Mn. Francesc Nicolau: L'UNIVERS DE LES GALÀXIES (IV)

Quart, i darrer, cicle de cinc conferències sobre el tema “L’univers de les galàxies” pronunciades per Mn. Francesc Nicolau els dies 28 de febrer i 6, 13, 20 i 27 de març de 2012 a la Sala Sant Jordi del Seminari Conciliar de Barcelona.

1ª conferència: GALÀXIES LLUNYANES I MIRATGES ALS CONFINS DE L’UNIVERS

Es consideren galàxies llunyanes les que es troben a més de 2.000 milions d’anys-llum. A aquestes distàncies, lògicament, només  es poden distingir les galàxies més brillants amb un telescopi òptic, o sigui que observem 1/6 part de l’Univers i encara amb dificultats.

Per a poder ampliar el camp d’observació va caldre posar en òrbita uns satèl·lits capaços de captar les grans quantitats d’ones energètiques que rebem dels astres en forma de raigs X, raigs gamma, raigs infrarojos, ones de ràdio… A aquests astres se’ls anomena radiofonts.

Al 1966 es va identificar, per primer cop, una font de raigs X dins de la nostra galàxia: es tractava de l’estrella Sco-1 a la constel·lació de l’Escorpí, a uns 100 anys-llum. A partir de l’any 1970, amb els satèl·lits SAS, es van poder captar moltes més ones que no es pensaven i moltes d’elles procedien de galàxies llunyanes. Amb el satèl·lit HEAO es podien captar els raigs X i els raigs gamma.

L’any 1987 els russos van posar en òrbita el satèl·lit Granat que transportava el Sigma, un aparell dissenyat pels francesos i que captava expressament la radiació gamma procedent d’estrelles neutròniques i forats negres, per la qual cosa es va poder determinar la naturalesa d’aquests astres.

Per a compensar, l’any 1991, els americans van llançar a l’espai el satèl·lit GRO (Compton) per a estudiar amb més precisió les anomenades galàxies de Seyfert  (o AGN) descobertes l’any 1946 i que són galàxies molt actives que emeten quasi tota la seva energia en l’infraroig i de les quals ja es va parlar a la segona conferència del tercer cicle. Amb aquest satèl·lit es dóna seguretat de l’existència de forats negres.

Uns anys abans, al 1985; quan s’observaven cúmuls de galàxies apareixien unes estructures estranyes: es tracta dels arcs gravitacionals que fins l’any 1987 no es constatà que són fruit d’un miratge provocat pel pas de la llum a través d’una gran quantitat de massa que no es veu però que és capaç de desviar els raigs lluminosos, per efecte de la teoria de la relativitat d’Einstein, donant com a resultat una distorsió de la imatge que ens arriba d’una galàxia, de manera que la veiem deformada i engrandida com si l’observéssim a través d’una lent. Aquest efecte confirma que al Cosmos hi ha més matèria que la que es veu: es tracta de la matèria obscura de la qual se’n parlarà en les properes conferències.

Amb el telescopi NTT, els satèl·lits COBE i WMAP, I fins I tot el vell Hubble, han col·laborat a oferir bones imatges dels confins de l’Univers, a uns 12.800 milions d’anys-llum, on s’ha detectat que el fons còsmic no és fred del tot i on també s’ha detectat la presència de ferro, o sigui que la formació de grans estrelles podria haver començat molt aviat, uns 300 milions d’anys després del Big Bang. El jove astrònom Wolfram Freudling va detectar estrelles joves més enllà dels 12.000 milions d’anys-llum.

Als confins de l’Univers s’observa també que quasi totes les galàxies encara estan molt properes les unes a les altres i se suposa que a més hi ha moltes galàxies “nanes” (amb menys d’un milió d’estrelles) i per tant poc brillants i dificils de detectar, perquè també n’hi ha de properes que podem veure i és molt probable que n’hi hagi als confins de l’Univers.

