Observand cerul in noapte senina si fara luna, vedem o multime de stele inghesuite spre acea fasie albicioasa care parca vrea sa imparta cerul in doua emisfere. Este vorba despre Calea Lactee despre care Galileo Galilei spunea ca este alcatuita dintr-o multime nenumarabila de stele ( vezi foto F1).
De fapt Calea Lactee este un efect de perspectiva, fiind o consecinta a proiectiei stelelor pe bolta cereasca. Toate stelele pe care le observam cu ochiul liber fac parte dintr-un sistem de stele care, in spatiu, ocupa un volum relativ mic. Forma galaxiei se aseamana cu aceea a unei lentile biconvexe sau a unui bob de linte. Daca am privi-o din profil, atunci o vedem sub forma de fus (vezi foto F1). Daca am privi-o "de sus in jos" ni s-ar infatisa in forma circulara.
Avem de-a face cu o familie de circa 200 miliarde de stele- sistemul nostru solar care in literatura astronomica este cunoscut sub denumirea de Galaxia noastra. Termenul de "Galaxie" provine de la denumirea folosita in Grecia antica galaxias kyklos ( cercul de lapte ). Varsta galaxiei este apreciata la 10-14 miliarde de ani.
In componenta Galaxiei intra stelele pitice, gigantele si supergigan-
tele, stele duble si multiple, roiuri stelare, stele variabile, precum si materia stelara.
Stea variabila- stralucirea sa are fluctuatii in raport cu stralucirile celorlalte stele. Stelele duble- sunt alcatuite din doua stele care se influenteaza reciproc. Roiul stelar- este o "pata" luminoasa formata dintr-un numar mare de stele apropiate intre ele 858j91i .
Datele observationale si consideratiile teoretice au aratat ca novele reprezinta o categorie de stele variabile care se caracterizeaza printr-o crestere brusca a luminozitatii si, prin aceasta, o marime considerabila a stralucirii.
Luminozitatea novelor devine de circa 100000 de ori mai mare decat aceea a Soarelui, iar cresterea brusca a acesteia da impresia aparitiei unei stele noi, de unde si denumirea de nova. Se remarca steaua care a erupt in 1918 in constelatia Aquila, numita Nova Aquilae 1918.
Atunci cand eruptiile unor stele sunt mai puternice decat acele care determina fenomenul de nova, avem de-a face cu un fenomen in care luminozitatea stelei creste si mai mult.
Este vorba de asa-numitele supernove, fenomenul respectiv datorandu-se unora dintre cele mai violente explozii cunoscute in Univers.
Intreaga galaxie efectueaza o miscare de rotatie in jurul unei axe ce trece prin centrul ei. Axa este perpendiculara pe planul Galaxiei denumit ecuatorul galactic. Galaxia se invarteste in jurul centrului comun de greutate al sistemului stelar, in apropierea caruia se afla nori masivi de stele. Ea are si o forma de spirala, avand in interior sistemul nostru solar, iar in exterior alte Galaxii-sisteme stelare, printre care cea mai apropiata este nebuloasa spirala din constelatia Andromeda.
Foto 1
2. NASTEREA, EVOLUTIA SI MOARTEA STELELOR
Astronomii presupun de mult timp ca anumite galaxii adapostesc un veritabil monstru. Sunt obiecte cosmice care devoreaza tot ce este in apropierea lor, a caror masa este atat de concentrata ca nu lasa nimic sa scape. Este vorba de gaurile negre pe care teoretic le-a prevazut astronomul Karl Schwarzschild, in 1917, notand ca "in ecuatiile lui Einstein zacea un gol negru".
Ideea de gol negru sau altfel spus gaura neagra, ca obiect astronomic, este mai veche. Inca din secolul al XVIII-lea, Laplace argumenta ca devreme ce lumina este afectata de forta gravitationala, atunci o stea suficient de masiva si-ar putea "sufoca" propria lumina prin intermediul propriei gravitatii, oprind-o sa se propage in spatiu. Iar atunci steaua ar deveni practic invizibila unui observator exterior.
De fapt, gaura neagra este o etapa din istoria unei stele. Dar cum se nasc stelele ?
***
In 1969 , astronomii au observat nasterea stelei V1057 Cygni din constelatia Lebada. Luminozitatea brusc aparuta (vezi foto 2a) in sanul norilor de gaz ( in principal hidrogenul ) se datoreaza fortelor de gravitatie care fac sa se apropie moleculele formandu-se o sfera inca rece ( -260ºC) si intinsa.
foto2a
Contractia se continua in timp de sute de mii de ani. Energia potentiala de interactiune gravitationala este in parte convertita in energie de agitatie termica. Temperatura creste si lumina este emisa. O stea s-a nascut.
