„Stâlpii Creației”, din Nebuloasa Vulturului, una dintre cele mai celebre imagini ale telescopului spațial Hubble. Credit: NASA, ESA/Hubble

Jim Baggott, „Origini – Povestea științifică a creației”26 min read

Mindcraft Stories | 03.06.2019

În avalanșa de titluri (multe foarte interesante, în ciuda acestui tip de marketing) care-ți promit să-ți explice lumea în 200 de pagini ori „cele 7-10-13 idei, obiecte etc. care au construit lumea modernă”, cărțile lui Jim Baggott ies în evidență drept o alternativă mult mai cinstită. Nu oferă o lectură foarte ușoară – căci nu poți simplifica știința decât până la un punct, fără s-o falsifici – ci una satisfăcătoare, dar nu cu sensul de mediocră, ci dimpotrivă: cărțile lui îți lasă impresia la final că ai înțeles, măcar entry level, acea bucată de istorie ori acel concept sau descoperire despre care citești. 

Preferata noastră este Atomic – The First War of Physics and the Secret History of the Atom Bomb, 1939-1949, despre cursa nucleară din anii ’40. În limba română, avem două cărți de-ale lui, traduse de editura Humanitas: Higgs și recent lansata Origini. Povestea științifică a creației, din care puteți citi, mai jos, un scurt fragment (Vasile Decu).

„Trebuie să recunoaștem că astrofizica – ramura astronomiei care se ocupă cu fizica universului – e o știință relativ matură. Multe dintre principiile fizice necesare pentru a interpreta observațiile și măsurătorile astronomice sunt destul de bine înțelese și se bazează pe structurile îndelung testate ale teoriei cuantice și relativității generale. Această maturitate nu știrbește însă farmecul științei. Mi se pare extraordinar că secole de filozofare speculativă (și teologizare) privind originea universului, stelelor, galaxiilor și a planetelor cum e Pământul au cedat locul unei descrieri raționale, bazate pe principii fizice relativ simple care pot fi comparate direct cu ceea ce putem vedea și măsura. Nu-i nevoie să înțelegi în detaliu argumentele matematice complexe pentru a-ți face o idee despre conceptele fundamentale. Cred că oricine poate surprinde esența științei care descrie originea locului pe care îl numim acasă.

În ciuda maturității științei, rămân multe lucruri pe care nu le înțelegem complet. Căutarea răspunsurilor la problemele astrofizice în suspensie – de pildă, aspecte ale originii și evoluției Căii Lactee sau ale originii Soarelui și sistemului solar – este de regulă scopul studiilor cu telescoape terestre sau instalate pe sateliți. (De exemplu, telescopul spațial James Webb al NASA va fi succesorul telescoapelor Hubble și Spitzer. Planificarea lui a început în 1996, și urmează să fie lansat în 2019.) Subiectul acestui capitol este un domeniu de cercetare foarte activ.

Știm că Soarele și sistemul solar s-au format prin colapsul gravitațional al unui uriaș nor de gaz molecular și particule de praf. Dar ce a declanșat colapsul și cum a avut loc? Ați observat pe semne că în capitolele precedente nu am intrat în detaliile acestui proces. M-am mulțumit să spun că acești nori se adună datorită gravitației, apar nuclee dense, care apoi colapsează pentru a forma protostele. Această explicație laconică nu e suficientă dacă vrem să înțelegem originea Soarelui.

Neith, „Norul Mamă”

N-am găsit nicăieri în literatura de specialitate sau pe internet un nume al acestui nor molecular gigantic, care a dat naștere Soarelui în urmă cu 4,6 miliarde de ani. Desigur, norul nu mai există, de aceea putem face doar speculații privind felul în care s-a comportat, dar cred că merită să-i dăm un nume, așa încât propun să-i spunem Norul Neith, după zeița egipteană, mama lui Ra, zeul Soarelui.