2ª conferència: EVOLUCIÓ DE LES GALÀXIES I GALÀXIES EN COL·LISIÓ

L’observació de les galàxies llunyanes permet als astrònoms d’extreure’n algunes conclusions interessants: com més llunyanes són, emeten més llum i més energia; però no disposem d’informació sobre els astres que, estant a la mateixa distància, irradien una energia més dèbil; per tant el que tenim és una informació parcial i això no dóna gaire pistes sobre l’evolució de les galàxies.

Des que es va conèixer com evolucionaven les estrelles es va voler saber com ho feien les galàxies i si ho feien de la mateixa manera, però aviat es va comprovar que la possible evolució  de les galàxies era molt diferent.

 El 1925, Edwin Hubble examinà unes sis-centes galàxies del Cosmos i veié que eren quasi totes el·líptiques o espirals. Les primeres podien ser des de com una esfera a ser el·líptiques molt excèntriques (7 tipus). De les espirals, podien ser senzilles o barrades; també se les podia subdividir en 3 tipus segons el número de braços. Quasi totes són espirals. Des de l’esfera anirien evolucionant cap a les espirals senzilles i a les barrades, passant abans per les el·líptiques. Tenia raó Hubble?

Disset anys després, Walter Baade examinà les estrelles de les galàxies. En tota la galàxia es distingien dues poblacions en quant a les característiques segons el grau de vellesa: als braços hi haurien les més velles i al centre les més joves. Segons això, la hipòtesi aniria en contrari de la d’Hubble: les dels braços evolucionarien cap a les esfèriques. No pot saber-se la direcció de l’evolució. Podria també ser que fossin tal com es formaren des del Big Bang: no hi hauria evolució en cap dels dos sentits.

La galàxia M-82 és veu molt estranya, pels “filaments” que se’n desprenen. Està a uns 13 milions d’anys llum de la nostra. Hi ha dues zones amb estrelles joves i d’altres amb velles. A aquest fet se li donà l’explicació de ser una galàxia explosiva. Els càlculs posteriors van confirmar que no ho era. El 1960 Lynds va trobar que hi havia una radiofont; anàlisis posteriors indicaren que els espectres eren formats per ratlles d’emissió, degudes al gas escalfat per la radiofont (d’alta energia, unes cent vegades la de la nostra galàxia) degut a estrelles noves que s’estan formant per tractar-se de dues galàxies en col·lisió.

 M-81 també prové de la col·lisió de dues galàxies i Aland Solinger ho corroborà. Ja és podia afirmar que hi ha galàxies “caníbals”: una de gran xoca amb una altra més petita i l’absorbeix. La nostra galàxia podria haver absorbit unes dues o tres de més petites; actualment ho fa en part del gas del Gran Núvol de Magallanes (acció que acabarà d’aquí a uns 20.000 milions d’anys). M-51  és quasi un exemple visual del que farà la nostra galàxia amb el Gran Núvol de Magallanes. El braços d’una galàxia n’hi ha que s’interpreten com el resultat de l’absorció que ha fet la galàxia d’una altra més petita.

Uns 800 milions d’anys després del Big Bang ja es va definir, segons sembla, la mida de les galàxies. Com es formen els núvols generadors d’estrelles? Com es col·lapsen? Com interactuen? Perquè hi ha estrelles de gran massa? Com s’han acumulat els núvols formadors d’estrelles? Les més primitives tenen un àtom d’H per centímetre cúbic, què fa que es produeixi el col·lapse? Segurament serà degut a forces externes, com l’explosió de supernoves que empenten el gas . Les Plèiades són estrelles que encara s’estan formant a partir de gas interestel·lar. N’hi ha d’altres, les estrelles supermassives, que no sabem com s’han format.

L’últim punt és que segons el tros de cel que podem observar (1/6 del real) tot s’hauria fet per atzar, enfront del determinisme (que nega la llibertat). Einstein encara creia en el determinisme físic absolut. Però la teoria quàntica és l’indeterminació de la manera d’actuar de les partícules que ho fan a l’atzar, les galàxies estarien distribuïdes segons la matèria fosca, de la qual s’ignoren les partícules que la formen.

