Prima pagină Stiinta

Trei mari mistere ale Universului care încă fascinează omenirea

Alexandru Voiculescu 06.09.2018 | ● Vizualizări: 2879
Credit: 123RF     + zoom
Galerie foto (6)

În drumul său spre cunoaştere, omul s-a confruntat cu multe dileme, care, odată rezolvate (sau parţial rezolvate), au fost înlocuite de altele. Ironic este că acestea pot fi puse sub forma unor întrebări simple. Spre exemplu, cum a început totul? O întrebare deloc nouă, dar nuanţele şi forma în care s-a încercat oferirea unei explicaţii s-au schimbat. În cazul celorlalte două mistere, antimateria şi existenţa vieţii extraterestre, deşi nu sunt atât de vechi, omul a dat de ele tot datorită (sau din cauza) fascinaţiei pentru „exterior” sau pentru ceea ce este dincolo de el.

Această fascinaţie a omului pentru „dincolo” este o trăsătură recurentă, astăzi îmbrăcând o formă modernă cu ajutorul metodei ştiinţifice şi a progresului tehnologic care îi permite explorarea mai facilă a Universului.

Cum a început totul?

Credit: 123RF



Începem, desigur, cu începutul. Istoric vorbind, cu începutul secolului al XX-lea, care a reprezentat şi o revoluţie în lumea ştiinţifică. Un element principal al acestei revoluţii a fost Teoria Big Bang-ului, în care Universul, aşa cum îl vedem noi a început cu o explozie.

Bazele matematice au fost puse de astronomul şi preotul belgian Georges Lemaître în 1927, susţinând că universul în expansiune poate fi urmărit înapoi în timp, provenind dintr-un singur punct. Pe ideea de expansiune a Universului a mers şi Edwin Hubble, care în 1929 a adus primele dovezi empirice, observând că galaxiile se îndepărtează unele de altele.

Alte dovezi au fost aduse de Ralph Alpher şi alţi savanţi în 1948, care au speculat existenţa vestigiilor evenimentului, numită şi radiaţie cosmică de fond. Supa primordială ar fi fost imposibil de observat, pentru că lumina nu putea avea o direcţie coerentă, relatează Space.

Credit: NASA

„Electronii liberi ar fi cauzat ca lumina (fotonii) să se împrăştie în acelaşi mod în care lumina solară se împrăştie din cauza vaporilor de apă ai norilor”, a precizat NASA. După un timp (aproximativ 380.000 de ani), electronii liberi s-au întâlnit cu nucleii, creându-se atomi neutri, astfel lumina a putut fi observată.

Arno Penzias şi Robert Wilson, ambii cercetători la Bell Telephone Laboratories din Murray Hill, New Jersey, construiau un receptor radio în 1965, receptând temperaturi mai mari decât se aşteptau. Iniţial, aceştia credeau că anomalia este cauzată de porumbei, dar aceasta a persistat.

Ce găsiseră aceştia era tocmai radiaţia cosmică de fond, prezisă cu aproape 20 de ani în urmă. În acelaşi timp, o echipă de la Princeton University, condusă de Robert Dicke, încerca să găsească dovezi ale radiaţiei cosmice de fond. Ambele echipe au publicat lucrări în Astrophysical Journal în 1965.

După aceea, radiaţia cosmică de fond a fost observată în multe misiuni. Una dintre cele mai faimoase misiuni a fost a satelitului COBE (Cosmic Background Explorer) al NASA.

În urma acestor date, vârsta Universului a fost stabilită iniţial la 13,7 miliarde de ani, dar în urma observaţiilor lui Max Planck, scoase la iveală pentru prima dată abia în 2013, la 66 de ani de la moartea acestuia, a reieşit că vârsta este de 13,82 de miliarde de ani.

De asemenea, conform NASA, temperatura secundei 1 a Universului ar fi fost de 10 miliarde de grade Celsius. Cosmosul a fost alcătuit dintr-o gamă largă de particule fundamentale precum neutronii, electronii şi protonii. Acestea s-au descompus sau au format noi particule pe măsură ce Universul s-a răcit.

Examinarea radiaţiei cosmice de fond a mai oferit astronomilor indicii cu privire la aceste particule. Cercetătorii consideră că o mare parte din cosmos este alcătuită din materie şi energie care nu poate fi observată de instrumentele convenţionale, ducând la noţiunile de materie şi energie întunecată. Doar 5% din Universul cunoscut este alcătuit din materie precum planetele, stelele şi galaxiile.