Cand temperatura stelei depaseste 107K, reactiile nucleare de fuziune pot demara. Miezul stelei devine un enorm reactor termonuclear, unde hidrogenul este consumat pentru a produce heliu. Cand hidrogenul este epuizat, steaua se raceste, apoi se incalzeste sub efectul contractiei, temperatura atinge 108K. Aceasta "combustie" nucleara produce energie, care antreneaza o dilatare a stelei si transformarea ei in giganta sau supergiganta rosie.
Aceste stele au fost numite astfel :
gigante in cauza amplei dilatari a straturilor exterioare si rosii deoarece temperatura suprafetei este relativ scazuta. Un exemplu de giganta rosie este steaua Betelgeuse, destul de stralucitoare, care face parte din constelatia Orion; chiar privita cu ochiul liber , steaua pare rosiatica.
Ce se intampla dupa ce combustibilul nuclear s-a epuizat ? Evolutia sa ulterioara depinde de masa sa. Luam ca unitate masa Soarelui MS.
Daca masa stelei este mai mica decat 1,5 MS , giganta rosie perde mai multa energie decat produce. Reactiile se opresc, steaua prezinta straturile superficiale luminoase: o nova s-a creat. Partea sa centrala se contracta pentru a forma o pitica alba - o stea avand miezul format din nuclee atomice ( in cea mai mare parte nuclee de heliu ), puternic comprimate, precum si din electronii smulsi din atomii respectivi, asa numita materie degenerata.
Daca masa stelei este mai mare decat 1,5 MS evolutia sa este foarte diferita.
Supergiganta rosie, dupa o faza de pulsatie in care straluceste puternic, se comprima sub actiunea fortelor de gravitatie, energia produsa prin reactii de fuziune nemaifiind suficienta pentru a echilibra aceste forte. Temperatura atinge mai multe miliarde de grade.
Aceasta explodeaza sub forma de supernova (vezi foto F2), gigantescul foc de artificii in care steaua arunca cea mai mare parte a sa in spatiu: invelisul sau gazos si elemente grele create in ultimele minute ale existentei sale.
Simultan, explozia degajeaza o energie uriasa sub forma de radiatii, de circa 1051J. S-ar parea ca moartea unei stele ar fi un eveniment final.
Astronomul Opik a sugerat ca moartea exploziva a unei stele ar putea constitui nasterea altei stele datorita comprimarii unui nor de gaz si de praf interstelar de catre unda de soc provenita din explozie.
Supernova - fenomenul de explozie al unei stele masive (vezi foto F2) este un spectacol deosebit in Univers care incepe cu izbucnirea stelei in flacari, cu o stralucire de multe milioane de ori mai mare decat a Soarelui. Daca se intampla ca supernova sa fie in apropiere, in Galaxia noastra, atunci ea apare brusc ca o noua stea, mai stralucitoare decat oricare altele si usor vizibila cu ochiul liber chiar in cursul zilei.
Schema de formare a unei supernove arata ca dupa ce cea mai mare parte a hidrogenului din miezul stelei a fost convertit in heliu, o stea masiva colapseaza pana ce temperatura sa va creste suficient pentru ca sa devina posibila transmutatia heliului in carbon. Dupa faza de epuizare a heliului, steaua trece printr-o alta etapa de colaps dupa care temperatura va creste in continuare pana ce carbonul rezultat se va transforma, la randul sau, in elemente mai grele. Deci, fiecare reactie termonucleara va genera din ce in ce mai putina energie, astfel ca, in final, echilibrul stelei se strica in favoarea fortelor gravitationale care conduc la colapsarea stelei.
***
Pentru o anumita masa (vezi fig.1) fortele gravitationale vor comprima materialul, aducandu-l intr-o stare superdensa, in care electronii si protonii vor fuziona, formand neutroni. Apoi neutronii vor fi comprimati astfel incat vor constitui un asa-numit "fluid nuclear". Steaua devine o stea neutronica.
Pentru o anumita masa miezul stelei continua sa colapseze pana cand va deveni o gaura neagra, in care caz campul gravitational va fi atat de puternic incat nici materia si nici lumina nu-l va putea invinge.
In galaxia noastra exista probabilitatea ca la fiecare circa 50 de ani sa apara o supernova, insa multe dintre ele sunt atat de departe de noi incat praful interstelar care se afla intre ele si sistemul solar le fac invizibile. O supernova are un efect atat de covarsitor in mediul interstelar incat ramasitele exploziei mai pot fi detectate pentru cel putin 100000 de ani.
