Spre deosebire de stelele variabile cu eclipsă, există şi stele
a căror strălucire variază din cauze interne. Strălucirea stelelor
variabile cu eclipsă se modifică periodic din cauză că în punctul
luminos se află de fapt două stele apropiate care evoluează una în
jurul celeilalte şi se eclipsează reciproc. Iar dacă planul orbitei
lor se află foarte aproape de direcţia observatorului, acesta poate
constata variaţia strălucirii (a se vedea şi O viaţă dedicată cercetării
ştiinţifice). Prototipul stelelor a căror strălucire
variază din cauze interne este Delta din constelaţia Cephei.
. . . determinarea distanţei la
stele este (şi încă rămâne) una din sarcinile cele mai dificile ale
astronomiei. O stea strălucitoare care este foarte distanţată poate
arăta identic cu o stea întunecată care este mai apropiată. Această
confuzie a fost sursa a multe duşmănii şi mari controverse în
astronomie. Pentru a rezolva problema, Hubble a avut nevoie de o
candelă standard, un obiect care să emită aceeaşi cantitate de
lumină oriunde în univers. (De fapt, o mare parte din
eforturile cosmologiei zilelor sale au constat în încercarea de a
găsi şi calibra astfel de candele standard. (Michio Kaku)
Delta Cephei este una din stelele nu prea depărtate faţă de
Soare. Se află pe cer în apropierea stelei polare. Variaţia
strălucirii ei a fost descoperită încă în secolul XVIII. Variaţia
este datorată unei pulsaţii, care îi modifică atât magnitudinea cât
şi culoarea. În câteva zile strălucirea stelei creşte rapid, cu
până la 2 magnitudini şi apoi scade lent. Cefeidele au mase
mari, de la 3 la 30 de ori masa soarelui. Ele sunt stele
gigant.
Să pomenim câteva lucruri suplimentare despre stele, lucruri
necesare pentru a ne apropia mai mult de problema pe care o
dezbatem.
O stea este un nor de gaz globular, menţinut astfel de
gravitaţia proprie. În timpul majorităţii timpului de viaţă al
stelei, căldura internă şi radiaţia proprie este produsă de
reacţiile nucleare care se petrec în apropierea centrului său.
Majoritatea stelelor din Galaxia Calea Lactee, inclusiv Soarele
nostru, Sirius şi Alfa Centaurii, sunt stele relativ asemănătoare
care se grupează cu preponderenţă pe aşa numita secvenţă
principală. Pentru ilustrare, vom lua drept comparaţie Soarele.
Diametrul sferei solare este de 109 ori cât cel al Pământului.
Soarele are o masă de 330.000 ori cât cea a Pământului. Este
semnificativ faptul că masa Soarelui cuprinde 99,86 % din masa
întregului sistem solar. Soarele este o stea galbenă cu o
temperatură de 5800 grade Kelvin şi este alcătuit din trei sferturi
hidrogen şi un sfert heliu. Gravitaţia la suprafaţa Soarelui este
de 28 ori mai mare decât cea de la suprafaţa Pământului.
Şi acum, putem vorbi despre caracteristicile esențiale ale
stelelor secvenţei principale, care sunt următoarele:
de la 0,13 la 40 mase solare,
de la 0,13 la 18 raze solare,
de la 0,0008 la 500.000 luminozităţi solare şi
temperaturi de la 3000 la 38.000 grade Kelvin.
În figura care urmează sunt ilustrate stelele în funcţie de
temperatură şi de luminozitate. Se mai pot vedea, în afară de
stelele majoritare (aşa numitele stele ale Secvenţei Principale),
stele gigante, stele pitice albe şi roşii şi locul Soarelui nostru,
aflat pe secvenţa principală.
Diagrama Hertzsprung-Russell.
Diagrama Hertzsprung-Russell (HR) are o foarte mare importanţă,
în primul rând pentru cercetările de evoluţie stelară. Pentru a
calcula luminozitatea stelelor trebuie să cunoaştem bine distanţa
stelelor. Nu putem compara stelele între ele dacă nu cunoaştem
distanţa la ele. Dacă am considera ceea ce vede omul cu ochiul
liber ar trebui să spunem că Soarele este obiectul cel mai
strălucitor, deşi Soarele nu este cea mai strălucitoare stea din
Galaxie. Strălucirea sa relativă este mare din cauza apropierii
sale. Distanţa la stele şi galaxiile de care ele aparţin, este
necesară pentru studiile de cosmologie.