Deşi astronomii puteau vedea începuturile Universului, căutau de asemenea dovezi cu privire la expansiunea rapidă. Teoria spune că după prima secundă de la Big Bang, cosmosul s-a extins cu o viteză mai mare ca cea a luminii. Acest lucru nu ar încălca limita de viteză a lui Albert Einstein, întrucât acesta spune că lumina este singura care atinge maximul vitezei în Univers, dar nu se referă la expansiunea acestuia.

Însă o descoperire importantă (şi foarte recentă) a fost aceea a undelor gravitaţionale, realizată în urma observării mişcărilor şi coliziunilor găurilor negre. Aceste unde au fost detectate cu ajutorul LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), începând cu 2016.

Se observă deja că Teoria Big Bang-ului, alături de ideea de expansiune a Universului, s-a ramificat într-o nouă serie de probleme. Una dintre acestea este posibilitatea existenţei multiversului; dacă acest eveniment (Big Bang) a avut loc, nu există nicio restricţie teoretică care să fi împiedicat alte evenimente asemănătoare. Problema multiversului se poate pune şi într-un alt mod. Unii fizicieni au sugerat că în prima fază a inflaţiei, diferite părţi de spaţiu-timp au crescut în ritmuri diferite, ceea ce ar fi dus la formarea mai multor universuri, posibil cu legi fizice diferite.

În acest sens, Alan Guth, fizician la Massachusetts Institute of Technology, a precizat într-o conferinţă de presă din 2014 că „este dificil de construit modele ale inflaţiei cosmice care să nu ducă la un multivers”.

Deşi Big Bang-ul este un eveniment care poate fi observat, cu părţi la 13,82 de miliarde de ani lumină (minus cei 380.000 de primii ani ai Universului care pot fi doar prezişi) care pot fi văzute cu unelte astronomice, acesta reprezintă încă unul din marile mistere ale Universului. Nu ştim dacă sunt mai multe astfel de evenimente, dacă au existat şi altele înainte sau ce a fost înainte de Big Bang. Acestea sunt lucruri care nu sunt încă ştiute, iar ajungerea la răspunsuri satisfăcătoare poate necesita noi abordări, dincolo de modul în care se face cercetare ştiinţifică. Altfel spus, la întrebarea „cum a început totul?”, Teoria Big Bang-ului este ce avem mai bun, dar pentru mulţi, răspunsul este nesatisfăcător sau incomplet.

Suntem singuri în Univers?

Credit: YouTube/20th Century Fox

Doar în Calea Lactee, astronomii estimează că există 100.000 de milioane de stele, astfel, cel puţin statistic, există o mare şansă să nu fim singuri în Univers.

Totuşi, de la mijlocul secolului XX, când interesul pentru găsirea vieţii care nu a fost formată pe Terra a crescut, odată cu începerea erei spaţiale, nu a fost găsită nici cea mai elementară formă de viaţă.

Acest interes îmbracă două forme: una care încearcă să caute viaţă, chiar şi unicelulară, cu ajutorul compoziţiei chimice şi a analizării planetelor în funcţie de habitabilitatea acestora (distanţa faţă de stea care să îi permită existenţa apei lichide), iar alta care caută să transmită/primească semnale radio de la o specie extraterestră inteligentă.

Prima abordare este mai realistă, dar desigur, nici a doua nu trebuie neglijată.

În ceea ce priveşte găsirea vieţii extraterestre în sine, indiferent de forma în care apare, cei de la NASA sunt încrezători.

Recent, aceştia au realizat o „hartă” a căutării vieţii în Univers, o călătorie care implică telescoape prezente şi viitoare. „În viitorul apropiat, oamenii vor putea arăta spre o stea zicând: acea stea are o planetă asemeni Pământului”, precizează Sara Seager, profesor la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge, Massachusett.

Demersul celor de la NASA de a studia alte sisteme planetare a început cu observaţiile telescoapelor de pe Terra, apoi s-au mutat şi în spaţiu, exemple în aceste sens sunt reprezentate de telescoapele spaţiale Hubble, Spitzer sau Kepler. Acestea pot observa numărul de planete care orbitează o anumită stea şi dacă acestea se găsesc la o distanţă propice pentru existenţa apei lichide.

Odată cu lansarea noilor telescoape, datele culese de cercetători vor fi mai exacte, ceea ce înseamnă desigur o creştere semnificativă a şanselor de găsire a vieţii extraterestre.

Acest demers are la bază tehnici care au menirea de a afla, sau simula cu ajutorul modelelor computerizate, compoziţia chimică a atmosferelor corpurilor cereşti şi a exoplanetelor.