Giganta rosie nova pitica
alba
de echilibru este masa Soarelui stea
neutronica
1,5 < M < 4
Supergiganta supernova gaura
rosie M > 4 neagra
fig.1
Ultima supernova vazuta in Europa a explodat in anul 1604 si a produs senzatie. Dar una din cele mai vechi rapoarte a fost supernova din 1054, notata de astronomii chinezi. Azi pe locul acestei supernove se afla un mare nor de gaz, numit Nebuloasa Crab din constelatia Taurus, care se imprastie in spatiu cu o viteza de peste 1000Km/s si care contine restul stelei care a explodat cu peste 900 de ani in urma-timp terestru.
GAURILE NEGRE SI UNIVERSURILE - COPII
Desi conceptul a ceea ce numim astazi gaura neagra are o vechime de peste doua sute de ani, numele de gaura neagra - black hole a fost introdus numai in 1967 de fizicianul american John Wheeler. A fost o lovitura de geniu: acest nume i-a asigurat obiectului respectiv intrarea in mitologia SF. Numele a stimulat cercetarea stiintifica oferind o denumire concreta pentru ceva care inainte nu avusese un titlu potrivit. Nu trebuie deloc subestimata importanta unui nume bun in stiinta.
***
Prima persoana care a discutat problema gaurilor negre a fost John Michell de la Cambridge, care a scris o lucrare despre ele in 1783. Ideea lui a fost urmatoarea: Sa presupunem ca tragem cu tunul vertical in sus de la suprafata pamantului. Pe masura ce proiectilul merge in sus, acesta va fi incetinit de gravitatia terestra. In cele din urma, proiectilul se va opri si va cadea inapoi pe pamant. Dar daca el va porni cu o viteza mai mare decat o anumita valoare critica, atunci nu se va mai opri din miscarea ascendenta si va continua sa se indeparteze. Aceasta viteza critica se numeste viteza de evadare. Ea este de circa 7 mile/s pentru pamant si de circa 100 mile/s pentru soare. Ambele viteze sunt mai mari decat viteza unui proiectil de artilerie, dar sunt mult mai mici decat viteza luminii, care masoara 186000 mile/s. Aceasta inseamna ca gravitatia nu are mare efect asupra luminii; lumina poate scapa fara dificultate de pe pamant sau de pe soare.
Michell a dedus ca ar fi posibil sa existe o stea cu o masa suficient de mare si destul de mica in dimensiuni, astfel ca viteza de evadare sa fie mai mare decat viteza luminii.
Noi nu vom vedea aceasta stea, deoarece lumina emisa de suprafata ei nu va mai ajunge pana la noi, fiind trasa inapoi de campul gravitational al stelei. Vom putea detecta prezenta stelei prin efectul pe care il produce campul sau gravitational asupra materiei din apropiere.
***
Conform teoriei generale a relativitatii, spatiul si timpul impreuna pot fi privite ca formand un spatiu cvadridimensional numit spatiu-timp. Acest spatiu nu este plat, ci distorsionat, curbat de materia si energia pe care le contine.
Putem observa aceasta curbura masurand devierea undelor de lumina sau radio care trec pe langa soare in drum spre noi. In cazul luminii care trece pe langa soare, devierea este foarte mica.
Dar daca soarele s-ar contracta pana la un diametru de cateva mile, curbarea luminii ar fi atat de mare incat lumina care paraseste soarele ar fi trasa inapoi de campul gravitational solar.
Conform teoriei, nimic nu poate calatori cu o viteza mai mare decat a luminii, astfel ca va exista o regiune din care nimic nu mai poate scapa in afara, numita gaura neagra.
Granitele sale formeaza asa numitul orizont al evenimentelor, ce contine lumina care nu poate iesi gaura neagra, dar care ramane rotindu-se la suprafata ( vezi foto 3 ).
Descoperirea stelelor neutronice in 1967 de catre Jocelyn Bell si Antonz Hewish de la Cambridge a constituit dovada pentru existenta gaurilor negre.
O stea cu masa de circa doua ori mai mare decat a soarelui nu poate deveni o pitica alba sau o stea neutronica.
foto 3
In anumite cazuri, steaua poate exploda si expulza destula materie, pentru a-si aduce masa sub aceasta limita. Dar faptul nu se petrece in toate cazurile. Unele stele vor deveni atat de mici, incat campul lor gravitational va devia lumina pana la intoarcerea ei catre stea. Nici o raza de lumina nu mai poate scapa, steaua va deveni o gaura neagra. Cosmologul celebru care s-a ocupat de studiul gaurilor negre este Stephen Hawking care explica " calatoria printr-o gaura neagra" astfel:
Legile fizicii sunt simetrice in timp. Astfel, daca exista obiecte numite gauri negre, in care cad lucruri care nu mai pot iesi in afara, trebuie sa existe alte obiecte din care ies lucruri care nu mai pot cadea inautru. Acestea au fost numite gauri albe.
