mai mare decat cel al soarelui; cea mai mica, un diametru de numai cativa km (stelele de neutroni). Radiatiile (sau undele) electromagnetice sunt undele de care am vorbit mai sus, plus undele reziduale produse putin dupa nasterea universului, unde care umplu universul in mod uniform. Materia si energia neagra sunt concepte propuse, dar neobservate inca. Evolutia unei stele O stea se naste, straluceste si apoi se stinge sau explodeaza. Daca toate stelele se nasc in acelasi fel - din condensarea unei nebuloase cosmice, destinul individual al unei stele nu depinde practic decat de masa ei originala. Intai nasterea. Primele stele au aparut de circa 400 milioane de ani dupa marele Bing Bang. Gratie dimensiunilor sale gigantice (50 – 300 a-l), o nebuloasa contine enorm de multa materie: 105 – 107 MS. Materia cosmica din nebuloasa ramane concentrata si stabila, gratie echilibrului intre fortele de atractie gravitationale centripede (catre centru) si fortele centrifuge cauzate de viteza particulelor. Cand o nebuloasa intalneste o alta nebuloasa sau cand este strabatuta de undele de soc provenind din explozia unei supernove, particulele se apropie intre ele, gravitatia devine mai puternica si miscarea catre centru se amplifica in mod rapid. Astfel, fragmente din nebuloasa originala se «condenseaza» si se incalzesc din ce in ce mai mult, cu cat se apropie de centru, pana se ajunge la o situatie de echilibru care depinde de masa stelei astfel formata. a) Dacǎ masa este mai mica decat 0.1 MS, fragmentul se raceste relativ repede (in cca.. 100 milioane de ani) si steaua se stinge fara sa straluceasca: ea devine o pitica bruna. b) Daca masa este cuprinsa intre 0.1 si 0.5 MS, temperatura fragmentului creste pana ce atinge circa 10 milioane de grade (107 C). Hidrogenul initial se trasforma atunci in helium prin reactii nucleare de fuziune, producand astfel o imensa cantitate de energie care se opune atractiei catre centru si care mentine constante, pentru un timp indelungat, diametrul si temperatura stelei. Steaua straluceste si este atunci numita pitica rosie. Dupa o foarte lunga perioada de timp (1011 ani), se stinge pentru a deveni o pitica bruna. b) Daca masa este cuprinsa intre 0.5 si 5 MS, steaua consuma hidrogenul mai repede si viata ei va fi mai scurta (106 – 1010 ani). Dupa ce tot hidrogenul este consumat, steaua se contracta din nou. Temperatura creste si ea din nou si, cand atinge 1010C, nucleele de helium declanseaza o noua serie de reactii de fuziune pentru a produce carbon. Imensa caldura produsa, dilateaza straturile superficiale ale stelei care atinge atunci un diametru de 100 de ori mai mare decat in prima faza; ea devine astfel o uriasa rosie. Dupa aceea, procesul de contractie reincepe; temperatura stelei creste din nou, nucleele de carbon se combina intre ele pentru a da, la sfarsit, nuclee de fier, elementul cel mai greu posibil intr-o stea in evolutia sa normala. Steaua devine o pitica alba extrem de densa: o stea de masa 0.6 MS are un volum egal cu cel al Pamantului! Dupa aceea, nu mai ramane nici un combustibil de ars. Steaua insa nu se mai poate contracta din cauza unui fenomen cuantic cauzat de electroni in materie superdensa. Ea continua insa sa emita, prin radiatii, caldura acumulata, timp de multe milioane de ani. Steaua devine atunci, in general, o pitica neagra. Daca insa masa piticei albe depaseste limita de 1.4 MS, presiunea catre exterior a electronilor nu mai poate impiedica steaua de a se contracta. Ea explodeaza cu o violenta extraordinara dand o supernova, vizibila in plina zi! c) daca masa stelei depaseste 5 MS, avem de a face cu o superuriasa rosie. Acest tip de stea trece si ea prin toate fazele precedente pentru a termina, in general, ca o supernova. Explozia supernovelor arunca in spatiu o cantitate enorma de elemente. Unele elemente, mai grele decat nucleii de fier, se vor regasi in planete; altele se combinǎ cu alte materii reziduale pentru a da nastere, eventual, la alte stele sau planete: astfel, materia stelara se recicleaza… In anumite superuriase, intensa gravitatie forteaza electronii sa patrunda in protoni. Steaua devine atunci o stea de neutroni. Densitatea unei stele de neutroni este necrezut de mare (1010kg/m3) – inchipuiti-vǎ un astru de masa soarelui, dar condensat intr-o sfera de un km de raza! Daca in plus steaua are deja, la origine, o miscare de rotatie, viteza acestei rotatii creste in mod impresionant pentru a atinge pana la 10 rotatii pe secunda! Steaua este atunci numita pulsar, pentru ca emite pulsuri de radiatii cu aceasta frecventa.