În sistemul nostru solar, cel mai mare interes există pentru Marte, unde majoritatea dovezilor şi studiilor de până acum arată că Marte a fost cândva o planetă verde ca a noastră. Roverul Curiosity trimis pe suprafaţa Planetei Roşii a fost de mare ajutor în acest sens, dar şi imaginile din depărtare, care arată o planetă cu văi secate şi alte formaţiuni similare care indică prezenţa apei lichide.

Din păcate, atmosfera planetei nu indică o prezenţă a vieţii marţiene, având doar 0,6 din atmosfera Terrei, iar 98% din compoziţie este dioxid de carbon şi doar urme de oxigen. Marte rămâne totuşi un punct de interes pentru o viitoare colonie umană, fiind şi în vecinătatea planetei noastre.

Cele mai multe şanse de găsire a vieţii extraterestre se află în sistemul nostru solar

Un alt mare punct de interes este oferit de sonda Cassini, care a studiat timp de 13 ani planeta Saturn şi sateliţii naturali ai acesteia. Deşi nu există speranţe că gigantul gazos ar putea susţine viaţa, cu sateliţii săi, lucrurile stau altfel.

Conform Space, din cele 53 de luni confirmate, doar pe sateliţii Enceladus, Dione şi Titan pot exista oceane de apă lichidă sub crusta groasă de gheaţă, iar acestea pot avea condiţiile vieţii aşa cum o cunoaştem, scrie Space.

Pe Enceladus, Cassini a observat încă din 2008 gheizere care ejectau apă amestecată cu amoniac, metan şi dioxid de carbon. În 2014, s-a observat că aceste particule conţin şi săruri de potasiu şi sodiu, ceea ce sugerează un ocean sărat dedesubt. De asemenea, s-au observat în aceste jeturi cristale de silicat, care puteau fi formate numai în apă fierbinte. Astfel, alături de compoziţia chimică favorabilă apariţiei vieţii, mai există şi alte condiţii precum un interior cald. Enceladus este aşadar un candidat ideal pentru găsirea primelor organisme extraterestre. Din păcate, Cassini şi-a terminat misiunea, astfel va mai dura ceva timp până când o nouă misiune va ajunge în acest colţ al Sistemului Solar. O nouă misiune ar putea fi capabilă să detecteze compuşi mai complecşi, precum aminoacizii, care reprezintă piatra de temelie a vieţii.

Gheizerele de pe Enceladus, văzute de sonda spaţială Cassini. Credit: NASA

Titan, care este de 10 ori mai mare ca Enceladus, este şi aceasta o lume oceanică, dar în loc de apă, oceanele sunt formate din hidrocarburi precum metanul, etanul şi propanul. Acestea se găsesc în toate cele trei stări de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă. De asemenea, atmosfera este plină de compuşi organici iar interiorul este cald.

Dione este similară cu Enceladus în termeni de existenţă a apei, dar cu 1.100 de kilometri în diametru, este de două ori mai mare ca aceasta. De asemenea, stratul de gheaţă este mai gros pe Dione, având o grosime de circa 100 de kilometri. Observaţiile culese de sonda Cassini au arătat însă că dedesubt se află un ocean de apă.

Aceste planete acoperite cu gheaţă, iar care în interior conţin apă lichidă nu sunt doar în jurul lui Saturn. Planeta pitică Pluto poate avea un asemenea ocean. Europa, Ganymede şi Callisto, sateliţi ai planetei Jupiter, au un ocean acoperit de gheaţă.

În ceea ce priveşte exoplanetele, studiile sunt mai vagi, din cauza distanţei, astfel, parametrii sunt alţii. Cercetătorii urmăresc să vadă dacă planetele se găsesc în zona habitabilă a stelei şi dacă acestea au dimensiuni asemănătoare Pământului. Un alt aspect esenţial este tipul de stea.

Recent, savanţii NASA au descoperit un sistem planetar aflat la aproximativ 39 de ani lumină, numit TRAPPIST-1, cu şapte planete care orbitează o pitică roşie. Trei dintre acestea se găsesc în zona habitabilă, unde, cel puţin teoretic, apa ar exista. În cazul acesta este doar teoretic, întrucât instabilitatea unei pitice roşii ar face ca radiaţiile acesteia să distrugă orice atmosferă, scrie Space.

Astfel, de reţinut că noţiunea de zonă habitabilă nu promite prezenţa condiţiilor vieţii, ceea ce face căutarea mult mai dificilă.

