Retrat robot de l'Univers

Extracte de “100 qüestions sobre l’Univers” de Joan Anton Català Amigó (Cossetània, 2018)

Selecció a càrrec de Michele Catanzaro

[original en català]

Com de gran és l’univers?

Malauradament, no tenim resposta per a aquesta pregunta, simplement perquè pensem que és tan immens que la major part queda totalment fora del nostre abast d’observació.

Com ja hem explicat, pràcticament tot el que sabem del cosmos és gràcies a la radiació electromagnètica, és a dir, a la llum. És mitjançant l’estudi de la llum, sigui en forma de raigs gamma, raigs X, llum visible, infrarojos, microones o ones de ràdio, que podem conèixer l’existència dels objectes que habiten el cosmos i les seves propietats.

La llum és el viatger més ràpid que té la natura, i res no pot superar la seva velocitat en el buit. Un fotó, la partícula fonamental que compon la radiació electromagnètica, es mou a 299.792 quilòmetres per segon. Si aquesta xifra no us diu res, penseu-ho així: en una mica més d’un segon, un raig de llum completa un viatge a la Lluna. I en un any, la llum salta, ni més ni menys, que 9,5 bilions de quilòmetres, una distància que coneixem com any llum.

Però malgrat aquesta increïble rapidesa, si les distàncies a l’univers són gegantines, fins i tot la llum té dificultats a l’hora de recórrer-les. Així es pot entendre que puguin existir regions de l’univers tan allunyades de nosaltres que no hem pogut observar ni rebre’n cap informació, simplement perquè la llum encara no ha tingut temps d’arribar-nos.

La teoria del Big Bang, millorada amb el model de la inflació, que veurem més endavant, esbossa un cosmos gegantí, molt més enllà del que mai tindrem capacitat d’estudiar. Segons aquest model, l’univers que actualment observem, del qual rebem llum, seria una ínfima part d’un espai molt més gran.

Què entenem per univers observable?

Seria el tros d’univers contingut dins una esfera, al nostre voltant, que contindria tot el que hi podem observar actualment.

Sembla simple, la definició, oi? En realitat, amaga més complexitat de la que un podria pensar en una primera lectura.

Imaginem un objecte, una galàxia, per exemple, situada tan lluny de nosaltres que, en tota la vida de l’univers, la llum encara no hagi tingut temps de portar-nos informació sobre la seva existència. Simplement no sabríem que hi és, no la podríem haver detectat. Doncs bé, diríem que aquesta galàxia queda fora del nostre univers observable, fora de l’esfera.

Podríem calcular la mida de l’esfera? És a dir, de l’univers observable?

Si l’univers fos estàtic, sense expansió, seria senzill. Hem vist abans que li calculem una edat de tretze mil vuit-cents milions d’anys. Per tant, l’esfera tindria exactament un radi de tretze mil vuit-cents anys llum. Qualsevol objecte situat més enllà restaria fora del nostre abans, i la seva llum encara no ens hauria arribat.

Però resulta que l’espai s’expandeix, com ja hem llegit. A la pràctica, això fa que puguem detectar objectes que eren prou a prop quan van emetre la llum que ara ens n’arriba, però que, en realitat, i a causa de l’expansió de l’univers, actualment ja estan situats molt més enllà.

Segons això, la mida de l’univers observable ha de ser més gran que el simple càlcul que hem fet suposant que l’espai era estàtic.

Tenint en compte els ritmes d’expansió mesurats, estimem que l’univers observable té un radi d’uns quaranta-set mil milions d’anys llum.

Fixeu-vos que el concepte d'univers observable no té a veure amb la capacitat tecnològica que tinguem per a observar objectes, és a dir, amb la sensibilitat dels nostres instruments, sinó amb la capacitat teòrica de fer-ho, suposant que no existissin limitacions tècniques.

Tot i obtenir un volum increïblement gran, actualment creiem que l’univers observable és, només, una petita part d’un cosmos molt més immens.

Hi ha una raó de lògica per a pensar això. Abans hem dibuixat mentalment una esfera al voltant de la Terra, però també podríem haver posat aquesta mateixa esfera, de radi quaranta-set mil milions d’anys llum, sobre qualsevol altre punt de l’univers. En altres paraules, per a una galàxia llunyana, el seu univers observable serà diferent, i la seva esfera podrà incloure espai que queda fora de la nostra.

Per què s’expandeix l’univers? L’energia fosca

Encara no resolta, aquesta qüestió és una de les que actualment més atenció centra per part dels científics.

Alguna cosa va posar en marxa el Big Bang, fa uns tretze mil vuit-cents milions d’anys. Una energia que va iniciar l’expansió de l’espai, i que la manté activa. Desconeixem quin tipus d’energia és i quines propietats té, i se l’ha batejat amb l’enigmàtic nom d'energia fosca.

En un principi, es pensava que, un cop iniciada l’expansió i passat un cert temps, l’atracció gravitatòria de tota la matèria del cosmos hauria d’anar frenant-ne el ritme d’expansió.

Però per sorpresa de la ciència, a finals del segle XX es va confirmar, per part de dos grups d’investigadors independents, que l’univers no tan sols segueix en expansió, sinó que ho fa de forma accelerada!

Per tant, sigui el que sigui l’energia fosca, sembla que ha guanyat la partida a la gravetat i que tira del cosmos sense res que pugui oposar-li resistència. Segons tots els indicadors que tenim, sent un dels principals l’anomenat fons còsmic de microones, del qual parlarem més endavant, l’energia fosca representaria, ni més ni menys, que el 68% de tot el que hi ha a l’univers.

Hi ha diverses hipòtesis que intenten explicar quina és la naturalesa de l’energia fosca, però cap no és prou satisfactòria.