In sfarsit, daca presiunea
gravitatiei este si mai mare, forta de repulsie intre neutroni devine
insuficienta pentru a pastra integritatea stelei. Contractia ei se continua
pana cand depaseste o anumita limita (3 km pentru o stea ca soarele). Steaua
devine atunci o gaura neagra. Acest obiect stelar absoarbe orice corp ce
trece prin apropiere. Pana si lumina devine prizoniera a gravitatii, conform
de altfel celor prevazute de teoria relativitatii generalizate a lui
Einstein. d) daca masa fragmentelor initiale depaseste 50 MS, fragmentele se dezintegreaza de la inceput si nu pot deveni stele.
Evolutia unei galaxii Teoria formarii si evolutiei galaxiilor este inca incompleta. Totusi, esentialul este cunoscut. Primele galaxii au aparut curand dupa nasterea universului (la cca. 600 milioane de ani dupa Big-Bang). Pentru a explica formarea unor structuri neomogene intr-un spatiu omogen, umplut de materie si de energie, asa cum era la originea timpului, astrofizicienii fac appel la notiuni extrem de complexe ca «fluctuatii primordiale» (provenind din fluctuatii cuantice in densitatea energeticǎ a universului, in primele faze ale formǎrii sale) sau ca «instabilitati gravitationale», alt concept si mai complex. Se considera ca in univers se gǎsesc sute de miliarde de galaxii compuse de sute de miliarde de stele. O galaxie are o forma relativ plata si este compusa dintr-un disc stelar subtire, dens (contine cele mai multe stele din galaxie), care se invarteste, si dintr-un cearcan luminos (halo sau aura) foarte intins, putin «populat» de stele, care nu se invarteste. Stelele din cearcan sunt mai vechi decat cele din disc si difera ca si continut. Forma lor vizuala variaza: se gasesc roiuri de stele («amas stellaires» sau «globular clusters»), in general de aceeasi varsta, extrem de vechi, aproape cat varsta universului; galaxii in spirala, cele mai frumoase de observat, formate din aglomerarea a mai multor galaxii mai mici si galaxii eliptice, formate din aglomerarea marilor galaxii. Este interesant de notat ca galaxia noastra, Calea Laptelui, are o galaxie «satelit» care se invarte in jurul ei si ca «Norii lui Magellan», o alta galaxie «apropiata», va fi intr-o zi «mancata» de galaxia noastra… Evolutia universului Universul s-a nascut acum cca. 13.7 miliarde de ani (1.37x1010 ani). De unde stim? observand spectrele luminoase ale celor mai indepartate stele, presupunand ca legile naturii sunt universale si lasand locul unei imaginatii controlate. Cea mai importanta lege astronomica observata este cea a astronomului Hubble; spectrul luminos al unei stele este «deplasat» catre rosu proportional cu distanta care ne separǎ de ea, lege care se exprima sub forma ei echivalenta: viteza intre doua puncte in miscare este proportionala cu distanta care le separa! Ceea ce inseamna ca universul – sau cel putin materia continuta in acel univers – se dilata. Invers, la un moment dat, totul se gǎsea deci in acelasi loc, intr-un punct. Intorcandu-ne in timp, gǎsim «varsta» de mai sus. Si acum putem incepe povestea schematizata a universului. La inceput, totul - adica materia, radiatiile si chiar si spatiul - se gasea probabil concentrat intr-un punct. Mai precis, la varsta de 5.4x10-44 s, intregul univers nu ocupa decat o minuscula sfera avand o raza de 1.6x10-35 m (observati precizia!) care se gasea la o temperaturǎ si la o presiune astronomica, inimaginabila. In acel moment – considerat originea timpului (t = 0 s) incepe expansiunea universului (inainte de acea etapa, fizica contemporana este incapabila sa descrie starea universului). La timpul 10-35 s, universul traverseaza o schimbare de faza care provoaca o scurta perioada de expansiune exponentiala numita inflatie cosmica, provocata de «energia vidului», un concept greu de inteles, asociat cu cuantificarea campurilor de forta. La sfarsitul acestei perioade, universul se gaseste sub forma unui «gaz» opac de particule elementare strans cuplate intre ele. Dupǎ aceea expansiunea are loc in mod normal, componentele deplasandu-se acum individual, cu viteze apropiate de viteza luminii. Intai apar cuarcii si gluonii incǎ cuplati intre ei. Apoi, cuarcii se combinǎ intre ei pentru a produce protoni si neutroni. In jurul anului 300 000, temperatura universului a scazut suficient pentru ca protonii, neutronii si electronii sa poata sa se combine intre ei, radiatile se decupleaza atunci de materie si pot strabate spatiul fara a fi perturbate. Aceste radiatii primitive, numite radiatii de fond cosmic, au fost observate si corespund in toate privintele cu previziunile teoriei Big-Bang-ului. In sfarsit, galaxiile se pot forma… Dupa aceea, lucrurile s-au desfasurat «normal» pana in ziua de astazi... In ceea ce priveste viitorul universului, totul este inca posibil in starea cunostiintelor actuale: o continuare a expansiunii, o accelerare, o franare sau chiar o contractare pentru a reveni la punctul de plecare. Totul depinde de existenta si compozitia materiei si a energiei «negre», doua componente propuse, dar inca neobservate. Dar acest subiect ne depaseste deocamdata. In ceea ce priveste intrebarea «Unde se gaseste infinitul mare?» fizicienii raspund «Acolo unde se poate observa, la 13.7 miliarde de ani-lumina, adica la o distanta de 1.4x1026 m!» Viziunea lui Eminescu Eminescu, in Scrisoarea I, a intuit in mod genial crearea universului :
La inceput, pe cand fiinta nu era
nici nefiinta,
Dar de-odata-un punct se misca
…cel dintai si singur.