Majoritatea timpului de viaţă al unei stele este petrecut în
secvenţa principală. Soarele are deja 5 miliarde de ani petrecuţi
în secvenţa principală şi va mai rămâne acolo tot atâta timp până
ce va evolua către o stea gigantă, care va depăşi în dimensiune
orbita lui Jupiter.
Acum, să revenim la problema determinării distanţelor până la
stele. Metoda folosită în astronomie încă de la început a fost
bazată pe modul de percepere a distanţelor, utilizat şi de ochii
omului. Folosirea de doi ochi pentru vedere înlesneşte vederea în
spaţiu, bazată pe considerarea aşa numitei paralaxe a obiectelor
aflate la distanţe diferite. Cu cât obiectul se află la distanţă
mai mare, unghiul sub care este acesta observat (paralaxa), este
mai mic.
De ce omul şi majoritatea fiinţelor vii de pe Pământ au doi
ochi, este altă problemă. O chestiune de supravieţuire. Încă prima
celulă vie (cea dotată cu fond genetic) a trebuit să se adapteze la
gravitaţia terestră pentru motive de asigurare a echilibrului şi
aceasta s-a dezvoltat şi a evoluat în continuare adoptând o
simetrie bilaterală. Apoi sensibilitatea la lumină s-a transformat
în vedere. Dezvoltarea vederii, a dus la sfârşitul perioadei
cambriene la o dezvoltare nemaipomenită a trilobiţilor, comparabilă
poate doar cu dezvoltarea dinozaurilor din cretacic. Animalele
dotate cu vedere binoculară puteau să-şi procure hrana mai uşor
decât acelea doar sensibile la lumină.
Şi în astronomie, a început să se calculeze distanţa la stele
folosind paralaxa. De data aceasta în loc de baza de observare a
omului - distanţa dintre cei doi ochi - s-au folosit observaţii
efectuate în două poziţii diferite ale Pământului, pe orbita de
revoluţie în jurul Soarelui. Folosind această bază de lucru, şi pe
măsură ce puterea telescoapelor a crescut, s-a putut constata că
unele stele prezentau o deplasare relativă faţă de alte stele. La
fel cum privind pe fereastra unui tren în mişcare, observăm
deplasarea laterală a unui pom mai apropiat faţă de alţi pomi mai
depărtaţi şi aceştia, la rândul lor, faţă de munţii aflaţi la
orizont. S-a dedus mai întâi că, stelele care aveau o deplasare mai
mare sunt mai apropiate de Pământ, cele cu o deplasare mai mică
sunt mai depărtate iar cele cu deplasare nesesizabilă sunt cele mai
depărtate. Pentru măsurarea unei paralaxe mai precise s-au făcut
măsurători cu o bază tot mai mare. Aceste măsurători au fost făcute
în poziţii ale Pământului diametral opuse faţă de Soare, de exemplu
o observaţie în ianuarie şi alta în iulie. Adică baza de observare
a atins de două ori distanţa de la Pământ la Soare. Steaua cea mai
apropiată de Pământ care a fost astfel măsurată a fost Proxima
Centauri, situată la 4,2 ani lumină (44 trilioane km) . Un an
lumină, unitate de distanţă folosită în astronomie, semnifică
distanţa parcursă de lumină, în timp de un an, lumina având o
viteză de 300 000 km/sec.
Tot ceea ce ştim despre cerul înconjurător ne este dat de lumina
stelelor. Odată cu mărirea puterii telescoapelor s-a ajuns să se
vadă şi obiecte dincolo de Galaxia Calea Lactee.
Metoda paralaxei se aplică însă la stele mai apropiate. Paralaxa
pentru Alfa Centauri este 0,74 secunde de arc. Ieşirea în afara
atmosferei a prilejuit măsurători mai precise. Astfel, cu satelitul
artificial Hipparcos, lansat în 1989, s-a reuşit a se măsura 118
milioane de stele cu o precizie sporită, de 0,001 secunde de arc,
ajungându-se la măsurarea distanţelor stelelor situate până la 500
ani lumină faţă de Soare.