Căutarea vieţii extraterestre inteligente este o sabie cu două tăişuri

În ceea ce priveşte viaţa inteligentă, acesta este un subiect care a fost deseori contaminat cu teoriile conspiraţioniste. În ciuda acestor lucruri, în 2016, Sloan Digital Sky Survey a detectat semnale bizare provenind de la 234 de stele, scrie Curiosity.

Totuşi, aceste anomalii pot fi cauzate de erori umane sau de interferenţe, deci este încă prea devreme să spunem că sunt extretereştri, dar este timpul potrivit pentru ca savanţii să demareze proiectul numit Breakthrough Initiative, care include mai multe acţiuni, precum Breakthrough Listen, care înregistrează astfel de semnale bizare, Breakthrough Watch, care caută planete precum Terra, Breakthrough Starshot, demersul responsabil pentru încercarea creării unui concept de navă spaţială care ar duce omenirea acolo şi Breakthrough Message, reprezentând iniţiativa de a crea mesaje.

Dacă există într-adevăr ceva acolo, natura curioasă a omului doreşte să afle ce este. Întrebarea este dacă omenirea doreşte să se facă cunoscută. De la lansarea proiectului Breakthrough Initiative în 2015, Stephen Hawking a avertizat că „o civilizaţie care citeşte unul dintre mesajele noastre poate fi cu miliarde de ani mai avansată. Dacă sunt atât de puternici, nu pot vedea ca pe simple bacterii”.

Desigur, aceasta este o opinie, Carl Sagan ar avea cu totul alta.

Deocamdată însă, toate demersurile în acest sens sunt reprezentate de căutari orbeşti, transmiterea unor mesaje în speranţa că cineva le va recepta este singurul lucru care poate fi făcut în prezent. De asemenea, dacă vorbim de transmiterea unui mesaj la o stea care se află, să zicem, la 500 de ani lumină, mesajul va ajunge atunci când probabil omenirea nici nu va mai exista.

Cel mai realist demers pentru găsirea vieţii extraterestre rămâne exploarea spaţiului din proximitate, chiar dacă este vorba numai de posibilitatea găsirii unor microorganisme; tot este mai bine decât nimic.

Am recunoaşte viaţa extraterestră dacă am vedea-o?

Mai mult decât atât, în afară de distanţele şi tehnologia rudimentară (raportată la ceea ce ne imaginăm că ar avea o altă formă de viaţă inteligentă), limita poate fi şi înţelegerea noastră a coneptului de viaţă. O privim doar prin prisma a ceea ce ştim, anume legături de carbon, hidrogen, azot şi oxigen, cu aminoacizii care reprezintă piatra de temelie a organismelor. Altfel spus, am recunoaşte viaţa dacă am vedea-o?

Carol Cleland, un filosof de la Universitatea din Colorado, care a petrecut mai mult de un deceniu examinând literatura ştiinţifică şi filosofică care descria natura vieţii. „Definirea vieţii este o problemă. Dacă aceasta e greşită, ne vom uita la lucrurile eronate şi putem rata toate formele ciudate de viaţă. Chiar şi astăzi, nu ne-am îndepărtat de definiţia aristotelică a veiţii”.

Acum mai bine de 2.000 de ani, Aristotel a definit organismele ca fiind cele care metabolizează (consumă nutrienţi şi elimină resturi) şi se reproduc sexual. Această definiţie a fost extrem de precisă până în mijlocul secolului al XX-lea unde savanţii au aflat detalii despre ADN şi au ajuns la concepţia conform căreia forma de viaţă care predomină în mod clar este cea unicelulară. Multe dintre acestea merg dincolo de ideea aristotelică a vieţii - unele nu consumă nutrienţi. Spre exemplu, un microb marin pe nume Shewanella obţine energie prin utilizarea unor „nanofire” pentru a extrage electronii direct din roci. Unele organisme nu se reproduc sexual, ci se fragmentează direct de la părinte. Unele se comportă ca şi cum ar fi moarte, putându-se afla în hibernare într-o stare cristalină, relatează Air Space Magazine.

Astfel, dacă viaţa terestră este mult mai bizară decât ştiam acum jumătate de secol, cât de ciudată ar putea fi viaţa extraterestră? Această întrebare, mină de aur pentru scriitorii de literatură SF, poate fi un punct de plecare esenţial în demersul ştiinţific de căutare a vieţii extraterestre.

Antimateria

Credit: 123RF

Antimateria, după cum spune şi numele, este opusul materiei normale. Altfel spus, particulele subatomice ale antimateriei au proprietăţi opuse ale materiei normale. Sarcina electrică a acestor particule este inversă. Antimateria a fost creată alături de materie după Big Bang, dar antimateria este rară astăzi în Univers, iar savanţii nu cunosc motivul, relatează Live Science.

