STIINTA


inperspectiva.roCosmosul (I)

Dr Marian Doru Suran - Director Institutul Astronomic Bucuresti

 

 

 

Ce este Cosmologia si ce studiaza ea?

Cosmologia este stiinta care studiaza Cosmosul. Termenul este de data recenta fiind pentru prima data folosit de Cristian Wolff in lucrarea sa “Cosmologie generala” aparuta in anul 1730.

 

 

Ce este Cosmosul?

 Cosmosul reprezinta Universul structurat si ordonat. Termenul a fost introdus inca din secolul V B.C. de catre Pitagora  (in greaca κόσμος). El este opus termenului de “haos”, termen care in mitologia greaca reprezenta faza primordiala din care a luat nastere Universul structurat.

 

 

Ce este Universul? O definitie semantica a Universului?

Numele vine din limba latina (“universum”) si a fost folosit pentru prima data de Cicero.

In general Universul reprezinta o definitie…. o definitie foarte filozofica: universalitatea adica “tot cee ce exista”. Aceasta definitie este folosita de omenire incepand de pe la anul 600 B.C. si pana in prezent.Ea este folosita in lumea moderna atat de stiinta cat si de filozofie si religie.

Definitia este foarte filozofica pentru ca ea face apel la doua notiuni filozofice: una este “totul” care este continut in definitia Universului (“παν ”in greaca). Acest “tot” poate fi privit ca un tot fizic sau ca un tot atat fizic si metafizic. A doua notiune este cea de “existenta”. Existenta este o notiune filozofica de tip ontologic. Ramura filozofiei care se ocupa cu ceea ce exista in realitate se numeste ontologie.

Astfel, Universul apare undeva la increngatura dintre doua notiuni foarte dificile din punct de vedere filozofic: metafizica si ontologia.

 

 

inperspectiva.roCe ne puteti spune despre filozofia Universului?

Universul fiind definit ca tot ce exista, din punct de vedere filozofic reprezinta un universal, un universal prin definitie. Fiind un universal, in lupta dintre nominalisti si realisti, lupta ce dateaza inca din antichitate, ne punem intrebarea daca acest universal poate exista.

De exemplu  universalul matematic al multimii tuturor multimilor se demonstreaza ca nu exista. In functie de ceea ce intelegem prin ontologia existentei/realitatii totului putem gandi universul ca: realitate observationala (astronomica), realitate naturala (fizica), realitate fizica si probabilitate de existenta (metafizica) si/sau realitatea unui continuum de tip spatiu-timp (matematic).

Astfel universul poate fi: un obiect astronomic (cosmic); un sistem fizic (Natura); un agregat de sisteme (fizice si/sau metafizice); un obiect matematic (spatiul-timp); sau, mai general, un obiect semantic al unui limbaj de discurs ontologic dat (care poate fi astronomic, fizic, matematic, logic sau filozofic).

 

 

Ce ne puteti spune despre o posibila abordare a Universului in studiul sau?

Stim inca din Evul Mediu ca, in lupta dintre nominalisti si realisti in privinta existentei universaliilor(notiune filozofica), a castigat un al treilea curent filozofic – conceptualismul.

Problema este daca definitia universului a putut fi vreodata transformata in notiune si, mai mult, intr-un concept, incepand cu secolul XIII-lea, conceptualizarea fiind absolut necesara pentru a se putea opera cu ea in filozofie si stiinta.

Conceptualizarea filozofico-stiintifica a universului presupune un limbaj de discurs; o ontologie (teorie a realitatii) pe care se bazeaza discursul respectiv; o semiologie (teorie a semnelor), precum si o semantica (gramatica a semnelor) cu ajutorul carora sa se poata opera in cadrul limbajului de discurs dat.

In astronomie, conceptualizarea este folosita in constructia de modele fizico-matematice pentru explicarea obiectelor cosmice naturale. Modelarea fizico-matematica nu este absoluta, modelele fiind perfectibile in timp, in functie de datele de observatie astronomice existente in acel moment.

inperspectiva.ro“O teorie precisa in cosmologie” reprezinta acea teorie care verifica cel mai precis datele de observatie si masuratorile astronomice directe si indirecte efectuate in cadrul Universului la un moment de timp dat. In cosmologie raspunsul legat de conceptualizare este destul de neobisnuit: conceptualizarea pornind de la definitia universului a fost circumstantiala depinzand de epoca istorica in care s-a incercat definirea termenului si functie de dezvoltarea tehnologica a acelei epoci (a tehnologiei observationale astronomice a acelei epoci).