Dependenţa care s-a constatat la cefeide, între luminozitatea şi
perioada lor de pulsaţie le-a conferit dreptul de adevărate candele
standard pentru determinarea distanţelor extragalactice, unde
metoda paralaxei nu se mai poate aplica cu precizie.
Există multe obiecte pe cer care concură la determinarea şi
ameliorarea continuă a preciziei măsurătorilor de distanţe. Se au
în vedere: binarele vizuale, binarele cu eclipsă, stelele variabile
de tip RR Lyrae, gigantele roşii, cefeidele, novele, supernovele,
etc. În continuare, să revenim la Edwin Powell Hubble (1889-1953).
Când el a găsit o cefeidă în Galaxia Andromeda, a fost convins că
poate determina distanţa la această galaxie. Distanţa de 1 milion
de ani lumină determinată astfel, a însemnat că galaxia Andromeda
este dincolo de Galaxia Calea Lactee (ulterior s-a arătat, prin
observaţii mai precise, că distanţa este de fapt dublă). Când
măsurătorile s-au înmulţit, a putut găsi şi alte galaxii şi mai
depărtate. Deci Galaxia Calea Lactee nu este singura în Univers.
S-a constatat ulterior că firmamentul este plin de astfel de
corpuri cereşti, milioane sau miliarde la număr. Folosind efectul
Doppler, s-a măsurat deplasarea spre roşu a spectrului lor şi s-a
ajuns la concluzia că aceste galaxii exterioare se deplasează cu
viteze diferite. Hubble a calculat aceste viteze şi a ajuns la
concluzia că viteza de expansiune este cu atât mai mare cu cât
galaxia este mai depărtată. Estimarea iniţială a lui Hubble, că
Universul ar avea nu mai mult de 1,8 miliarde de ani a produs
dureri de cap cosmologilor. Cum ar putea Universul să fie mai tânăr
decât Pământul? Numai din motive geologice, Pământul are mai mult
de 4 miliarde de ani. Nu mică a fost mirarea, când cu cele mai noi
şi mai precise instrumente, de data aceasta în zilele noastre, s-au
putut determina distanţe până la . . . 15 miliarde de ani lumină.
Deci problema comparaţiei cu Pământul s-a rezolvat, dar au apărut
alte semne de întrebare.
Universul nu este mai straniu
decât presupunem noi, el este mai straniu decât putem noi
presupune. (J.B.S. Haldane citat de Michio Kaku) - vezi
nota 1
Cu cât obiectul a cărui distanţă dorim s-o determinăm este mai
depărtat, apare în spectrul măsurat deplasarea spre roşu,
comparativ cu spectrul obiectelor mai apropiate, unde această
deplasare spre roşu este mai mică sau chiar insignifiantă. La
începutul măsurătorilor de spectre stelare, necesare în studiul
evoluţiei acestora, acest lucru necesita corecturi, înainte de a
introduce steaua în diagrama HR. Ulterior când s-a constatat că
deplasarea spre roşu are legătură cu expansiunea obiectelor
extragalactice, aceasta a început a fi folosită cu discernământ în
determinarea expansiunii universului.
Să ne referim acum la constanta lui Hubble. Tot aşa cum poliţia
poate determina vitezele automobilelor care depăşesc limita legală,
folosind o undă radar şi măsurând efectul Doppler (modificarea
frecvenţei în funcţie de viteză), tot aşa şi în astrofizică se
poate folosi deplasarea spre roşu, din spectrul electromagnetic
măsurat (optic sau radio) al obiectului ceresc, pentru a stabili
viteza de expansiune. Hubble a constatat că viteza de expansiune
raportată la distanţă este o constantă.
În anul 2003, s-au obţinut date cu o precizie fără precedent,
asupra energiei uriaşe emise în explozia iniţială, care a dat
naştere Universului nostru. Acest lucru a devenit posibil cu
Satelitul artificial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).
Acesta a înregistrat o fotografie a cerului care arată radiaţia de
microunde care a creat aşa numitul Big Bang. Pentru prima dată,
multitudinea datelor furnizate a permis cosmologilor să răspundă
precis la majoritatea întrebărilor, care au intrigat umanitatea de
la prima ridicare a privirii către minunea cerului înstelat. Să nu
uităm că lumina Lunii are de parcurs o secundă până la Pământ.