Putem găsi indicii legate de comportamentul Norului Neith observând nori similari în alte părți ale Căii Lactee. Am vorbit despre Barnard 68 în capitolul precedent. Norul Molecular Taurus din constelația cu același nume, aflat la doar 430 de ani-lumină de Pământ, e mai mare și ceva mai aproape de noi. Măsoară 90 pe 70 ani-lumină, are o masă totală de 15 000 M, o densitate medie de aproximativ 300 de molecule pe centimentru cub și o temperatură medie care nu diferă mult de cea a radiației cosmice de fond. Datorită apropierii de Pământ, putem studia în detaliu, prin mijloace spectroscopice, natura constituenților și distribuția lor. Deși hidrogenul molecular e un constituent important, condițiile din nor nu permit folosirea unei amprente spectrale a lui. De pildă, nu există suficientă energie pentru a exercita emisia Hα (norul nu are o strălucire de nuanță roșiatică). Studiile s-au concentrat în schimb asupra emisiei moleculei de monoxid de carbon, a doua moleculă ca abundență din univers după H2, care e mai puțin timidă.

Norul molecular Taurus, aflat la circa 450 de ani-lumină depărtare de noi © ESO

Monoxidul de carbon oferă linii de emisie în domeniul milimetrilor (infraroșu), corespunzând exercitării și dezexercitării mișcărilor de rotație ale moleculei. Prin studiul acestor linii de emisie se poate deduce densitatea monoxidului de carbon, iar apoi densitatea hidrogenului molecular în diferite părți ale norului. Așadar, la imaginile convenționale bazate pe lumina vizibilă putem adăuga și imagini deduse din emisia luminii infraroșii de către monoxidul de carbon. În plus, imagini ale mascării („extincției”) luminii stelare din spatele norului, provocată de particulele de praf care se interpun, ne ajută să cartografiem mai în detaliu conținutul norului.

Norul este destul de rece, întunecat și liniștit, la prima vedere nu pare locul ideal pentru nașterea unor stele, dar în interiorul lui au fost identificate vreo 13 „miezuri” – regiuni unde norul e îngroșat, densitățile depășesc 10 000 de molecule pe centimetru cub, dimensiunile sunt de ordinul zecilor de ani-lumină, iar masele de ordinul unei mase solare. Miezurile se înșiră ca mărgăritarele pe filamentele de gaz, care conțin majoritatea stelelor nou formate din nor. Se crede că ele se formează de-a lungul unor linii de forță generate de câmpul magnetic al norului, așa cum se aliniază pilitura de fier în jurul unui magnet.

Fiecare filament de gaz pare să se comporte ca un fel de linie de producție stelară. Mai întâi gazul și praful se condensează pentru a alcătui un miez care ulterior colapsează sub propria-i gravitație, dând naștere unei protostele, iar apoi unei stele în toată puterea cuvântului. Celor care caută ceva mai spectaculos le recomand Nebuloasa Vulturului, o regiune foarte activă de formare a stelelor, aflată la aproximativ 6 500 de ani-lumină, în constelația Șarpelui, aproape de Săgetător. Nebuloasa Vulturului conține faimoșii „Stâlpi ai Creației”, imense coloane de gaz și praf interstelar, fotografiați de telescopul spațial Hubble în aprilie 1995.

Coloanele din imaginea de sus au o lungime de câțiva ani-lumină și sunt compuse în principal din hidrogen molecular și particule de praf. „Degetele” care ies din coloane sunt suficient de dense pentru a satisface criteriile lui Jeans și a colapsa ca să formeze stele. Norul e luminat de radiația ultravioletă intensă provenind de la stelele nou-născute, care pune în evidență gazul evaporat din nor, modelează coloanele și dă imaginii aparența diafană.

Nebuloasa Vulturului (centru), alături de Nebuloasa Omega (spre stânga), într-o imagine panoramică spectaculoasă, făcută cu telescopul VST. © ESO

Acesta e pe semne un model plauzibil pentru Norul Neith. Ne închipuim deci noul agregându-se, condensându-se, măturat eventual de vânturile stelare ale gigantelor roșii învecinate și scuturat de undele de șoc ale supernovelor din apropiere. Nori mici se contopesc pentru a forma nori mai mari în continuă mișcare.

