Întrebarea despre cum a început Universul și cum se va sfârși a frământat omenirea de milenii. Grecii antici și multe alte civilizații credeau că Universul nostru este etern. Aristotel a fost unul dintre primii oameni care a gândit diferit și a sugerat că Universul este limitat în ceea ce el numea o „sferă celestă". Spre surprinderea tuturor, în jurul anului 1930 s-a descoperit că Universul nu este infinit de vechi, ci are o vârstă finită. Astronomul Edwin Hubble a făcut uimitoarea observație că toate galaxiile se îndepărtează unele de altele. Prin urmare, trebuie să se presupună că au fost mai aproape acum 1000 de ani decât sunt astăzi, și mai aproape acum 1 milion de ani și tot așa. În cele din urmă, la un moment dat în trecut, acum circa 13,7 miliarde de ani, toată materia din Univers trebuie să fi fost comprimată la o densitate și temperatură extraordinar de mari.

Big Bang-ul. Sursa imaginii: Counterbalance Foundation

Deoarece expansiunea din această stare inițială se desfășoară ca o explozie gigantică, această teorie a devenit rapid cunoscută drept Big Bang. Inițial, numele "Big Bang" a fost folosit ironic și inventat de oponenții teoriei, pentru că în anii 1930 multor oameni li se părea de neconceput că universul nu este infinit de vechi. Cu toate acestea, numele Big Bang este folosit de atunci încoace deoarece a stimulat imaginația atât a oamenilor de știință cât și a laicilor.

În prezent, teoria Big Bang-ului este cea mai acceptată teorie a originii Universului — dar este departe de a fi completă. Teoria Big Bang-ului explică cum ar fi putut evolua Universul după crearea sa, dar există mult mai multe întrebări cosmologice. Cum s-a produs Big Bang-ul? Și dacă Universul nostru se extinde, în ce se extinde? Unele dintre aceste întrebări sunt provocări noi și incitante pentru astronomi, în timp ce altele sunt pur și simplu desconcertante. De exemplu, știm ce s-a întâmplat cu Universul după o fracțiune de secundă de la Big Bang, dar nu putem explica pe deplin prima fracțiune de secundă, când spațiul și timpul au fost create. Deci dacă întrebați ce a existat înainte de Big Bang? Ei bine, nimic, pentru că spațiul și timpul nu au existat până la Big Bang, deci nu există niciun înainte al Big Bang-ului și nu exista niciun loc unde să existe ceva.

Teoria Big Bang-ului afirmă că toată materia a existat chiar de la început, dar era toată într-un singur loc. Înainte de Big Bang, nu exista nici timp, nici spațiu. Hubble a descoperit că galaxiile se îndepărtau unele de altele, ceea ce a dus la ideea spațiului în expansiune. Aceasta înseamnă că nu mișcarea galaxiilor în sine le face să se îndepărteze unele de altele. Este spațiul însuși care mișcă galaxiile una de alta.

În Teoria Generală a Relativității a lui Albert Einstein, el explică cum fiecare obiect din spațiu este încorporat în spațiu și este spațiul însuși care se expandă, mărind distanța dintre obiecte. Toate punctele de materie și spațiu se aflau într-un singur punct înainte de Big Bang, ceea ce înseamnă că Big Bang-ul a avut loc pretutindeni.

Poate fi mai ușor să ne imaginăm un balon de cauciuc. Balonul reprezintă spațiul (bidimensional în acest caz). Pe balon se plasează sute de marcatori pentru a reprezenta galaxii. Dacă umfli balonul, marcatorii par să se îndepărteze unii de alții, dar în realitate pielea balonului dintre fiecare marcator s-a întins și a mutat toate „galaxiile" mai departe.

Edwin Hubble și-a dat seama că toate galaxiile se îndepărtau unele de altele observând lumina din surse extrem de îndepărtate. A constatat că această lumină s-a deplasat spre capătul roșu al spectrului vizibil. Aceasta poate fi explicată prin Efectul Doppler, care afirmă că lumina emisă de o sursă care se îndepărtează de observator este observată cu o frecvență mai mică.