És el cas de la que suposa que aquesta forma d’energia podria ser una propietat intrínseca de l’espai. En altres paraules, que el que anomenem espai tindria associada una energia de tipus repulsiu, contrària a la gravetat. D’aquesta manera, un cop iniciada l’expansió, la creació de nou espai provocaria l’acumulació de més energia repulsiva i, per tant, una expansió accelerada.

Una altra teoria diu que l’espai buit, en realitat, és «ple» de partícules virtuals temporals que contínuament apareixen i desapareixen. El gran problema amb aquesta teoria és que quan es calcula, a partir de l’aplicació de la mecànica quàntica, quanta energia proporcionaria l’espai buit a partir de la creació i aniquilació de partícules virtuals, s’arriba a una xifra impossible, cent vint ordres de magnitud més gran que el valor que experimentalment observem per a l’energia fosca. Un error de cent vint ordres de magnitud, és a dir, un u seguit per cent vint zeros, és, sens dubte, l’error més gran que cap càlcul hagi generat en tota la història! La qual cosa no fa més que constatar que encara estem lluny d’entendre què és l’energia fosca.

Finalment, cal dir que l’energia fosca s’assimila a la lletra grega lambda, que apareix a les equacions de la relativitat general d’Einstein. El genial físic va introduir artificialment aquest terme en les seves equacions, però no pas per a explicar l’expansió de l’univers, sinó tot el contrari. Ell pensava que l’univers era estàtic, i la funció original de la lambda havia de ser domar unes equacions que semblaven demostrar que el cosmos no ho podia ser, d’estàtic. Amb el temps, aquesta innocent lletra grega s’ha convertit en la inversa del que Einstein volia, i representa, actualment, un dels grans misteris que la física moderna necessita resoldre. La naturalesa del que està tirant de l’espai. L’energia fosca.

Un globus que s’infla. Així ho entenc millor!

L’expansió de l’univers, un fenomen força complex, encara ho és més si es té en compte que, en realitat, el que genera és l’aparició d’espai.

Quan Edwin Hubble va observar que les altres galàxies s’allunyaven de nosaltres, va deduir correctament que l’univers s’expandia. Però va interpretar erròniament que les galàxies es distanciaven empeses per la velocitat amb què es movien.

La interpretació moderna de l’expansió de l’univers ens diu que no són els moviments propis dels objectes els que provoquen el seu allunyament, sinó l’estirament de l’espai que hi ha entre ells.

Una forma senzilla, tot i que molt simplificada, d’intentar visualitzar aquest fet és imaginant-se un globus de goma sobre el qual hem dibuixat uns petits cercles de color que representen galàxies. Quan comencem a bufar i a inflar el globus, els punts de color se separen entre ells.

Però per què se separen? Si no hem incorporat cap mena de moviment propi als punts que hem dibuixat! De fet, romanen immòbils, allà on eren. La veritable raó de la separació dels punts és la creació de goma entre ells a mesura que el globus s’expandeix. La generació de més espai, on abans no n’hi havia!

L’expansió del cosmos està creant constantment espai. L’està estirant, com la goma del globus.

L’exemple de l’inflable també ens il•lustra dues de les característiques fonamentals de l’expansió del cosmos. Fixem-nos que podríem situar-nos sobre qualsevol dels punts dibuixats i reclamar que són els altres els que s’allunyen de nosaltres. També observem que com més distants estan els punts del nostre, més ràpidament semblen escapar-se.

Les grans agrupacions de galàxies del nostre univers s’allunyen, en obrir-se espai entre elles, sense que hi hagi cap posició privilegiada ni cap centre de l’expansió.

Per on cau el centre de l’univers?

Tal com dèiem quan explicàvem el Big Bang i l’expansió subsegüent de l’univers, el nostre cosmos no té res que s’assembli a un centre.

Encara que sigui molt difícil imaginar-ho, ho reconec, hem de pensar que la creació de l’univers va significar, també, la creació del que anomenem espai. L’expansió de l’univers és, en realitat, la creació de nou espai on abans no n’hi havia (l’exemple d’inflar un globus, en el qual la goma s’estira a mesura que el globus es fa més gran).

Com que l’espai no existia abans del Big Bang, no podem dir que aquest tingués lloc en cap ubicació. I per a descobrir que no hi ha un centre, podem recórrer de nou al senzill exemple del globus: si l’univers és la superfície de l’inflable, veiem que no hi ha cap lloc afavorit. No hi ha un lloc on hagi començat a expandir-se la goma quan he iniciat la bufera. No hi ha centre. Qualsevol posició a la goma és equivalent a qualsevol altre.

Notícies relacionades

¿Què són les tempestes solars?

Aquestes són les feines que porten més infelicitat

El fet que ens costi entendre-ho no ens ha de mortificar. Formem part de l’univers, hi som dins, i estem condicionats per aquest motiu. No podrem sortir mai del cosmos i mirar-nos-el des de fora. Estem limitats a les tres dimensions, i per a nosaltres, el concepte espai sembla immutable. Però no ho ha de ser necessàriament. I la física moderna, basada en la relativitat general d’Einstein, ens dibuixa un espai que és variable, que s’estira i s’arronsa (igual que ho és el temps, com veurem!).

A pesar que l’ésser humà, durant tota la història, s’ha intentat situar en posicions cèntriques a l’univers, el nostre ego ha de donar-se per vençut finalment i acceptar que no som en cap lloc rellevant dins l’estructura còsmica, i menys encara en un pretès centre que, en realitat, no existeix. Potser ens pot consolar que això mateix li passarà a qualsevol altre habitant del cosmos.