Alinierea spinilor electronilor din atomii, moleculele sau ionii care alcătuiesc norul poate genera un câmp magnetic, iar filamentele de gaz se formează de-a lungul liniilor de forță magnetică. Datorită compresiei, atomii, moleculele și ionii se ciocnesc, exercitând mișcările de vibrație și rotație moleculară de energie joasă (cum sunt rotațiile monoxidului de carbon). Moleculele exercitate emit radiația infraroșie și de microunde, ceea ce duce la răcirea în continuare a norului. Între timp, particulele de praf din nor protejează moleculele fragile de radiația ultravioletă și împiedică evaporarea completă a gazului. Atomii și moleculele se aglomerează.

Nu ne rămâne decât să așteptăm cu răbdare ca norul să se fragmenteze pentru a forma miezuri și mai dense, care să satisfacă criteriile lui Jeans privind masa, temperatura și densitatea. Nu știm dacă aceasta are loc în mod natural, printr-o evoluție lină a norului, sau brusc, prin compresia unei unde de șoc declanșată de explozia unei supernove. Cu alte cuvinte, nașterea Soarelui a fost naturală sau indusă?

Dovezi privind o supernovă

Norul Neith a dispărut de mult, prin urmare cum putem stabili ce a provocat colapsul miezurilor lui (și în particular a unuia dintre ele)? Răspunsul se găsește în natura exotică a izotopilor produși în procesul-r de nucleosinteză. După cum am arătat în capitolul precedent, procesul-r implică bombardarea nucleelor mici cu un flux continuu de neutroni, apărând astfel nuclee tot mai mari, care încearcă să se stabilizeze transformând unii dintre neutronii capturați în protoni prin reacții induse de forța slabă. Cei mai instabili izotopi astfel produși se vor dezintegra foarte rapid, dar alții vor rezista puțin mai mult. Această stabilitate e reflectată în timpul de înjumătățire al izotopului, timpul în care se dezintegrează jumătate dintr-un număr dat de nuclee.

Iată un exemplu. Izotopul 26Al, un izotop radioactiv al aluminiului cu 13 protoni și 13 neutroni, are timpul de înjumătățire de aproximativ 720 000 de ani. Acesta se dezintegrează pentru a forma 26Mg, cu 12 protoni și 14 neutroni, prin emisia unei particule W+ (care apoi se dezintegrează într-un pozitron și un neutrin electronic), transformând un proton într-un neutron. Acest izotop se formează în cantități apreciabile în procesul-r de nucleosinteză din supernove.

Compoziția actuală a sistemului solar depinde de compoziția Norului Neith atunci când un miez din el a colapsat pentru a forma proto-Soarele. Dacă acest colaps a fost declanșat de o supernovă, atunci Norul Neith putea să fi fost contaminat cu un material ejectat de unda de șoc, inclusiv cu o cantitate considerabilă de 26Al. Desigur, după 4,6 miliarde de ani tot 26Al care va fi fost prezent atunci a dispărut prin dezintegrare radioactivă. Izotopul de magneziu rezultat e însă stabil, nu mai suferă vreo transformare nucleară ulterioară, astfel încât acel 26Al prezent în Norul Neith la momentul colapsului va lăsa o urmă sub forma îmbogățirii cu 26Mg a materialului în care a fost încorporat.

În 1974 o echipă de geologi de la Institutul Tehnologic din California condusă de Gerry Wasserburg a studiat raportul dintre 26Mg și izotopul predominant 26Mg din granulele minerale din meteoritul Allende, prăbușit pe 8 februarie 1969 în statul mexican Chihuahua. Acesta este un condrid carbonic, o rocă formată prin acumularea granulelor de praf din Norul Neith pe când se forma sistemul solar.

Meteoritul conține incluziuni bogate în calciu și aluminiu (calcium-aluminium-rich inclusions, abreviat CAI), minerale precum spinel (MgAl₂O₄), melilit (o combinație de Ca2MgSi2O7 și Ca2AlSiO7), piroxeni și anortit (CaAl2Si2O8, un feldspat de calciu).

Analizele izotopice pot fi folosite la datarea unor asemenea meteoriți, confirmând astfel că sunt roci formate o dată cu sistemul solar. De exemplu, datările bazate pe analiza izotopilor radioactivi de plumb arată că acești meteoriți au vârsta de 4 567,2 plus sau minus 0,6 milioane de ani.  