O frecvență mai mică înseamnă că lumina observată pare mai roșiatică decât lumina emisă de sursă, iar acest efect se numește deplasare spre roșu.

Ilustrație a Efectului Doppler. Sursa imaginii: epicphysics.com

Efectul Doppler se aplică tuturor tipurilor de unde, dar este cel mai ușor de explicat folosind sunetul. Imaginați-vă o motocicletă care se mișcă spre un observator B. Motorul său emite unde sonore (zgomot) în toate direcțiile, dar, pe măsură ce motocicleta se deplasează înainte, recuperează undele sonore eliberate anterior, ceea ce înseamnă că spațiul dintre fiecare front de undă succesiv devine mai mic. Aceasta crește frecvența undelor sonore, ceea ce înseamnă că B aude un zgomot mai acut. În spatele motocicletei, efectul este invers, cu spațierea dintre fronturile de undă crescând pe măsură ce motocicleta se îndepărtează de observatorul A, care aude un zgomot mai grav.

Lumina va experimenta un efect similar. Pentru obiectele emițătoare de lumină care se mișcă spre observator, undele vor fi comprimate, ceea ce înseamnă o frecvență mai mare și lungimi de undă mai scurte care par albăstrui. Pentru galaxiile care se îndepărtează de noi, lumina va fi deplasată spre frecvențe mai joase (lungimi de undă mai mari) și va părea mai roșie.

Această imagine arată că lumina galaxiilor îndepărtate este roșie în loc de galbenă, deoarece se îndepărtează de noi. Sursă: ESA/NASA

Teoriile despre cum arăta Universul în primele momente sunt foarte speculative, deoarece este foarte dificil să cunoaștem în detaliu lucruri care s-au întâmplat acum 13,7 miliarde de ani.

Știm că la începutul Universului temperatura era atât de mare încât toată materia era dizolvată în particule elementare precum quarcuri, electroni și fotoni. Nu existau nuclee atomice, atomi, stări solide, planete sau stele. În acest moment, doar particulele elementare puteau exista.

La aproximativ o milisecundă după Big Bang, temperaturile se răciseră suficient pentru a permite formarea protonilor și neutronilor prin fuzionarea a trei quarcuri elementare.

Există șase tipuri diferite de quarcuri. Două dintre ele formează aproape toată materia: quarcul up și quarcul down. Trei quarcuri se pot uni fie pentru a forma un proton (2 up + 1 down), fie un neutron (1 up + 2 down).

În 1965, doi oameni de știință americani, Penzias și Wilson, au construit o nouă antenă radio de sensibilitate fără precedent pentru a măsura semnalele satelitare. Au descoperit accidental o misterioasă radiație de microunde provenind din spațiul îndepărtat, dar nu aveau nicio idee despre originea ei. S-a descoperit ulterior că această radiație a fost creată în Big Bang. Se numește radiație cosmică de fond cu microunde și ridică temperatura spațiului de la zero la 2,7 K. Radiația este aproape perfect uniformă în toate direcțiile.

Puteți chiar să observați singur radiația de fond! Oricine a văzut un televizor analogic înainte de a fi corect reglat știe că va afișa „statică" pe ecran. Aproximativ 10% din pâlpâiala pe care o vede cineva se datorează radiației de fond. Bineînțeles, aceasta nu se va întâmpla în cazul televizoarelor digitale.

De unde vine?

După crearea primelor nuclee atomice de hidrogen, heliu și urme de litiu, aceste elemente ușoare au rămas încorporate într-un ocean de electroni care a apărut din momente și mai timpurii din istoria Universului. Fiecare electron poartă o sarcină electrică negativă, în timp ce fiecare proton este pozitiv încărcat. Acești protoni și electroni sunt atrași unii față de alții datorită sarcinilor lor opuse și astfel electronii încearcă să formeze nori în jurul protonilor.

Cu toate acestea, temperatura ridicată dizolva imediat norii și trimitea protonii și electronii pe traiectorii aleatoare. A durat 300.000 de ani pentru ca Universul să se extindă și să se răcească suficient pentru a ajunge la o temperatură la care un nor de electroni să rămână stabil. Nucleele cu electronii însoțitori sunt ceea ce cunoaștem acum ca atomi.