Lumina Soarelui parcurge distanţa la Pământ în opt minute. Tot aşa,
lumina stelelor vizibile cu ochiul liber, are nevoie de 10 până la
100 de ani ca să ajungă până la noi. Lumina galaxiilor exterioare
are nevoie de milioane sau chiar miliarde de ani de parcurs ca să
poată fi recepţionată. Adică, noi vedem ceva ce s-a petrecut în
urma noastră în timp. Este vorba de o 'lumină fosilă', care a fost
emisă cu mult înainte de apariţia trilobiţilor sau a dinozaurilor.
Quasarii sunt obiecte aflate la 12-13 miliarde de ani lumină.
WMAP a detectat lumina emisă de Universul în formare la
numai 380 000 de ani de la Big Bang. Vârsta Universului a putut fi
precizată, la 13,7 miliarde de ani. În plus, confirmând unele
experimente anterioare, satelitul WMAP a arătat că materia pe
care noi o putem decela constituie doar 4% din conţinutul total de
materie şi energie din univers, dacă ne referim la hidrogen şi
heliu, şi doar 0,03 % elemente grele! Restul, marea
majoritate, este un material invizibil, total necunoscut ca
origine. Conform WMAP, 23 % din Univers este constituit din aşa
numita materie neagră nedeterminată, care are greutate şi
înconjoară galaxiile printr-un halo gigantic, invizibil. În cazul
galaxiei noastre acest halo depăşeşte de zece ori locul stelelor.
Tocmai această materie neagră este socotită a fi aceea care creează
forţa anti-gravitaţională care dirijează expansiunea galaxiilor. Se
poate prefigura, de asemenea, un Univers plat ca formă. Dar, încă
nu se poate explica ce a cauzat explozia iniţială. Se discută de
asemenea de un Univers multiplu şi de Universuri paralele, aflate
în diferite stadii de dezvoltare, asemenea unui lichid care fierbe
şi produce bule.
. . . ştim că galaxiile se
îndepărtează una de alta (aşa numita expansiune a universului).
Putem măsura viteza de expansiune (care nu este constantă în timp).
Putem de asemenea extrapola înapoi în timp şi să ne întrebăm cât de
mult a trecut de când toate galaxiile erau atât de apropiate una de
alta, încât, practic, se atingeau. Iar acel moment ar fi cu
siguranţă, chiar dacă nu ar reprezenta neapărat momentul naşterii
Universului, cel puţin o circumstanţă neobişnuită sau singulară, de
la care am putea începe datarea timpului. Acest număr depinde de un
număr de evaluări, dar este de aproximativ 14 000 de milioane de
ani. Pe de altă parte, perioada de timp necesară pentru evoluţia
vieţii inteligente în univers - dacă suntem unici şi ne definim
fără modestie drept purtătorii vieţii inteligente (ceea ce ar putea
fi valabil şi pentru alte forme de viaţă: primate, delfini, balene
etc.) - este de 14 000 de milioane de ani. Ce reprezintă acest
număr? De ce coincid aceste două numere? (Carl Sagan)
Perioada de timp necesară pentru evoluţia vieţii inteligente
aparţine ultimelor 5 miliarde de ani din istoria evoluţiei
Universului: timpul necesar evoluţiei stelei Soare, a formării
planetelor din discul plat, timpul geologic necesar pentru formarea
Pământului actual, apariţia vieţii (formarea primilor aminoacizi a
luat 1 miliard de ani, în acest interval de timp - plecând de la
moleculele organice disponibile) şi evoluţia acestuia până la viaţa
inteligentă. Adică, viaţa a apărut în cadrul evoluţiei finale a
universului. (A se vedea şi articolul Variaţiuni pe tema
Oului şi a găinii).
O participantă la una din
conferinţele Profesorului Haldane: Profesor Haldane,
chiar dacă miliarde de ani au fost necesari pentru evoluţie, aşa
cum spuneţi dvs., eu chiar nu pot crede că este posibil să pleci de
la o singură celulă şi să ajungi la un corp uman complicat, cu ale
sale trilioane de celule organizate în oase şi muşchi şi nervi, o
inimă care pompează fără încetare decenii întregi, prin km şi km de
vase de sânge şi rinichi, capabil să gândească şi să vorbească şi
să simtă.