 

 

Care este limbajul de discurs din cadrul cosmologiei?

Pentru aceasta, in studiul descriptiv al Universului la scari din ce in ce mai mari, putem porni de la simple constatari actuale din cadrul astronomiei:

Noi oamenii traim pe o planeta - Pamantul;

Pamantul are un satelit - Luna;

Pamantul impreuna ca satelitul sau se invart in jurul unei stele - Soarele.

Pamantul, Luna , Soarele si celelalte planete fac parte dintr-un sistem planetar  - Sistemul Solar;

Sistemul Solar face parte dintr-un sistem mai mare -  Galaxia noastra,  Caleea Lactee.

Galaxia noastra face parte dintr-un sistem si mai mare - Universul extragalactic.  In care Galaxia noastra reprezinta doar una din multitudinea de galaxii observabile.

Universul extragalactic este la o scara foarte mare remarcabil de izotrop si omogen.

 

Daca unele dintre obiectele descrise mai sus noi le observam din exteriorul lor (planete, sateliti, stele, galaxii), pe altele le observam din interiorul lor (Sistemul Solar, Galaxia Calea Lactee, Universul extragalactic).

Obiectele astronomice  pe care le vedem din exterior se numesc “exosisteme”. Pentru acestea sunt mai usor de definit si studiat proprietatile lor de suprafata si de estimat numarul lor. In schimb este mai greu de studiat interiorul lor.

Obiectele astronomice pa care noi le vedem din interiorul lor se numesc “endosisteme”. Pentru acestea cunoastem, in mare parte observational, structura lor interna dar este mai dificil sa cunoastem proprietatile lor globale precum si a estima numarul acestora.

 

 


inperspectiva.ro


inperspectiva.ro

inperspectiva.roOntologia universurilor. Universurile istorice

Paradoxal toate cele trei tipuri de endosisteme pe care omenirea le-a cunoscut de-a lungul timpului – Sistemul Solar, Galaxia si Universul extragalactic - au reprezentat, istoric, tot atatea tipuri de univers.

Sistemul Solar (lumea in reprezentarea antica) a reprezentat primul tip de univers cunoscut: universul accesibil observatiilor cu ochiul liber.  Acesta a reprezentat Universul antichitatii si al Evului mediu. De la Thales si Anaximandru si pana la Galileo Galilei, dainuind peste 2000 de ani.

Acest univers era format din cele sase planete observabile cu ochiul liber (Pamantul, Mercur, Venus, Marte, Jupiter, Saturn), satelitul Pamantului (Luna), steaua cea mai apropiata de noi (Soarele) precum si sfera cereasca (socotita mai mult sau mai putin solida si avand o grosime mai mare sau mai mica).

Modelul de univers corespunzator celor noua obiecte descrise mai sus (obiecte considerate eterne si perfecte care se miscau pe orbite perfecte circulare) a fost de tip geocentric (Pamantul in centrul Universului) pana la Copernic. Iar apoi heliocentric (Soarele in centrul Universului) pana la Galileo.

Model mecanicist geocentric simplu de noua corpuri opus multitudinii de forme de viata de pe Pamant (Pamintul avand un loc central privilegiat) a condus la aparitia de filozofii si religii de tip antropocentriste.

Braul luminos de pe cer – numit Caleea Lactee – a fost foarte putin studiat in acea epoca. Doar Democrit, in secolul V B.C. a afirmat ca acesta este format din stele mici. Incepand insa cu Aristotel, Calea Lactee a fost privita ca un fenomen atmosferic (meteorologic).

Galaxia noastra (Calea Lactee) a reprezentat universul accesibil observatiilor cu instrumente astronomice mici.. De la Galileo Galilei si pana in anul 1922. Galileo a fost primul savant care a obsaervat Calea Lactee ca fiind o formatiune alcatuita din stele. Herschel in secolul al XVIII-le a aratat ca Galaxia Caleea Lactee alcatuieste un nou tip de sistem cosmic. Asa numitul Univers insula de tip Galactic. Acest tip de univers a dainuit aproape 300 de ani.