Pentru a înţelege mai bine antimateria, trebuie să se cunoască unele lucruri despre materie. Aceasta este alcătuită din atomi, care sunt unităţile de bază a elementelor chimice precum hidrogenul, heliul sau oxigenul. Fiecare element are un anumit număr de atomi: hidrogenul are unul, heliul are doi atomi şi tot aşa.

Universul unui atom este complex şi abundă în particule exotice ale căror proprietăţi savanţii nu le înţeleg pe deplin. Dintr-o perspectivă simplă însă, atomii au electroni, protoni şi neutroni.

În centrul atomului, numit nucleu, se găsesc protonii, care au sarcină pozitivă şi neutronii, care au sarcină neutră. Electronii, care au sarcină negativă, ocupă orbitele din jurul nucleului. Orbitele se pot schimba în funcţie de cât de „excitaţi” sunt electronii (câtă cantitate au).

În cazul antimateriei, sarcina electrică este inversată. Anti-electronii (numiţi pozitroni) se comportă precum electronii dar au sarcină pozitivă, iar antiprotonii sunt cei cu sarcină negativă.

Aceste antiparticule au fost generate şi studiate la acceleratoare de particule precum Large Hadron Collider operat de CERN.

O trăsătură esenţială este că antimateria nu implica antigravitaţia, comportându-se la fel la gravitaţie precum materia normală.

Particulele de antimaterie se creează în coliziuni ultra-rapide. În primele momente de după Big Bang, exista doar energie. Pe măsură ce Universul s-a răcit şi s-a extins, particulele de materie şi antimaterie au fost produse în cantităţi egale. Având în vedere acest aspect, este neclar de ce materia a ajuns să domine antimateria.

O teorie sugerează că ipoteza de la care s-a plecat este eronată, că de fapt s-a creat mai multă materie decât antimaterie, şi chiar şi după anihilarea reciprocă (fenomenul care are loc atunci când o particulă întâlneşte o antiparticulă) a rămas o cantitate suficientă de materie, care a dus la formarea stelelor şi galaxiilor.

Antimateria a fost pentru prima dată prezistă de fizicianul englez Paul Dirac în anul 1928. Acesta a încercat să pună laolaltă teoria relativităţii speciale a lui Einstein, care spune că lumina este cea mai rapidă din Univers şi mecanica cuantică, care descrie fenomenele care au loc într-un atom. Acesta a descoperit că ecuaţiile erau bune şi atât pentru electronii cu sarcină negativă cât şi pentru cei cu sarcină pozitivă.

Deşi Dirac a fost ezitant în ceea ce priveşte prezentarea descoperirii, acesta le-a acceptat, spundând că fiecare particulă din Univers are un frate geamăn. Fizicianul american Carl D. Anderson a descoperit pozitronii în 1932. Dirac a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1933, iar Anderson l-a primit în 1936.

Marea dilemă în ceea ce priveşte antimateria este problema asimetriei. Dacă materia şi antimateria sunt create şi distruse împreună, Universul nu ar trebui să conţină decât energie pură. După ce o porţiune extrem de mică de materie a reuşit să supravieţuiască, o particulă dintr-un miliard, a luat naştere acest Univers. Fizicienii nu ştiu însă ce a determinat existenţa acestei diferenţe de cantitate, conform CERN.

Acceleratorul de particule de la CERN. Credit: Wikipedia

În ultimele decenii, fizicienii au arătat că legile naturii nu se aplică în mod egal la materie şi antimaterie. Cercetătorii au observat că transformările spontane dintre particule şi antiparticule au loc de milioane de ori pe secundă înainte de a se stabiliza. Este evident că ceva s-a întâmplat la începutul Universului care a determinat ca particulele „oscilante” să devină materie mai des decât antimaterie. În mod normal, şansele ar fi trebuit să fie egale.

Ultimele două fraze din paragraful anterior rezumă dilema cu care se confruntă savanţii în ceea ce priveşte antimateria. Din fericire, calea experimentală a savanţilor de la CERN promite multe, având potenţialul de a afla acea particularitate care a făcut ca materia să fie produsă în cantitate mai mare şi astfel, balanţa să se încline în favoarea acesteia.

Vă recomandăm să citiţi şi următoarele articole:

Cele mai mari mistere: 8 obiecte din spaţiu pe care nu le putem explica

Top 10 mari enigme ale Cosmosului

Suntem singuri in Univers? Nu!

Ce a existat înainte de Big-Bang? Oamenii de ştiinţă au elucidat marele mister