Satèl·lit COBE i teoria Big bang

1993/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astronomia

Dades del satèl·lit COBE

Per a aclarir l'evolució que ha tingut l'univers des de la seva creació, per a la majoria dels astrònoms no hi ha més que una teoria Big bang. Segons aquesta teoria, de gairebé tot el segle, l'univers va néixer fa quinze mil milions d'anys amb una gran explosió. A mesura que ha anat apareixent proves teòriques, ha anat prenent força, encara que també hi ha hagut incidents i enemics.

En 1989, el 18 de novembre, el DNA va posar en òrbita el satèl·lit COBE (“Cosmic Background Explorer” o “Explorador del Fons Cosmo”) per a investigar el cel. Durant un període de temps ha enviat dades dubtoses, però l'any passat, després de recollir més de 300 milions d'observacions, ha llançat resultats per a reforçar la hipòtesi del Big bang.

Mitjançant l'anàlisi sistemàtica de les microones de la volta celeste, el satèl·lit COBE ha detectat unes mínimes diferències en la radiació, d'aproximadament 30 milions de graus. Aquestes petites diferències es deuen a les diferències de densitat de la matèria en els límits del cosmo.

El passat 23 d'abril es van presentar els resultats de la COBE en l'Associació Nord-americana de Físics de Washington. Aquest satèl·lit ple de captors mesura les radiacions del fons celeste, és a dir, la radiació cosmològica. És el “soroll de fons” de les radiacions per microones i, en certa manera, la petjada de l'explosió inicial.

Soroll de fons per microones

Registrant la radiació inicial de l'univers, el satèl·lit COBE ha deixat preocupats als astrofísics fins l'any passat. S'han verificat els càlculs realitzats a una temperatura de radiació equivalent (temperatura necessària perquè la radiació del cos negre tingui la mateixa intensitat). La temperatura de radiació equivalent és de 2,735 Kelvin, la qual cosa sembla reforçar la teoria del Big bang. No obstant això, aquesta temperatura era molt uniforme al llarg de l'univers (només existien diferències d'un centenar de graus) i aquesta uniformitat no beneficiava a la teoria. Per a crear galàxies calia haver-hi canvis en la densitat perquè la matèria es recollís pel seu pes.

El soroll de fons per microones en l'Univers és una petjada de la bola de foc de fundació i es pot dir que correspon a una època 300.000 anys després del moment zero. En aquella època, no obstant això, la radiació no havia de ser totalment uniforme. Havien d'haver-hi uns “flocs” de matèria que després es van convertir en galàxies.

El satèl·lit COBE, per tant, com a conseqüència de les pertorbacions en la formació de l'univers, havia de detectar heterogeneïtats en aquesta radiació microones, però no el recollia.

L'univers original i l'actual

Evolució de l'univers després del Big bang o explosió inicial.
(Nota: Per a veure bé la foto anar al pdf).

L'univers inicial, a diferència de l'actual, era totalment uniforme. Amb els ulls o telescopis mirant cap al cel és suficient per a adonar-se que ara hi ha grans estructures tipus galàxia. En tot l'univers hi ha una sèrie de galàxies amb enormes llacunes. No sabem molt bé com va passar l'univers d'una situació a una altra, ja que en l'època detectada pel satèl·lit, en l'època de les galàxies o cuasares, la gravitació no va tenir suficient temps per a crear els grups de materas que es veuen en l'actualitat. La gravitació pot formar una galàxia bastant ràpida, però necessita un punt de partida. El punt de partida pot ser un floc de materi més dens o una irregularitat feta explotar.

Finalment s'han pogut detectar les irregularitats. En augmentar 10.000 vegades les mesures acumulades pel satèl·lit COBE, s'han obtingut petites irregularitats a la temperatura de radiació, de 30 milions de graus. Segons els investigadors, aquestes petites irregularitats es deuen a les petites diferències de densitat que presenta la matèria límit del cosmos. Aquesta matèria estaria composta per un enorme núvol saliva i un gas més lleuger de la zona. Les menors d'aquestes arrugues còsmiques serien de 500 milions d'anys llum.

