Cúmul Galaxy Galaxy LCDCS-0829, tal com ha observat el Telescopi Espacial Hubble. Aquest cúmul de galàxies s’està allunyant de nosaltres i en només uns pocs milers d’anys es tornarà inabastable, fins i tot a la velocitat de la llum. Crèdit imatge: ESA / Hubble i NASA.

Com vam donar sentit a l’abisme còsmic?

Mirar el gran, fosc desconegut va ser un misteri durant milers d’anys. Ja no!

"La ciència no pot dir a la teologia com es pot construir una doctrina de la creació, però no es pot construir una doctrina de la creació sense tenir en compte l'edat de l'univers i el caràcter evolutiu de la història còsmica." -John Polkinghorne

Una mirada al cel nocturn planteja una qüestió de preguntes que qualsevol persona intel·ligent i curiosa pugui preguntar-se:

  • Quins són aquests punts de llum al cel?
  • Hi ha altres sols com els nostres, i si és així, tenen planetes com nosaltres?
  • A quina distància es troben les estrelles i quant temps viuen?
  • Què hi ha més enllà de la nostra galàxia de la Via Làctia?
  • En què consisteix tot l’Univers?
  • I com va arribar a ser així?

Durant milers d’anys, es van tractar de preguntes per a poetes, filòsofs i teòlegs. Però científicament, no només hem descobert les respostes a totes aquestes preguntes, sinó que les respostes han plantejat algunes encara més grans que mai no podríem preveure.

Una cronologia còsmica estàndard de la història del nostre Univers. Crèdit d'imatge: NASA / CXC / M.Weiss.

A excepció d’uns quants cossos del nostre sistema solar que reflecteixen la llum del nostre Sol enrere, cada punt de llum brillant que veiem al cel nocturn és una estrella. Vénen de diferents colors, del vermell al taronja al groc al blanc al blau, i presenten diferents brillants, des de només aproximadament el 0,1% tan brillants com el nostre Sol fins a milions de vegades la brillantor del Sol. Es troben tan lluny que semblen estar a la mateixa posició no només nit rere nit, sinó també any rere any. El primer intent de mesurar les seves distàncies es va basar en un únic supòsit: si les estrelles fossin idèntiques al Sol, quina llum seran? Basant-nos en la comprensió de com afecta la brillantor a la distància, es calcula que l'estrella més brillant del cel nocturn, Sirius, es troba a 0,4 anys llum de distància, una distància tremenda. Si haguessin sabut a la dècada de 1600 quantes vegades era Sirius més brillant que el Sol, l'estimació de la distància s'hauria reduït en menys del 10%.

El nostre sol és una estrella de la classe G. Tot i que els més grans, més brillants són més impressionants, són molt menys en nombre. Sirius, una estrella de classe A, és de 20 a 25 vegades més brillant que el nostre Sol, tot i que les estrelles O, B i A representen només un 1% de les estrelles * totals * de la galàxia. Crèdit d'imatge: usuari de Wikimedia Commons LucasVB.

Que les altres estrelles siguin Suns com la nostra no es va demostrar fins a la invenció de l’espectroscòpia, on podríem il·luminar-nos en longituds d’ona individuals i veure les signatures de quins àtoms i molècules hi eren presents. Al voltant del 90% de les estrelles són més petites i baixes que les nostres, al voltant del 5% són més massives i brillants, i al voltant del 5% són semblants al Sol en la seva massa, mida i lluentor. Durant els darrers 25 anys, hem descobert que els planetes són la norma al voltant de les estrelles, havent confirmat més de 3.000 planetes més enllà del nostre propi sistema solar. La nau espacial Kepler de la NASA és, amb molt, la major eina de recerca de planeta que hem utilitzat mai, descobrint al voltant del 90% dels exoplanetes que coneixem actualment.

Els 21 planetes Kepler descoberts a les zones habitables de les seves estrelles, no més grans que el doble del diàmetre de la Terra. (Proxima b, no descoberta amb Kepler, augmentarà el recompte de 22.) La majoria d’aquests mons òrbites nanes vermelles, més a prop del “fons” del gràfic. Crèdit imatge: NASA Ames / N. Batalha i W. Stenzel.