Traiectoriile fotonilor (particulele de lumină) pot fi modificate de coliziunile cu sarcinile electrice, dar ei nu interacționează cu atomii neutri. Prin urmare, fotonii originali ai Big Bang-ului au continuat nestingheriți pe traiectoriile lor odată ce toți electronii au fost incorporați în atomi, iar noi vedem acei fotoni astăzi ca radiație cosmică de fond. Astfel, această radiație oferă o imagine instantanee a Universului la o vârstă „fragedă" de 300.000 de ani.

Figura arată o imagine detaliată a întregului cer al universului tânăr creată din nouă ani de date WMAP. Diferitele culori din această imagine arată că Universul la 300.000 de ani după Big Bang nu era la fel pretutindeni. Diferențele de culoare indică fluctuații de temperatură care corespund semințelor care au crescut pentru a deveni galaxii. Sursă: NASA/WMAP

Există vreo dovadă a Teoriei Big Bang-ului? Într-adevăr, această teorie este susținută de următoarele observații:

1. Expansiunea Universului prin care galaxiile se îndepărtează unele de altele. Aceasta înseamnă că toată materia Universului trebuie să fi fost comprimată la temperaturi și densități extraordinar de mari în momentul Big Bang-ului.
2. Abundența nucleelor ușoare ²H, ³He, ⁴He și ⁷Li poate fi explicată numai dacă se presupune că au fost create în primele minute după Big Bang.
3. Observarea radiației cosmice de fond provenind din spațiul îndepărtat. Originea acestei radiații poate fi explicată presupunând că a apărut la scurt timp după Big Bang.

Timp de aproximativ un miliard de ani după Big Bang, Universul consta doar din hidrogen și heliu în formă gazoasă. Nu existau stele și nici planete. În cele din urmă, unele nori de gaz au început să se prăbușească pe ei înșiși pentru a forma prototsele care au devenit în final suficient de fierbinți pentru a se aprinde, creând primele stele. Din stele s-au format apoi galaxii și planete. Cu toate acestea, Soarele nostru nu s-a format decât după ce generații de stele s-au născut și au dispărut, cu 8 până la 9 miliarde de ani după Big Bang.

Un singur grăunte de praf de la începutul Sistemului Solar. Sursă: NASA

Praful și gazul din jur s-au contopit treptat sub efectul gravitației, pe măsură ce bucățile mai mari atrăgeau bucăți mai mici. Pe măsură ce creșteau, greutatea lor le-a făcut în cele din urmă sferice și au devenit planete.

Suntem norocoși că Sistemul nostru Solar s-a format destul de târziu. Planeta noastră este formată din rocă care nu exista în timpurile mai timpurii ale Universului. Aceste elemente grele au trebuit să fie produse de alte stele și apoi să fie aruncate înapoi în spațiu când stelele au murit. Această materie s-a adunat apoi în jurul Soarelui nostru și a format nu numai Pământul, ci și Mercur, Venus și Marte.

Sistemul solar format din Soare și planete s-a format dintr-un nor de gaz și praf care arăta cam așa. Sursă: NASA

Chiar dacă se poate măsura cât de repede se îndepărtează galaxiile unele de altele, nu este ușor să prezicem ce se va întâmpla în viitorul Universului. Expansiunea Universului este în primul rând alimentată de Big Bang, dar materia din Univers poate atrage gravitațional totul înapoi spre centru.

Există o serie de posibilități și totul depinde de densitatea Universului:

1. Dacă densitatea Universului este mică, atunci atracția gravitațională a materiei din Univers nu va putea depăși expansiunea, deci Universul va continua să se extindă pentru totdeauna. Cu cât densitatea este mai mică, cu atât se poate extinde mai repede. Acesta este cunoscut ca modelul Universului Deschis.
2. Dacă densitatea Universului este mare, atunci Universul se va extinde un timp, dar va încetini pe măsură ce înaintează până când va atinge o dimensiune maximă. Apoi gravitația va atrage totul înapoi până când Universul se va prăbuși înapoi în singularitatea cu care a început — ceea ce numim Marea Prăbușire. Acesta se numește Univers Închis, deoarece are o dimensiune finită și poate duce la un alt Big Bang producând un nou Univers.
3. Dacă densitatea este exact la granița dintre cele două modele — ceea ce numim densitate critică — Universul va continua să se extindă, dar rata de expansiune va încetini.