J.B.S. Haldane: Dar doamnă,
dvs. o faceţi singură. Şi aceasta vă ia doar nouă luni.
(discuţie citată de Richard Dawkins)
Adică, evoluţia embrionului în uterul mamei are loc, începând cu
un ovul fecundat, care trece prin toată istoria evoluţiei vieţii,
de la cele mai simple celule, trecând prin celulele fotosensibile,
animalele marine, animalele terestre şi până la om.
Origami este arta de construcţie
prin îndoirea hârtiei, dezvoltată în Japonia până la nivelurile
cele mai înalte. Singura creaţie origami pe care eu ştiu să o fac
este 'jonca chinezească'. Am fost învăţat de tatăl meu, . . . Un
aspect real din punct de vedere biologic este că 'embriologia'
joncii chinezeşti a trecut prin câteva stadii 'larvare'
intermediare, care sunt în sine creaţii plăcute, ca şi o larvă sub
formă de vierme care este un intermediar minunat care evoluează pe
calea către un fluture, cu care cu greu se aseamănă de fapt.
Plecând de la o simplă bucată de hârtie pătrată şi îndoind-o pur şi
simplu - fără a o tăia, fără a o lipi şi neadăugând vreodată alte
bucăţi în plus - procedeul ne duce prin trei 'stadii larvare' care
pot fi recunoscute: un 'catamaran', o 'cutie cu două capace' şi o
'pictură într-o ramă', înainte de a culmina chiar cu jonca
chinezească 'în întregime'. În favoarea analogiei cu origami, când
veţi deprinde pentru prima oară să faceţi o joncă chinezească, nu
numai jonca în sine dar fiecare din aceste stadii larvare -
catamaranul, cutia, rama pentru pictură - apar ca o surpriză.
(Richard Dawkins)
Ceea ce se constată în acest joc, origami, este faptul că,
asemănător desfăşurării lui, atât în evoluţia Universului cât şi în
evoluţia vieţii, trecerea de la un stadiu la altul se face prin
modificări, care nu presupun, adaos de material din afară. De la un
stadiu anterior şi până la unul sau mai multe stadii viitoare,
materia de bază este aceeași şi ramurile evolutive, care se nasc,
sunt unice, nu se întretaie. Prin studierea supernovelor se poate
ajunge acum, şi mai departe în studierea Universului. Supernovele
sunt generate în evoluţia sistemelor duble, când una dintre
componente, o pitică albă, din cauza apropierii sale, captează
materie de la companion, ajungând să aibă o masă de 1,4 mase solare
- masa maximă permisă unei astfel de stele. În acest stadiu începe
să se contracte şi explodează. Tot aşa, studiile şi modelele de
Bing Bang au evoluat până în stadiul actual, când putem descrie
fizic, cu ajutorul matematicii, fazele exploziei iniţiale:
- Mai întâi a fost era Plank, când toate
cele patru forţe - forţele nucleare tari, forţa electromagnetică,
forţele nucleare slabe şi forţa gravitaţiei - alcătuiau o simetrie
misterioasă, sferică, embrionară, o super
simetrie.
- Apoi a urmat era, în care se aplică Teoria Marii
Unificări (GUT). Prin această teorie se modelează un glob
în expansiune rapidă, în care trei forţe fundamentale din cele
patru (mai puţin forţa gravitaţiei) pot acţiona împreună. În lipsa
altei materii, expansiunea se poate face cu o viteză mai mare decât
viteza luminii.
- Era inflaţiei, când temperatura a scăzut
la 1027 grade Kelvin şi o supă de quarci, gluoni şi leptoni,
liberi, se poate extinde, permiţând apariţia protonilor şi
neutronilor. Dimensiunea acestui Univers nu depăşea dimensiunea
Sistemului Solar.
Toate aceste prime trei faze s-au petrecut în fracţiuni de
secundă infime, ca o explozie.
- Iar era de până la trei minute a fost
destinată creării nucleelor atomilor. Hidrogenul fuzionează în
heliu şi se ajunge la o compoziţie de 25 % hidrogen şi 75 % heliu.