Mesurant com es mou una estrella a causa del tir gravitatori dels seus planetes, podem inferir les seves masses i períodes orbitals. Mesurant la quantitat d’egels de la llum d’una estrella degut a un planeta que passa per davant, podem mesurar tant el seu període com la seva mida física. Fins al moment, s’han trobat més de 20 mons rocosos i aproximadament de la Terra a les zones “potencialment habitables” al voltant de les seves estrelles, cosa que significa que si aquests mons tenen atmosferes semblants a la Terra, tindran temperatures i pressions adequades per a l’aigua líquida. a la seva superfície Recentment, s'ha trobat a Proxima Centauri, l'estrella més propera al nostre Sol, que potser es troba el planeta més semblant a la Terra, a només 4,2 anys llum de distància.

La representació de Proxima Centauri d'un artista vista des de la porció del cercle del món, Proxima b. Es superaria 3 vegades el diàmetre i deu vegades la superfície que ocupa el nostre Sol. Els Alpha Centauri A i B (mostrats) es podrien veure durant el dia. Crèdit imatge: ESO / M. Kornmesser.

Per mesurar amb precisió les distàncies fins a les estrelles, la millor tècnica és mesurar les seves posicions el més exactament possible al llarg d’un any sencer. A mesura que la Terra es mogui en la seva òrbita al voltant del Sol, viatjant fins a 300 milions de quilòmetres de la seva ubicació sis mesos abans, les estrelles més properes semblen canviar, de la mateixa manera que el polze sembla canviar si la manteniu a la longitud del braç i la tanqueu ull al principi, després obriu-lo i tanqueu-ne l’altre.

El mètode de paralaxis, emprat per GAIA, implica notar el canvi aparent de posició d'una estrella propera en relació amb els de fons més llunyans. Crèdit d'imatge: ESPA / ATG medialab.

Aquest fenomen, conegut com a paralaje, no es va mesurar amb precisió fins a mitjan segle XIX, donant-nos la distància a les estrelles més properes. Una vegada que sàpigues quina distància es troba d’una estrella i mesureu les seves altres propietats, podeu utilitzar aquesta informació per identificar altres estrelles igual que ella i, per tant, determinar fins a quina distància es troba qualsevol cosa que pugueu veure a l’Univers. Podem passar de les estrelles més properes a totes les estrelles de la nostra galàxia a les estrelles a les galàxies més enllà de les nostres fins a les galàxies més llunyanes observables.

El Hub Deep eXtreme Deep Field (XDF), que va revelar aproximadament un 50% més de galàxies per grau quadrat que el camp Ultra-profund anterior. Crèdit d'imatge: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, i P. Oesch, Universitat de Califòrnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universitat de Leiden; i l’equip HUDF09.

Funciona igual que una escala, on trepitgeu el primer escaló i feu servir aquest pas per arribar al següent escaló i cada vegada arribeu una mica més endavant. El satèl·lit GAIA de l’Agència Espacial Europea, llançat el 2013, busca mesurar la posició de paralaxi de milions d’estrelles, donant-nos el “primer escaló” més segur a l’escala de distància còsmica de tots els temps.

Un mapa de densitat d’estrelles a la Via Làctia i al cel circumdant, que mostra clarament la Via Làctia, grans i petits núvols magelànics, i si us fixeu més a prop, NGC 104 a l’esquerra del SMC, NGC 6205 lleugerament a sobre i a l’esquerra de el nucli galàctic, i NGC 7078 lleugerament per sota. Crèdit imatge: ESA / GAIA.

Les estrelles cremen a través del seu combustible tal i com ho fa el Sol: convertint l’hidrogen en heli al seu nucli. Aquest procés de fusió nuclear emet una enorme quantitat d’energia per l’E = mc ^ 2 d’Einstein, ja que cada nucli d’heli que produïu a partir de quatre nuclis d’hidrogen és un 0,7% més lleuger que el que vau començar. Durant els 4.500 milions d’anys d’història del nostre Sol, s’ha perdut aproximadament la massa de Saturn en el procés de brillar el seu camí. Però en algun moment, el Sol i totes les estrelles de l’Univers es quedaran sense combustible al seu nucli.