Figura ilustrează cele trei modele de expansiune a Universului. Observațiile actuale par să susțină modelul Universului Deschis.

Pământul are aproximativ 4.600 de milioane de ani. La început, Pământul era atât de fierbinte încât totul era topit. După 500 de milioane de ani, Pământul se răcise suficient pentru ca oceanele să se formeze și planeta să devină locuibilă. Atunci au apărut primele forme primitive de viață în oceane. A durat apoi un timp extraordinar de lung (aproximativ 4.000 de milioane de ani) pentru ca viața să se dezvolte din primele forme primitive de viață la plante, apoi la animale și în cele din urmă la ființe umane.

Ființele umane locuiesc pe Pământ doar în ultimii 4 milioane de ani. Și doar de mai puțin de 100 de ani omenirea înțelege cum este structurat Universul și cum a apărut în Big Bang.

Condițiile de pe Pământ au fost tocmai potrivite pentru viață. Temperatura este tocmai potrivită pentru apă lichidă, suficient de aproape de Soare pentru a-i folosi energia, oxigen pentru a respira și o lună pentru a ne stabiliza clima.

Această ilustrație reprezintă fenomenele naturale care au creat viața așa cum o cunoaștem pe Pământ. Sursă: California Space Institute

Mulți oameni de știință cred că există viață în afara Pământului. Cu miliarde de alte sisteme stelare, pare absurd să crezi că Pământul este singura planetă capabilă să găzduiască viață. În Sistemul nostru Solar, locurile cele mai probabile unde ar putea exista viață primitivă sunt Marte și una dintre lunile lui Jupiter. Pe Marte există dovezi că apa a existat în trecut, iar oamenii de știință cred că pe Europa, un ocean gigantic se află sub suprafața înghețată.

Începând cu 2011, au fost descoperite peste 500 de planete în afara Sistemului Solar și mai multe planete sunt găsite tot timpul. Pe unele dintre acestea ar putea fi tocmai condițiile potrivite pentru viață. Poate că există civilizații tehnice mult mai avansate decât noi. Cu toate acestea, unii oameni simt că dacă ar exista atât de mulți extratereștri, am fi văzut deja câțiva. Aceasta se numește paradoxul lui Fermi, deoarece Enrico Fermi a formulat primul această idee. Una dintre cele mai plauzibile explicații pentru aceasta este că distanțele uriașe dintre diferitele civilizații avansate nu permit contactul. Chiar dacă ar exista 1000 de civilizații avansate, dacă suntem cu toții la 1000 de ani-lumină unii de alții, este puțin probabil că cineva va veni să viziteze Pământul.

Unii oameni de știință simt că este incredibil de norocos că din toate posibilitățile infinite ale modului în care Universul nostru ar fi putut evolua, s-a întâmplat să evolueze pentru a crea tocmai condițiile potrivite pentru supraviețuirea noastră. De exemplu, la momentul Big Bang-ului exista doar un mic surplus (o milionime) de materie față de antimaterie în Univers. Dacă cantitățile ar fi fost exact egale, toată materia și antimateria s-ar fi anihilat și s-ar fi transformat în radiație, ducând la un Univers plictisitor fără nimic solid, inclusiv noi înșine. Dacă surplusul de materie ar fi fost doar puțin mai mare sau mai mic decât valoarea reală, nicio viață nu ar fi fost posibilă. Dacă ar fi fost puțin mai mare, Universul s-ar fi prăbușit din cauza atracției gravitaționale. Pur și simplu nu ar fi existat suficient timp pentru a dezvolta viața. Pe de altă parte, dacă surplusul de materie ar fi fost doar puțin mai mic, expansiunea ar fi fost atât de rapidă încât nu s-ar fi putut forma nicio structură legată și Universul ar conține doar particule elementare.