In cadrul acestui sistem existau insa o serie de obiecte cosmice non-stelare – asa numitele nebuloase. Inca din  secolul X A.C. invatatii persani au alcatuit un prim catalog de nebuloase observabile cu ochiul liber. Printre aceastea se numara Marea Nebuloasa din Andromeda, Marea Nebuloasa din Triunghiul, o serie de nebuloase satelite a acestora precum si cei doi Nori ai lui Magellan.

Galaxia Calea Lactee ramane endosistemul de Univers pana in momentul cand unele nebuloase au fost dovedite ca fiind galaxii indepartate. Astfel s-a  trecut la Universul extragalactic.

Universul extragalactic reprezinta universul (endosistemul) accesibil observatiilor cu instrumente astronomice mari. De la Hubble si pana in prezent. Universul extragalactic actual – format din galaxii – si care reprezinta doar o mica portiune (cea posibil de observat cauzal) din cadrul Universului real (ce ramane in cea mai mare parte meta-cauzal in raport cu noi).

Hubble a observat ca o serie dintre aceste galaxii se aproprie de noi, dar majoritatea se indeparteaza de noi. In majoritate galaxiile (nebuloasele) observabile cu ochiul liber se aproprie de noi. Ele alcatuiesc un obiect cosmic distinct care incorporeaza trei galaxii masive (Calea Lactee, Marea Nebuloasa din Andromeda, Marea Nebuloasa din Triunghiul) precum si cateva sute de galaxii satelite acestora. Acestea formeaza asa numitul Grup Local de galaxii –obiect cosmic supergalactic distinct inchegat din punct de vedere gravitational. Restul galaxiilor se indeparteaza in raport cu noi, ceea ce numim fenomenul general de expansiune continua a Universului extragalactic. Acest tip de univers a inceput a fi studiat incepand din anul 1922, in urma celebrei confruntari stiintifice din America acelor ani dintre sustinatorii existentei nebuloaselor doar in cadrul Galaxiei noastre si aceia care considerau ca mare parte dintre aceste nebuloase reprezinta galaxii de sine statatoare. Au avut castig de cauza ultimii dintre acestia, bazandu-se pe folosirea unor noi si precisi indicatori astronomici de distante la aceste nebuloase (stele pulsante din cadrul acestor nebuloase)

inperspectiva.ro

Semiologia universurilor istorice. Ce cunoastem la ora actuala despre fiecare dintre aceste universuri istorice?

Am traversat Sistemul Solar folosind nave cosmice faurite de om. Stim ca nu Pamantul, ci Soarele se afla in centrul Sistemului nostru Solar. Avem 8 planete mari si nu doar 6. Avem cateva sute de sateliti ai planetelor mari si nu doar Luna. Sistemul Solar contine cateva mii de miliarde de obiecte cosmice de dimensiuni semificative, si nu doar 8.

Am inteles cum s-a format Sistemul Solar si de unde ne-au parvenit elementele chimice esentiale aparitiei vietii pe Pamant (carbonul, oxigenul, azotul, apa). Nu de la Soare, ci de la stea care a existat anterior si care a sfarsit printr-o explozie de supernova. Rezultand o gaura neagra centrala si un nor de materie ejectat de aceasta supernova. Din materia ejectata s-au format ulterior Soarele si Sistemul sau Solar, dar si o serie de alte stele avand fiecare sisteme exo-planetare proprii. Astfel, Sistemul Solar ca endosistem,  a devenit dintr-un univers istoric unic, un simplu obiect cosmic (astronomic).

Am iesit din cadrul Sistemului Solar si ne-am avantat catre stele prin sondele spatiale Voyager 1 si 2.

Stim ca Sistemul Solar (si in cadrul acestuia Pamantul) nu se afla in centrul Galaxiei noastre. Stim ca existe peste o suta de miliarde de stele in Galaxia noastra. Majoritatea dintre acestea avand in jurul lor sisteme exo-planetare. Am descoperit in ultimii ani aproximativ 3000 de astfel de sisteme exoplanetare in jurul stelelor apropiate. Stim cum s-a format materia din Galaxie si cum a evolut aceasta. Astfel, Galaxia, ca endosistem,  a devenit dintr-un univers istoric unic un simplu obiect cosmic (astronomic).

Stim ca sub efectul gravitatie galaxiile s-au organizat in sisteme cosmice mai mari de tipul: grupurilor de galaxii, roiurilor si superroiurilor de galaxii.