3ª conferència: MATÈRIA INTERGALÀCTICA I MATÈRIA OBSCURA AL COSMOS

La ciència al segle XVIII era cultivada en tots els seus aspectes, però en quant a l’Astronomia ni tan sols tenien consciència del que hi podia haver més enllà de la Galàxia, i és que la ciència dels astres ha progressat molt en els últims anys gràcies a la feina, moltes vegades anònima, de molts astrònoms que aporten els seu gra de sorra per a poder arribar a conclussions molt importants.

Els espais entre estrella i estrella es suposava que no hi podia d’haver res. Dins del nostre sistema, igualment entre els planetes (Lavoisier va dir que era impossible que poguessin caure pedres del cel). Fins el 1803, l’Acadèmia de Ciències de Paris ho creia així. Però aquell any, en el poble de Laigle van dir que hi havia caigut com una estrella; Biot ho investigà i va recollir fragments de la caiguda de meteorit que havia caigut del cel.

El 1911 es va prendre consciència de quelcom més que el fet dels meteorits a l’espai: es llençaren globus i es comprovà que es detectaven radiacions de partícules electritzades. A partir de 1930, es va veure que a l’espectre de les estrelles hi havia anomalies: el raig lluminós de l’estrella havia estat interceptat per molècules. El 1969 es va identificar aigua, amoníac i formaldehid; actualment hi ha identificades més de 80 substàncies, en un 75% de les quals intervé el carboni. També els esclats de les supernoves omple l’espai dels seus residus. En un milió de quilòmetres cúbics hi ha la mateixa massa que a un cabell nostre, però s’ha calculat que és el 10% de la matèria galàctica. Tot això és el que se’n sap de la matèria visible fins ara.

El 2000, però, es va detectar una matèria que multiplicava per sis la coneguda visible. Això es pot assegurar a partir del càlcul de la velocitat del Sol a l’entorn de la Galàxia, que és de 220 km/sg i triga en donar la volta 270 milions d’anys i està a 25.000 anys llum del centre. La velocitat no es correspon al que hauria de ser en realitat per la gravetat que exerceix la matèria detectable, que hauria de ser-ne una sisena part. Si va més de pressa és que hi ha una matèria que no veiem, responsable d’això. Es va fer un estudi de les galàxies del cúmul de Virgo (un dels més estudiats) i, tenint en compte el que es veu i és calculable, va donar exactament igual que la velocitat del Sol a la Galàxia: sis vegades més matèria que la que es veu. Així mateix a la resta de les galàxies. A aquesta matèria se la va anomenar matèria obscura (o matèria fosca) i s’han proposat diverses explicacions sobre la seva naturalesa:

• Nanes brunes: Les ones que arriben del Cosmos són de tot l’espectre visible. Hi ha astres que emeten en l’infraroig (calor) sense ser estrelles del tot, al no tenir prou massa (13 vegades el planeta Júpiter és necessari per començar a irradiar en l’infraroig i fins que no arribi a 2/100 de la massa del Sol, no emeten llum visible.S’anomenen Nanes brunes i fins a uns 10 anys llum de distància, no arriben ni al 5% de la massa de les estrelles visibles. La radiació que fan és la que correspon a una temperatura entre 300 i 3.000ºK. El primer en observar-se fou el 1995. Haurien de superar en molt a les estrelles existents, cosa que no passa.

• Estrelles col·lapsades. Els forats negres, però no arriben al 5% del total de la nostra Galàxia.

• Matèria de naturalesa diferent en la qual les partícules tindrien supersimetria. Degut a aquesta diferent natura, no es podrien captar. Són purament hipotètiques.