Cititorii atenți au observat probabil că nu există magneziu în anortit, prin urmare cum se face că meteoritul conține 26Mg? Dacă Norul Neith a conținut mici cantități de 26Al la momentul formării Soarelui și sistemului solar, acești atomi ar fi fost încorporați în granulele de praf, deci și în incluziunile CAI ale rocilor plutind prin spațiu. În timp, 26Al s-a dezintegrat în 26Mg, fixat în structura minerală și conducând astfel la un raport 26Mg/24Mg mai mare decât e de așteptat. Aceste roci mici au rămas aproape neschimbate de-a lungul evoluției sistemului solar, rotindu-se în jurul Soarelui și fiind din când în când capturate de câmpul gravitațional al Pământului. Ele cad pe Pământ ca meteoriți precum Allende.

Acest raport, s-au gândit geologii, trebuia să aibă valoarea maximă la granulele minerale cu valori mari ale raportului aluminiu/magneziu. De fapt, panta graficului reprezentând raportul 26Mg/24Mg în funcție de raportul aluminiu/magneziu (27Al/24Mg) e corelată cu raportul 26Mg/27Al. De vreme ce orice excedent de 26Mg trebuie să provină din dezintegrarea 26Al, panta poate fi folosită pentru a deduce raportul 26Al/27Al, o măsură a excedentului de 26Al față de izotopul stabil 26Al. Altfel spus, dacă nu există un excedent de 26Al, graficul ar trebui să arate ca o dreaptă orizontală (de pantă zero) la o valoare corespunzând raportului natural 26Al/27Al. O pantă pozitivă indică un excedent de 26Al și oferă un indiciu privind elementele din timpul formării sistemului solar.

Rezultatele au condus într-adevăr la o pantă pozitivă, sugerând o abundență de 26Al, mult mai mult decât ar fi de așteptat de la surse care nu implică o supernovă. Măsurători ulterioare au demonstrat importanța izotopilor formați în procesele minus-r de nucleosinteză provocate de supernove (cum ar fi 41K și 60Fe) din particulele de praf de la începutul sistemului solar.

Excedentul de 60Fe, în special, e o dovadă grăitoare privind rolul declanșator al unei supernove. Izotopul 60Fe se dezintegrează în 60Ni, cu timpul de înjumătățire de 2,6 milioane de ani. Raportul 60Ni/58Ni în funcție de raportul 56Fe/58Fe obținut din eșantioanele minerale ale meteoriților Semarkona și Chervony Kut prezintă iarăși o pantă pozitivă, indicând un excedent de 60Ni, deci un excendent de 60Fe.

Un studiu din 2011 sugerează că izotopul 26Al trebuie să se fi amestecat bine cu gazul și praful din Norul Neith în decursul a aproximativ 20 000 de ani, ceea ce poate fi explicat cel mai probabil printr-o supernovă. Simulările pe calculator arată că ar dura doar 18 000 de ani pentru a îmbogăți un nor de 10 M cu 26Al transportat de unda de șoc a unei supernove aflată la distanța de 16 ani-lumină.

La fel ca Norul Neith acum 4,6 miliarde de ani, Stâlpii Creației din Nebuloasa Vulturului poartă în pântece posibile stele. Norii sunt de asemenea expuși undelor de șoc provenind de la supernovele din vecinătate. Și, într-adevăr, observațiile făcute cu telescopul spațial Spitzer sugerează că o supernovă capabilă să distrugă norul (și să declanșeze formarea stelelor) a apărut deja. O bulă de gaz fierbinte și praf în plină expansiune se îndreaptă spre coloane. Vom putea pe semne urmări spectacolul când unda de șoc va atinge norul, peste vreo mie de ani. Desigur, având în vedere că Nebuloasa Vulturului se află la o distanță de 6 500 de ani-lumină, vom observa evenimente care s-au petrecut deja. E posibil ca Stâlpii Creației să fi dispărut de mult.

Editura Humanitas, 2018, traducere de Tudor Avram, 54 lei © Humanitas