Se poate considera ca ar fi posibil sa intram printr-o gaura neagra intr-un loc si sa iesim printr-o gaura alba intr-un alt loc. aceasta ar fi metoda pentru a calatori la mari distante.
Dar prezenta navei spatiale ar distruge "gaura viermelui"
( wormhole ) - trecerea care duce de la gaura neagra la cea alba.
Nava spatiala ar fi sfaramata in bucati de forte infinit de puternice. Totul ar fi ca parcurgerea cascadei Niagara intr-un butoi.
Obiectele care au cazut in gaura neagra ajung intr-un univers propriu, numit univers-copil ( baby universe ) care se produce intr-un timp imaginar. In timpul real, astronautul care cade in gaura neagra va fi facut bucatele de diferenta dintre forta de gravitatie de la cap si cea de la picioare. Istoriile lor din timp real se vor sfarsi printr-o singularitate, dar cele din timpul imaginar vor continua. Ele vor trece in universul-copil si vor iesi din nou ca particule emise de o alta gaura neagra. Astronautul va fi transportat intr-o alta regiune a universului, dar particulele care vor fi reemise nu vor mai semana prea mult cu un astronaut.
Nu este prea mare consolarea sa stii ca odata prabusit intr-o singularitate in timpul real, particulele tale vor supravietui in timpul imaginar. Hawking spune ca motto-ul celui care cade intr-o gaura neagra ar trebui sa fie : "Gandeste imaginar!"
Altfel, se poate considera ca gaurile negre sunt niste porti interuniversale prin intermediul carora se poate calatori in universuri paralele - Teoria Multiuniversurilor. Adevarate " aspiratoare cosmice", gaurile negre prezinta pentru multi o atractie deosebita.
In afara interpretarilor matematice date de teoria relativitatii generalizate, cercetatorii au emis si un model intuitiv- o diagrama care are forma unui " pahar" cu partea de sus rasfranta pe o suprafata plana, iar in partea de jos a "paharului" s-ar afla steaua in plin proces de colapsare, tinzand spre stadiul de gaura neagra.
Cu cat procesul de colapsare este mai avansat, cu atat curbura spatio- timpului este mai mare, iar in final steaua dispare complet- calota devine un punct, numit singularitate spatio-temporala.
Partea inferioara a diagramei ( "gaura neagra inversata" ) este reprezentarea unei gauri albe- o inepuizabila izbucnire de materie si energie, o sursa care genereaza materie noua si o arunca in Univers.
4. STEPHEN HAWKING
Acest fizician de exceptie s-a nascut la 8 ianuarie 1942 la Oxford, "la exact trei sute de ani de al moartea lui Galilei", citez spusele sale din cartea scrisa de acesta "Visul lui Einstein". In aceeasi carte acesta marturiseste:
" Dar, la varsta de treisprezece sau paisprezece ani, stiam deja ca
doresc sa fac cercetare in fizica, deoarece era stiinta fundamentala prin excelenta. Si acesta in pofida faptului ca, fiind atat de usoara si de la sine inteleasa, fizica era obiectul cel mai plictisitor din scoala.
***
Chimia era mult mai distractiva, datorita lucrurilor neasteptate care se intampla mereu, cum ar fi exploziile. Dar fizica si astronomia ofereau speranta de a intelege de unde venim si de ce suntem aici. Voiam sa sondez adancimile universului. Poate ca am reusit intr-o mica masura , dar mai sunt atat de multe lucruri pe care vreau sa le stiu."
Se dedica studiului cosmologiei, luandu-si teza de doctorat la cel mai distins astronom britanic la Cambridge, din acea vreme, Fred Hoyle. Curand dupa venirea la Cambridge i s-a pus diagnosticul de SLA, scleroza laterala amiotrofica sau maladia neuronilor motori.
Astazi acest fizician teoretician tine legatura cu lumea printr-un calculator care "vorbeste" in locul lui.
A publicat best-sellerul mondial "Scurta istorie a timpului" care a detronat celebra carte a fizicianului american Steven Weinberg "Primele trei minute ale universului".
In articolul "Mecanica cuantica a gaurilor negre" arata : "Einstein a gresit de doua ori, se pare, atunci cand a afirmat ca "Dumnezeu nu joaca zaruri". Asa cum ne sugereaza examinarea emisiei de particule din gaurile negre, faptul descoperit ca nu sunt total negre, ci lasa sa iasa radiatii, Dumnezeu nu numai ca joaca zaruri, dar le si arunca uneori in locuri unde nu le mai putem vedea".
Contributiile lui Stephen Hawking in studiul gaurilor negre si al Universului l-au asezat in randul celor mai importanti fizicieni teoreticieni ai umanitatii.
|