• Neutrinos, d’una massa de l’ordre de la milionèsima de l’electró (si és que tenen massa). S’originen molts en les reaccions nuclears intenses, però tampoc són suficients per explicar la massa de la matèria fosca.

De moment, encara no es pot dir res de la matèria obscura. Solament se suposa formada d’unes partícules anomenades WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) i que no se sap el que són.

Els forats negres són el resultat del col·lapse d’estrelles de 3,5 vegades la massa del Sol. Les estrelles del centre de la Galàxia, per la seva velocitat als voltants del nucli, hom suposa que hi ha d’haver un forat negre enorme, d’unes 2,5 milions de vegades la massa del Sol. El centre de la nostra galàxia emet radiacions de tipus X i de gamma, molt enèrgiques. A la M-87 el forat seria d’uns 3.000 milions de vegades la massa del Sol. El 2011 es va descobrir un de 2.000 masses solars a 13.000 milions d’anys-llum de distància, quasi als confins de l’Univers. A les galàxies més petites n’hi ha d’unes 100.000 masses solars.

4a Conferència: ENERGIA OBSCURA QUE ACCELERA L’EXPANSIÓ

Ens diuen els astrofísics que el cosmos es compon en un 72% d’energia fosca, 24% de matèria fosca i un 4% de matèria ordinària. L’energia fosca seria el triple de la matèria fosca. Visualment només coneixem el 4% que és el que hom pot veure. Com s’arribà a aquesta conclusió?

L’energia fosca comença a suposar-se la seva existència per Perlmutter i Riess el 1998. Aquests autors investigaren les supernoves. Aquestes estrelles tenen com a mínim una massa de tres vegades el Sol. Quan acaben el seu hidrogen, fan una mena d’estremituds, degudes a la pugna entre la gravetat i la radiació; quan guanya la primera hi ha una implosió de la massa envers el centre i surt, amb un gran esclat de llum, una gran quantitat de partícules. A les estrelles com el Sol s’hi forma fins al ferro, però a les supernoves es forma fins l’urani (segurament també transurànids, de curta vida). La brillantor d’aquesta implosió pot arribar al d’una galàxia (200.000 milions). La mitjana de formar-se supernoves a la nostra galàxia és de 2 a 4 cada mil anys. A galàxies llunyanes (les que ocupen el mateix espai que ocupa la Lluna a la volta del cel, unes 600.000 galàxies) són moltes més. A 10.000 milions d’anys llum hi havia hagut una supernova que va brillar molt. Al mirar aquelles galàxies tan llunyanes es veu el que passava fa temps; així, en èpoques recents aquelles es separen més ràpid que les antigues. L’explicació estaria en una força que ho accelera degut a una energia potentíssima i que ocuparia les tres quartes parts de l’Univers.

Els investigadors Magueijo i Albrecht van suposar que això podria ser degut a una altra causa, com si la velocitat de la llum hagués variat al llarg del temps. Actualment, aquest supòsit no se’l considera vàlid. El 2001 el telescopi Hubble en òrbita detectà una supernova que corroborava el que havien dit Perlmutter i Riess. El 2002 6 noves supernoves, igualment.

L’energia obscura estaria contrarestada per la gravetat, però a l’anar-se separant, la gravetat aniria minvant i la força hauria crescut. S’han anat trobant més supernoves en altres galàxies i s’ha arribat a la conclusió que l’expansió primer va ser lenta i es va començar a accelerar fa uns 5.000 milions d’anys. L’univers s’inicià fa uns 13.700 milions d’anys i l’acceleració només en fa uns 5.000 milions d’anys.

El 2007, Consolice veu una “mà invisible de l’Univers” –l’energia obscura-, la força més poderosa del Cosmos i que ho modela tot. Les galàxies no es fan més grans perquè la gravetat hi predomina sobre l’energia fosca. Quan es formen les estrelles també és degut al mateix. L’Univers en expansió explicaria la distribució de les galàxies, etc. L’energia obscura encara segueix i impedeix el col·lapse, però fa que l’espai es faci cada vegada més buit. Si l’energia fosca predominés, acabaria disgregant-ho tot (hipotèticament, es clar).