Mai putem afirma ca obiectele care alcatuiesc Grupul nostru Local de galaxii - obiect cosmic inchegat din punct de vedere gravitational - se afla permanent in interactie si ciocniri. Astfel, peste aproximatiov 7 miliarde de ani Galaxia noastra, Calea Lactee si Marea Nebuloasa din Andromeda vor interactiona gravitational printr-un fenomen de ciocnire. Peste ale cateva de zeci de miliarde de ani toate galaxiile din Grupul Local se vor contopi si inchega, prin fenomene de ciocniri succesive, intr-un obiect unic – un supersistem de galaxii.

Stim ca in Universul extragalactic pe care il observam actual exista aproximativ o suta de miliarde de galaxii. Fiecare avand cateva sute de miliarde de stele. Stim ca Calea Lactee, ca o galaxie, nu se afla in centrul universului actual (Universul extragalactic) Stim, in general, cum se formeaza si evolueaza materia din cadrul Universului extragalactic.

Ca endosistem la limita observationala,  nu stim inca daca Universul extragalactic este unic sau nu.

inperspectiva.roinperspectiva.ro

Universul in acceptia actuala. Semantica Universului extragalactic.

La ora actuala Universul extragalactic reprezinta universul care este folosit de stiinta.

In descrierea universului actual (extragalactic), nu mai putem vorbi de existenta unui principiu antropocentrist. Cu toate serioasele consecintele filozofice si religioase implicate.

Din contra, vorbim de un principiu copernician al pozitiei noastre in univers - pozitie modica – pozitie care nu are nimic special. Este doar o iluzie observationala a noastra ca totul in univers  pare ca evolueaza si se raporteaza la noi. Acesta fiind doar principiul perspectivei locului de observatie astronomica ales.

Dar care sunt trasaturile caracteristicie (semiotice) ale Universului extragalactic  si ce stim in prezent despre evolutia sa intrinseca?

Principala caracteristica observationala a Universului extragalactic – amintita mai sus - o reprezinta starea sa dinamica de expansiune. Expansiune continua si generala. Acesta este in deplin acord cu modelarea sa teoretica - printr-un continuum spatiu-timp caruia se aplica teoriei relativitatii generalizate reprezentata prin celebra ecuatie a lui Einstein. Ecuatie ce leaga distorsionarea gravitationala locala a spatiului-timp de cantitatea de materie existenta. Si plus o constanta de integrare – asa numita constanta de univers a lui Einstein.  De fapt, o ecuatie de bilant intre materie, vid (temenul constant) si distorsiunile gravitationale induse. Rescrisa termodinamic, ecuatia lui Einstein nu reprezinta altceva decat prima lege a termodinamicii.

Dupa cum unul sau altul dintre termenii ecuatiei lui Einstein predomina putem imagina o multitudine de tipuri de univers: universul gol de tip Milne (in care termenul materia si constanta lui Einstein sunt neglijabile), universul creat din nimic de tip Hawking-Turok (in care termenul materia si constanta lui Einstein sunt neglijabile, iar spatiul-timp se afla in tranzitie de la un univers Euclidian plat de tip Milne la unul ne-Euclidian curb) , universul de vid de tip de Sitter (in care predomina constanta lui Einstein cu semn pozitiv), universul static stationar si de vid al lui Einstein Sitter (in care predomina constanta lui Einstein cu semn negativ),  universul material omogen si izotrop  de tip Robertson-Walker (in care predomina materia cosmica raspandita omogen si izotrop in spatiu), universuri neomogene si/sau anizotrope de tip Bianchi (in care predomina materia cosmica raspandita omogen si izotrop in spatiu), modelul de univers material si aflat in rotatie al lui Godel.

inperspectiva.ro

inperspectiva.roDin aceasta multitudine de universuri care pot reprezenta ontologia universului actual?

Dintre aceste modele de univers, stare dinamica de expansiune generala a Universului extragalactic actual, ca data de observatie, exclude modelul de univers de tip Milne, modelul de univers de tip Einstein precum si o serie de model de tip Bianchi.

Extrapoland inapoi in timp aceasta expansiune continua si generala se ajunge la un moment in care materia din univers s-a gasit intr-o stare initiala extrem de densa si avand o raza foarte mica. Starea de colapsare a Universului primar. Teoria acestei stari initiale a Universului a fost propusa inca din anul 1927 de catre abatele belgian George Lemaitre, iar in anul 1949 astronomul Fred Hoyle a propus chiar un nume pentru aceasta stare - Big Bang.