L’anatomia del Sol, inclòs el nucli interior, que és l’únic lloc on es produeix la fusió. Crèdit d'imatge: NASA / Jenny Mottar.

Quan ho faci, s’expandirà i es convertirà en un gegant vermell, fusionant l’heli en carboni. Encara les estrelles més massives fusionaran carboni en oxigen, oxigen en silici, sofre i magnesi i les estrelles més massives fusionaran silici en ferro, cobalt i níquel. Estrelles com el nostre Sol moriran suaument, descol·locant les seves capes exteriors en una nebulosa planetària, mentre que les estrelles més massives moriran en una explosió de supernova catastròfica, tant reciclant els elements pesats formats dins del medi interestelar.

El nostre Sol tindrà una vida total d’uns 12 mil milions d’anys, mentre que les estrelles de massa més baixa (al voltant d’un 8% de la massa del nostre Sol) cremaran a través del seu combustible el més lentament, viuen més de 10 bilions d’anys: moltes vegades la època actual de l’Univers. Però les estrelles més massives cremen el seu combustible amb més rapidesa; algunes estrelles només viuen uns quants milions d’anys abans de morir i expulsen els seus pesats elements de nou a l’Univers.

El romanent de la supernova N 49, que es troba dins de la nostra pròpia Via Làctia. Crèdit d'imatge: NASA / ESA i The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Aquests elements pesats, com ara el carboni, l’oxigen, el nitrogen, el fòsfor, el silici, el coure i el ferro, no només són essencials per a la vida que ho sabem, sinó per crear planetes pedregosos. Es necessiten diverses generacions d’estrelles vivint, cremant-se pel combustible, morint i reciclant aquests ingredients de nou a l’espai, on ajuden a formar les properes generacions d’estrelles, per donar lloc a un món com la Terra. I aquí, des de la nostra perspectiva, hem pogut mirar cap a l’Univers, no només a través de les grans distàncies còsmiques, sinó també al passat de l’Univers.

La galàxia NGC 7331, amb galàxies més llunyanes i més properes, estrelles en primer pla també en marc. Crèdit d'imatge: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universitat d'Arizona.

El fet que la velocitat de la llum sigui finita i constant, a 299.792.458 m / s, no significa només que hi hagi un retard en l’enviament de senyals a distàncies molt grans. Significa que, mentre mirem objectes que es troben a la llunyania, no els estem veient actualment, sinó com eren en el passat llunyà de l'Univers. Mireu una estrella a 20 anys llum de distància i la veieu com era fa 20 anys. Mireu una galàxia que es troba a 20 milions d’anys llum de distància i la veieu fa 20 milions d’anys.

Galàxies semblants a la Via Làctia com ho eren en èpoques anteriors a l’Univers. Crèdit d'imatge: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University) i l'equip 3D-HST.

Hem pogut mirar tan lluny enrere, gràcies a telescopis poderosos com Hubble, que hem pogut veure galàxies a l’Univers tal i com eren milers de milions d’anys enrere, quan l’Univers era només un pocs per cent del seu actual. edat. Veiem que les galàxies del passat eren més petites, menys massives, de color més intrínsec, formant estrelles més ràpidament i eren menys riques en aquests elements pesants que necessitem per formar planetes. També veiem que, amb el pas del temps, aquestes galàxies es fusionen per formar estructures més grans. Podem ajuntar tota aquesta imatge i visualitzar com ha evolucionat l’Univers fins arribar a ser com es troba actualment.