Els partidaris de Planck pensen que l’energia fosca seria deguda al buit quàntic (partícules que es creen i es destrueixen), però calculant aquesta energia, seria molt petita. Altres, seria la constant gamma d’Einstein, el qual suposava que l’Univers era estable i, per tant, caldria una constant còsmica gamma per tal de contrarestar la gravetat

Variaria amb el temps l’energia obscura? Estaria calculat per d’aquí a un 1.000.000.000.000.000 anys quan passaria, al ritme actual. I si la nostre fora una regió de l’Univers pobre en matèria? Podria haver regions més pobre en matèria i altres de més riques? Però, si fos així, els càlculs d’allunyament faria que l’expansió no fos pas uniforme.

El dipol de la Galàxia, trobat per Smoot, podria indicar alguna cosa? Blitz, el 2011 ha publicat un article segons el qual l’energia obscura explicaria qüestions no resoltes encara. La NASA va decidir fer un projecte d’un satèl·lit per aclarir-les, però no estarà llest fins el 2020. Els Europeus tenen en projecte el satèl·lit Planck per estudiar el fons de radiació de microones.

5ª Conferència: FUTUR DE L’UNIVERS I PREGUNTES QUE LA CIÈNCIA NO POT RESPONDRE

Què es pot dir científicament del futur de l’Univers? Sabem que fa uns 5.000 milions d’anys el moviment expansiu va començar a prendre una acceleració, cosa que no va fer durant els 8.700 primers milions d’anys (recordem que l’edat de l’Univers és de 13.700 milions d’anys) i què passarà si segueix accelerant-se?Però no podem assegurar que ho faci indefinidament!

Sabem força bé el passat, però no el que passarà. Hi ha dues possibilitats:

1 -   Que l’expansió segueixi indefinidament (Univers obert)

2 -    Que s’aturi i es torni enrere (Univers tancat)

Això segon es contrari a un Big bang i s’anomena Big crunch.

També s’ha proposat la teoria d’un Univers polsant:que vagi fent expansió i contracció indefinidament. És la teoria dels russos Evgenii Lifshitz i Issak Khalatnikov.

Aquesta teoria té moltes raons en contra, com la llei de l’entropia, segons la qual no es podria mantenir la mateixa energia útil a cada rebot i no podria fer-se el cicle sempre.

Avui dia podem afirmar que el més probable és que l’expansió segueixi indefinidament. El càlcul que cal fer per dir si l’Univers és obert o tancat ha de tenir en compte la magnitud de la massa total que conté així com també el valor de l’energia que provoca la força d’expansió; magnituds que només coneixem aproximadament, però donen, dins de l’aproximació, el resultat d’una expansió indefinida.

Si segueix, doncs, expandint-se, d’aquí 30.000 milions d’anys ja no es podrà veure des d’un planeta com el nostre cap galàxia fora de la nostra perquè les altres hauran passat, amb la seva llunyania, el límit de la visió possible. A més la “nostra” galàxia s’haurà convertit en una sola galàxia perquè s’hauran unit totes les galàxies que formen el grup local. Serà una aglomeració de més de 600.000 milions d’estrelles, però no es podran veure els milions de galàxies restants. Fixem-nos com s’ha arribat al coneixement actual del Cosmos. Es basa en 4 etapes:

1 -   Descobriment que l’Univers no pot ser estàtic: s’ha d’expandir o contraure

2 -   Descobriment de la seva expansió efectiva

3 - Troballa de l’homegeneïtat de l’expansió: la velocitat d’allunyament de les galàxies és proporcional a la seva llunyania, que ens diu que l’Univers s’infla com un globus.