El responsable de l'equip de satèl·lit COBE, George Smoot, considera que aquestes petites irregularitats o ones detectades en el límit de l'univers són petits fragments de mats que ens mostren les estructures més antigues que d'alguna manera es coneixen. Després de l'explosió inicial es van formar de manera immediata i la densitat de l'univers no ha estat uniforme. La gravitació ha treballat des de llavors concentrant la matèria i creant estrelles, galàxies i conjunts de galàxies. Aquests núvols fronterers, per tant, oferiran llums sobre el sistema de formació de galàxies.

Teoria del Big bang

La teoria de Big bang, que diu que l'Univers va sofrir una gran explosió al principi, deriva d'una equació de la teoria general de la relativitat creada per Einstein, encara que el mateix Einstein creï en l'Univers estacionari. Georges Lemaitre de la universitat de Lovaina va ser qui en 1927 va publicar per primera vegada la teoria del “ou còsmic” i del “àtom inicial”, que després seria la teoria del Big bang. En aquella època l'astrònom nord-americà Slipher va descobrir que les línies estaven desplaçades cap al vermell en els espectres a la llum de les galàxies i es va pensar que podien haver-se d'a aquest efecte Doppler, és a dir, a l'allunyament de les galàxies se'ls augmentava la longitud d'ona. Després l'astrònom Hubble va treure una constant de proporcionalitat entre la velocitat d'allunyament i la distància entre galàxies.

El fet que les galàxies s'allunyessin avui dia, significa que en un temps estaven més pròximes i que tota la matèria de l'univers estava concentrada en un punt. Tenint en compte la velocitat d'allunyament que té ara la galàxia, podem calcular el temps que trigaria a retrocedir fins que tota la matèria estigui unida a aquesta velocitat. L'edat de l'univers és aproximadament de quinze mil milions d'anys.

L'univers, per tant, sorgeix d'una explosió principal, segons la teoria del Big bang. George Gamow, físic soviètic establert a Amèrica del Nord, va ser qui va estendre en 1948 la idea de l'explosió inicial. Deia que l'univers era com una pilota amb confetías en superfície. Com més s'inflava la pilota, més s'allunyaven les confetías.

Soroll de fons i elements lleugers

L'estructura de raigs destaca clarament en la nebulosa d'Orio. És un núvol gegant d'hidrogen. Il·luminada per estrelles calentes i ionitzada per les seves radiacions ultraviolades.

Sabent que les galàxies s'allunyaven entre si, en 1964 els Srs. Penzias i Wilson van trobar una altra prova a favor de la teoria del Big bang en els laboratoris de Bell Phone en Nova Jersey. El físic Robert Dicke va detectar el fons de radiació del cel anunciat. Dick assenyalava que la petjada de l'època en la qual l'univers estava ple de llum havia de romandre avui dia com a radiació de microones (encara que la temperatura de radiació equivalent havia baixat fins als 3K), ocupant tot l'univers. Com qualsevol sistema físic, a mesura que l'univers s'expandeix s'ha refredat. En conseqüència, la radiació estava més calenta en una època. Fa un milió d'anys la temperatura de radiació era d'uns 4.000 K i no podem detectar les radiacions anteriors perquè el gas ionitzat que ocupava l'espai era opac.

Una altra prova a favor de la teoria del Big bang és l'abundància d'elements lleugers en l'univers. Es pot saber quins eren els elements que existien al principi de l'univers analitzant les estrelles més antigues en l'actualitat. La relació entre heli i hidrogen mitjançant espectroscòpia d'aquestes estrelles coincideix amb l'anunciat per la teoria del Big bang per a les reaccions termonuclears immediatament després de l'explosió. De fet, la temperatura dels primers minuts era tan elevada que de l'hidrogen que existia originalment van sorgir altres elements, principalment l'heli.

No obstant això, la teoria del Big bang és una teoria que revela els primers moments de l'univers, però no explica com es van formar galàxies i estrelles en els primers mil milions d'anys. Els astrònoms creuen que saben com va néixer l'univers, però desconeixen les transformacions que s'han produït per a arribar a la situació actual. Hi ha un buit sense resoldre pel que les dades que envia el satèl·lit COBE són tan interessants.