Starea initiala colapsata a universului este o stare de tip cuantica  si poarta in fizica numele de stare de  degenerare cuantic relativista.  Starea de degenerare cuantic relativista este o stare a materiei care se intalneste frecvent si in interiorul Universului extragalactic, in cazul obiectelor de tip gauri negre (black holes). Aceasta stare extrema a materiei reprezinta o stare singulara si discontinua local a spatiului-timp .Din punct de vedere matematic ea reprezinta o singularitate (stare avand o curbura extrema), iar din punct de vedere fizic reprezinta o stare termodinamica de maxima concentrare de energie (echivalent de temperatura ridicata) intr-o regiune extrem de redusa de spatiu-timp.

Starea de colapsare extrema mai este cunoscuta si sub denumirea de stare singulara de tip Planck. Avand o raza de 1.6x10-33cm si temperatura 1.4x1032K. Aceasta reprezinta scara la care fizica face legatura dintre starea microscopica cuantica si starea macroscopica relativista, scara la care gravitatia intra in actiune, ca o forta separata.

Astfel privit, momentul Big Bang-ului (5x10-44 s din varsta actuala a Universului) reprezinta momentul de formare al Universului actual – momentul de formare a spatiului-timp dintr-o singularitate cuantica de tip Planck initiala.

Universul primar fiind un sistem fizic cuantic colapsat, era insa cauzal legat/inchegat (toate procesele sale se puteau raporta reciproc in mod cauzal). Si reprezenta in fapt un obiect - cosmosul ca obiect astronomic. Din care a derivat spatiulul-timp  ca obiect matematic. Acest obiect cuantic prezinta si o serie fluctuatii cuantice asociate. Aceste fluctuatii dand nastere ulterior galaxiilor pe care le observam in prezent.

Modul in care ia nastere Universul si structura fizica a obiectului cuantic initial, la dimensiuni reduse de tip Planck, reprezinta inca un subiect de lucru intens in fizica si cosmologie.

Starea initiala a Universului (posibila stare pre-colapsata), starea sa colapsata cuantic gravitational si trecerea de la starea cuantica/microscopica la cea macroscopica de tip spatiu-timp exclude modelele relativite cu prezenta de materie. 

 

 

inperspectiva.roCe sunt gaurile negre?

Spuneam ca starea din care ia nstere Universul extragalactic (stare de degenerare extrema fizica de tip cuantic gravitational) se intalneste si in diverse obiecte de acest tip din cadrul sau – gaurile negre. Aceste reprezinta obiecte colapsate avand mase de peste 15 mase solare.

Unele dintre gaurile negre se formeza in stadiile finale de existenta a stelelor masive. Astfel de stele isi incheie ciclul de viata (de ardere a combustibilului termonucelar in nucleele lor) prin explozii gigantice de tip supernove. Explozii in care paturile externe ale stelelor sunt violent ejectate in spatiu, iar miezul lor, alcatuit din fier, colapseaza sub propria greutatea intr-o stare de singularitate - gaura neagra. In Galaxia noastra (Calea Lactee) se estimeaza a exista cam 100 de milioane de astfel de obiecte stelare colapsate cuantic gravitational – gauri negre stelare cu mase 15-200 de mase solare. In universul nostru cauzal numarul lor este estimat a fi de aproximativ 1019 gauri negre stelare.

Dar mai exista un tip de gauri negre, cele care se formeaza in centrele fiecarei galaxii. Gauri negre supermasive avand mase intre 106 – 1015 mase solare. Acestea apar in procesele initiale de acretie gravitationala si de inchegare a galaxiilor. In universul nostru observational se estimeaza a exista aproximativ 100 de miliarde de gauri negre masive – in centrul a tot atator galaxii observate.

Universul nostru, ca obiect astronomic, este estimat a avea o masa de peste 1023 mase solare. Si acesta provine tot dintr-o stare fizica initiala colapsata cuantic gravitational, asemanatoare celei de gaura neagra.

Intrebarea tulburatoare este: daca avem atatea tipuri de gauri negre de mase diferite (gaura negra ca fenomen astronomic generic) de ce Universul nu poate fi decat un alt obiect cosmic (astronomic) obisnuit/generic?

Si mai tulburatoare apare intrebarea naturala: daca avem atatea gauri negre (ca exosisteme) de ce trebuie sa ne inchipuim universul actual ca fiind doar un obiect unic (ca endosistem)?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


inperspectiva.ro