4 - Hi ha una radiació del fons còsmic que confirma la teoria del Big bang i mostra unes inhomogeneïtats que recorden amb la formació inicial de grumolls de matèria (les galàxies).

imatge del fons còsmic

Ara bé: què ha de passar amb les estrelles a mida que passi el temps? Sabem que les de més massa s’aniran convertint en forats negres i les altres acabaran apagant-se. D’aquí a uns cent milions d’anys, l’Univers només contindrà forats negres i astres sense llum. I no podria ser que no s’arribés a això? Caldria que l’expansió s’aturés cosa que passaria si la densitat de l’Univers fos superior a la crítica. La raó entre les dues, que es representa per Ω, val 0,2 (segons càlculs actuals) i no superior a 1, que seria la que faria deturar l’expansió. Hi ha qui diu que aquest valor no és gaire segur perquè s’ha de calcular amb valors que, com la constant de Hubble o la massa total còsmica, només són aproximats, però, així i tot, no es veu gaire possible que s’arribi a 1.

A part del futur de l’Univers hi ha molts altres interrogants cosmològics no resolts: Per què es van formar galàxies després del Big bang i no estructures diferents? Totes les galàxies s’assemblen i també els conjunts d’estrelles es repeteixen! No es podrien haver fet galàxies més grans? Si ens fixem en les galàxies que es veuen a la constel·lació de Coma Berenices que formen un cúmul d’un miler, la pregunta és: per què galàxies separades i no una sola aglomeració? Un altre interrogant és per què el valor de Q (raó entre l’energia que dispersaria els components d’un cúmul i la seva massa) és el que és i no el que en teoria s’esperaria? I com eren les primeres formacions galàctiques? És un interrogant que ni per simulacres per ordinador es pot respondre. I també: per què les constants cosmològiques tenen els valors que tenen, que són exactament els que es necessiten per a poder existir vida en l’Univers? (Només fent variar el valor de la força nuclear forta en una milionèsima els elements químics tindrien unes propietats diferents que ja no podrien compondre les molècules vives! I coses semblants es poden dir de les altres constants, com la massa del protó, la càrrega elèctrica de l’electró,... és el que s’anomena principi antròpic.

Com que aquesta última pregunta suggereix que tot està ben ajustat, ha d’haver-hi una intel·ligència que ho hagi conjuminat, és a dir un Déu Creador, hi ha hagut qui volent defugir aquesta conclusió, a causa de la seva mentalitat atea, ha ideat la teoria del “multivers” o sigui la que afirma que enrealitat existeixen infinitat d’universos i que nosaltres vivim en el que té les constants ideals per a la vida. Entre tants conjunts còsmics no seria estrany que algun d’ells s’ajustés per tal de possibilitar la vida. Aquesta teoria, però no té cap base de comprovació.

Des del punt de vista crisrtià la creació de l’Univers per part de Déu sabem que ha estat un acte d’amor. Déu és Amor i amor és efusió. Ara bé els teòlegs han volgut aprofundir en l’acte creador i un teòleg anglicà, John Polkinghorne, va publicar al 2001 un llibre en el qual es tracta de la Creació com a Kénosis Divina. Aquest mot grec significa buidament o rebaixament (l’utilitza Sant Pau per a indicar l’anorreament del Fill de Déu en fer-se home), i Polkinghorne diu que també es pot aplicar al fet de la creació, perquè Déu, creant s’ha “rebaixat” en els seu poder fent que també hi hagi éssers dotats de llibertat, que poden actuar segons la seva voluntat, com uns co-creadors.

Per fer-ho possible ha deixat que el moviment de les últimes partícules no estigués determinat (recordem l’indeterminisme quàntic, i Planck...) i, fent-ho així, ha permès que hi hagi el mal en el món, per culpa de l’indeterminació i la llibertat humana. Aixó, diu, és una Kénosis de Déu. Sigui el que es vulgui d’això, el que podem dir amb certesa és que és l’amor diví el que fa que nosaltres hi siguem i puguem contemplar la meravella de tot l’Univers.

Les Torres de la Creació a la nebulosa de l'Àliga