L’Univers sencer és una vasta web còsmica, on les galàxies i cúmuls de galàxies es formen a la intersecció d’aquests filaments còsmics. Entremig, hi ha vasts buits còsmics desproveïts d’estrelles i galàxies, on la gravitació a les regions més denses ha tret aquesta matèria per utilitzar-la amb altres finalitats. Estem veient que això passa a la nostra escala local avui en dia, a mesura que les galàxies del grup local s’avancen cap a l’altra. En algun moment, entre quatre i set mil milions d’anys en el futur, la nostra veïna gran més propera, Andròmeda, es fusionarà amb la nostra Via Làctia, creant una galàxia el·líptica gegant: Milkdromeda.

Una sèrie de fotografies que mostren la fusió de la Via Làctia i Andròmeda, i com el cel apareixerà diferent de la Terra a mesura que passi. Crèdit d'imatge: NASA; Z. Levay i R. van der Marel, STScI; T. Hallas; i A. Mellinger.

Mentrestant, l’Univers continua expandint-se, cap a un destí més fred, buit i més llunyà. Galàxies més enllà del nostre grup local es retrocedeixen de les nostres i de les altres. Les coses que estan lligades gravitatòriament (planetes, estrelles, sistemes solars, galàxies i cúmuls de galàxies) romandran units entre si mentre les estrelles cremen al nostre Univers. Però cada grup de galàxia individual o cúmul es retrocedirà de totes les altres, a mesura que l’Univers es fa més fred i solitari a mesura que passa el temps.

Els quatre possibles destins de l’Univers amb només matèria, radiació, curvatura i una constant cosmològica permesa. L'evidència es basa en el

El que vol dir, si tornem al principi, i ens preguntem com ha estat tot, tenim:

  • un univers observable que va començar amb un estat càlid, dens i majoritàriament uniforme conegut com el Big Bang;
  • que es va refredar, permetent que la matèria i l’antimateria s’aniquilin, deixant només una petita quantitat de matèria;
  • es va refredar encara més, permetent que protons i neutrons es fusionessin a l’heli sense desfer-se;
  • que es va refredar encara més, permetent crear àtoms estables i neutres;
  • on les imperfeccions gravitacionals van créixer i créixer, el que va provocar que el gas s'agrupava en algunes regions, que es va convertir en prou dens per formar les primeres estrelles;
  • on les estrelles més massives van cremar el seu combustible, van morir i van reciclar els seus elements més pesats fins al medi interestelar;
  • petits cúmuls d’estrelles i galàxies es van fusionar i van créixer, provocant noves ones de formació d’estrelles;
  • on al cap de milers d’anys, es formen noves estrelles amb planetes rocallosos i els ingredients per a la vida;
  • on les galàxies que les allotgen van créixer en els gegants espirals i el·líptics que tenim avui;
  • i on, a 9.2 mil milions d’anys després del Big Bang, es forma un cúmul d’estrelles en una galàxia espiral aïllada, on el 2% dels elements són ara més pesats que l’hidrogen i l’heli;
  • un dels quals passa a ser el nostre Sol;
  • i on, després d’uns 4.54 (més) milers d’anys addicionals, sorgeix una espècie intel·ligent que pot començar a unir les peces de la nostra història còsmica, entenent d’on venim per primera vegada.
El fresc de Bertini de Galileu Galilei que mostra al Doge de Venècia com utilitzar el telescopi, 1858.

Hi ha moltes coses que hem après, i hi ha més profunditat per explorar totes aquestes qüestions. (El meu primer llibre, Més enllà de la galàxia, fa exactament això.) Sí, hi ha preguntes en què encara estem treballant, com ara com va arribar a ser l’assimetria matèria / antimateria, com es va crear i començar el Big Bang i com , exactament, l’Univers assolirà el seu destí final. Però a les preguntes de com es veu l’Univers, com va ser així i què fa físicament, s’han respost: no per filòsofs, poetes o teòlegs, sinó per l’esforç científic. I si s’han de respondre les noves grans preguntes –les que responen les preguntes anteriors grans plantejades–, tornarà a ser ciència que ens mostri el camí.

Aquesta publicació ha aparegut per primera vegada a Forbes, i els vostres seguidors de Patreon els proporcionen sense publicitat. Comenta el nostre fòrum i compra el nostre primer llibre: Beyond The Galaxy!