Formarea litiului nu se poate face încă, pentru că elementele cu
cinci particule sunt încă instabile.
- După 380 000 de ani se nasc atomii, în
condiţiile la care temperatura a ajuns la 3 000 grade Kelvin.
Universul până aici opac, devine transparent.
- Trece un miliard de ani şi încep să se
condenseze stelele. Reacţiile termonucleare din stele 'coc'
elemente uşoare precum: carbonul, oxigenul şi azotul. Aceasta este
ultima eră care mai poate fi probată cu telescopul Hubble.
- În cadrul unei evoluţii de 6,5 miliarde de
ani are loc o expansiune accelerată, condusă de
misterioasa forţă antigravitaţională.
- Şi, după 13,7 miliarde de ani
temperatura scade la 2,7 grade Kelvin. Acesta este Universul pe
care îl cercetăm astăzi, cu stele, galaxii şi planete.
Să revenim la diagrama HR, pentru a explicita evoluţia unei
stele.
O stea tipică, parcurge în evoluţia sa mai multe stadii:
separarea dintr-un nor de hidrogen, formarea protostelei (steaua
primitivă) prin contracţie gravitaţională succesivă, începerea
fuziunii hidrogenului şi formarea de elemente mai grele, mai întâi
heliu prin reacţia proton-proton şi mai apoi elemente mai grele,
prin reacţia carbon-azot. Steaua ajunge în secvenţa principală,
unde petrece cel mai mult timp din viaţa sa, apoi devine gigantă şi
se degradează tot mai mult, până în stadiul de pitică albă.
Aceste concepte şi unele chiar mai recente, la frontierele
fizicii de astăzi, nu ar fi putut fi descoperite fără o înţelegere
matematică profundă a simetriei. (Ian Stewart)
Iar aceste perfecţionări ale matematicii, au făcut ca şi
ecuaţiile algebrice să arate fascinant (Mario Livio).
Şi aşa, participăm şi noi, ca fiinţe vii, de-lungul evoluţiei
vieţii, la evoluţia avansată a Universului în care trăim, la
întruchiparea unui fel de genom al materiei (un cod genetic care
înmagazinează toată istoria anterioară).
Fiecare traseu evolutiv, al unei stele de o anumită masă - luând
în consideraţie traseul A-B-C-D-E, din figura precedentă -
constituie o ramură evolutivă, care nu poate fi intersectată de
ramura evolutivă a unei stele de masă diferită. (A se vedea, de
asemenea, articolul Variaţiuni pe tema Oului şi a
găinii).
Noi ne aflăm pe traseul unei stele cu masa Soarelui, care
beneficiază de o evoluţie în cadrul secvenţei principale de circa
zece miliarde de ani. În primele cinci miliarde de ani,
constanţa radiaţiei solare, cu un anumit spectru de culoare şi
depărtarea optimă a Pământului faţă de Soare, care a permis
existenţa apei lichide, a facilitat trecerea moleculelor organice
simple la molecule organice cu fond genetic. Oare numai pe o astfel
de ramură de evoluţie stelară este permisă apariţia vieţii? Da,
este de ajuns o candelă cât de mică, pentru ca un drum întunecat să
poată fi urmat cu încredere şi să deschidă alte căi luminoase în
evoluţia cunoaşterii umane.
Nota 1:
J.B.S. Haldane (1892-1964) este cunoscut ca genetician.
Bibliografie:
Michio Kaku, Parallel Worlds. A journey through creation, higher
dimensions, and
the future of the cosmos, Anchor Books. A Division of Random House,
Inc., New York, 2005.
Carl Sagan, Diversitatea Experienţei Ştiinţifice. Traducere din
limba engleză şi
note de Harry Minţi. Editura Curtea Veche, Bucureşti, 2009.
Richard Dawkins, The Greatest Show on Earth, Free Press,
2009.
Mario Livio, The Equation That Couldn't Be Solved: How
Mathematical Genius Discovered the Language of Symmetry, Souvenir
Press 2006.
Ian Stewart, Why Beauty Is Truth, A History of Symmetry, Basic
Books, A Member of the Perseus Books Group, New York, 2007.