In acea nemarginire ne-nvartim
uitand cu totul ___________________________ * Materialul acesui articol provine in mare masura din Wikipedia, o enciclopedie pe Web. Pentru cei care doresc sa citeasca o excelenta carte de astrofizica, scrisa intr-un limbaj usor de inteles, recomand «Patience dans l’azur» de Hubert Reeves, Éditions du Seuil, 1981.
NOUTATI DIN CER SI DE PE PAMANT * • Atat pentru studiul fizicii particulelor elementare, cat si pentru aplicatiile industriale, savantii si inginerii intrebuinteaza acceleratoare de particule. Acestea pot fi de mai multe tipuri, dar cele mai performante intrebuinteaza aparate foarte complexe, extrem de costisitoare, bazate pe un sistem de acceleratie provenind din-tr-un pompaj de energie microunda in interiorul unei cavitati a carei lungime poate sa atinga cativa kilometri. Recent, un nou sistem de acceleratie a fost pus la punct in marile laboratoare din SUA si din alte tari din lume. Acest sistem este bazat pe existenta unui camp electric extrem de intens, produs in interiorul unui gaz complet ionizat, de o raza laser care separa electronii de ionii reziduali ai gazului (in general helium). Electronii injectati in acest gaz ionizat capata o energie de cativa GeV (miliarde de electroni-volti) intr-o distanta de 10 cm, in loc de 100 de metri, un castig de un factor 1000 ! • Corpul uman contine circa 100 de milioane de miliarde de celule. Fiecare celula contine aproape de 24.000 de gene. Din acestea, ceva mai putin de 20% sunt «brevetate»! (mai exact, 4382 din 23.688 de gene). Numai Universitatea din California detine 1018 brevete! Acest surprinzǎtor rezultat provine dintr-o decizie a Curtii Supreme de Justitie americane care accepta ca organismele vii sa fie brevetate, cu conditia ca aceste organisme sa fie consecinta unui act uman. Astfel, un soarece purtand o gena strainp implantata este «protejat», din punct de vedere comercial, in SUA, dar nu in Canada si nici in multe alte tari din Europa. Ca de obicei, interesele comerciale intra in conflict cu interesele cercetatorilor care vor ca rezultatele lor sa serveasca umanitatii intregi. Un subiect de mare complexitate legala si probabil de interes medical si social imens. De urmarit. • Timp de ani de zile, cercetatorii s-au ostenit sa micsoreze dimensiunile tranzistorilor, de la un cm pana la o lungime de o milionime de cm. Acum incearca sa reduca si dimensiunile bateriilor. Intrebuintand tehnologii nanometrice (la nivelul milionimei de cm) au reusit sa creeze baterii ale caror electrozi, de o finete extraordinara, sunt compusi din zinc si bioxid de mangneziu, aranjati intr-o structura hexagonala, fara sa fie insa in contact intre ei. Contactul se face indirect, prin intermediul unui electrolit lichid atunci – si numai atunci – cand este nevoie sa se produca electricitate. Aceste baterii sunt atat de mici incat pot fi incorporate intr-un «cip» obisnuit. Aplicatiile posibile sunt numeroase, dar totul depinde de costul de fabricatie, astazi inca ridicat. • Un narval este un mare mamifer acvatic, avand o lungime de circa 4-5 m si o protuberanta asemǎnǎtoare cu cea a unui peste-sabie ( sau «espadon» ), lunga de cca. 2,5 m. Aceasta protuberanta este de fapt … un dinte! Mult timp s-a crezut ca acest dinte serveste la spartul ghetei sau la harponat pestii. Recent, studii facute cu ajutorul unui microscop electronic au aratat ca dintele contine circa 10 milioane de nervi care pleaca de la suprafata lui pentru a se concentra intr-un canal central. Astfel, «dintele» devine un aparat senzorial de mare sensibilitate, putand determina cu multa precizie cele mai mici schimbari in temperatura si presiunea apei, precum si in gradientii de particule legate de salinitatea marii si de prezenta potentiala a hranei. • Ca si cand efectele maririi concentratiei de gaz carbonic (CO2) in aer, cresterea temperaturei medie terestre, schimbarea de climat, retragerea glaciarelor, topirea banchizelor si inaltarea nivelului oceanelor, nu ne-ar fi ingrijorat suficient, un studiu recent arata ca aciditatea apelor de suprafata, ca si cea a oceanelor, a crescut (pH-ul a scǎzut cu 0,1). Nu este mult, dar daca continua, viata acvatica va deveni din ce in ce mai problematica. -------------------- * Informatii culese din Scientific American, vol. 294, no 2, February 2006 si vol. 294, no 3, March 2006 |