La gran explosió i l'evolució química de l'Univers

La gran explosió (Big Bang) és potser una de les teories científiques més populars, tot i que les seves implicacions per a l'evolució química de l'Univers són gairebé desconegudes des del punt de vista social. Avui en dia sabem que l’Univers primitiu era molt calent, dens i irregular, una mena de sopa de partícules elementals. Pocs minuts després de la gran explosió, la densitat va permetre que a partir dels protons (nuclis d'hidrogen) s'esdevinguessin reaccions nuclears de fusió que donarien pas a la formació d'heli (He), deuteri (D) i traces de liti (⁷Li) i beril·li (⁷Be) en el que s’anomena la nucleosíntesi primordial. L'expansió continuaria i, com a conseqüència del refredament progressiu, uns 300.000 anys després de la gran explosió tindria lloc el gran desacoblament entre matèria i energia, en el qual sorgirien les quatre forces fonamentals de la natura: la gravitatòria, l'electromagnètica i les nuclears forta i feble. En aquells instants l'Univers sencer es va fer transparent a la radiació electromagnètica, ja que que van quedar lliures els fotons, no directament lligats als àtoms. Aquests fotons formen part del que s'anomena radiació còsmica de fons, un vestigi d’aquella etapa inicial de l'Univers a molt alta temperatura. Tot just quedar lliures, a mesura que l'Univers es va anar expandint i propagant la seva temperatura va anar decreixent.

Com a conseqüència de les fluctuacions quàntiques primordials, la matèria no va ser homogèniament distribuïda uns 400.000 anys després del Big Bang, sinó que va formar "grumolls" que van donar pas a aglomeracions immenses d'estels: les galàxies. En els estels que poblaven aquelles galàxies podríem dir que va començar l'enriquiment químic de l'Univers. La primera generació d’estels naixeria a dins d’aquestes galàxies i començaria a sintetitzar els elements pesants, com ara el carboni, l'oxigen, el nitrogen, el silici, etc. Després que aquests estels evolucionessin a l’etapa de gegants i supergegants vermells i, particularment, en la fase final de mort com a supernoves, va començar l’emissió massiva d’aquests elements sintetitzats a l'interior dels estels al medi intergalàctic per tal d’enriquir els núvols de gas, fet que va donar pas a la formació d’altres generacions d’estels, com ara el Sol. La presència d’aquests elements pesants a les seves nebuloses formatives va permetre la condensació de partícules sòlides que, per agregació, van donar lloc als primers cossos sòlids, que amb el temps van formar els planetes. L’aparició de la vida com la coneixem, permesa amb planetes amb una riquesa química i unes propietats físiques definides, va ser, doncs, l’últim esglaó evolutiu, donat que requeria aquells elements sintetitzats en estels. Com suggeria al meu llibre Les arrels còsmiques de la vida, podríem dir que som matèria estel·lar conscient (Trigo Rodríguez, 2012).

La teoria de la gran explosió implica, doncs, l’evolució global de l’Univers des de la seva formació, esdevinguda fa uns 13.700 milions d’anys, segons es va determinar amb la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA (figura 1). Per evolució vull dir fets transcendentals, com ara la formació dels primers estels, que, com a fruit de la seva mort en colossals supernoves, van anar enriquint l'Univers per aconseguir que les següents generacions d'estels poguessin albirar mons de tipus terrestre.

Figura 1: Aquesta imatge de tot l’Univers vist en una projecció homalogràfica o de Mollweide revela petites fluctuacions en la temperatura de l’Univers més distant. Observant el fons de microones en totes les direccions de l’espai podem fer-nos una idea de les anisotropies que van donar lloc a la formació de les primeres galàxies fa uns 13.700 milions d’anys / Imatge: WMAP/NASA

PROVES DE LA GRAN EXPLOSIÓ

Hi ha clares evidències observacionals que la gran explosió va tenir lloc en el passat de l’Univers. Sense tractar d’enumerar-les totes, la primera és sens dubte l’expansió de les galàxies i el fet que totes, exceptuant-ne algunes com ara la d'Andròmeda, s'estiguin allunyant de nosaltres. Això és una clara evidència que després de la gran explosió la matèria es va començar a expandir en totes direccions. D'altra banda, l’abundància d’heli i deuteri mesurada a l’Univers actual també és un argument molt important en favor de l’existència d’una bola de foc primigènia i de la subseqüent nucleosíntesi primordial.

Un dels majors descobriments de la física s'ha convertit en un dels seus principals reptes actuals: majoritàriament l'Univers no està fet de matèria ordinària (bariònica), sinó que aquesta matèria en conforma tan sols un 5% del total. Hi ha prop d'un 23% de matèria fosca i un 72% de "quelcom" que s'ha anomenat energia fosca. La matèria fosca es dedueix de com la materia ordinària que conforma les galàxies interacciona a grans escales. D'altra banda, la presència d'energia fosca és fonamental per entendre per què l'Univers s'accelera en la seva expansió, fet que el portarà a un fred i implacable futur.

Però potser la prova més fascinant i contundent del Big Bang és la presència del fons de microones, descobert l’any 1965 pels que serien premis Nobel Arno Penzias i Robert Wilson. Es tracta de la radiació (els fotons romanents) que ens arriba des de l’Univers primitiu. La longitud d’ona característica d’aquests fotons primordials és d'una temperatura lleugerament inferior als 3 kelvins, valor molt proper al zero absolut. No ens ha d’estranyar, doncs, que aquesta radiació ens arribi des de totes les direccions de l’espai amb una energia molt esmorteïda, a causa de l'enorme distància que ha hagut de recórrer: més de 13.000 milions d'anys llum!

Figura 2: Esquema evolutiu dels principals esdeveniments en l'evolució de l'Univers / Imatge adaptada de la NASA

Per suposat, les estimacions de l’edat de l’Univers són totalment consistents amb la datació dels materials més antics que coneixem al nostre sistema solar. Aquests materials primigenis del nostre sistema planetari estan continguts en un tipus de meteorits que anomenem condrites. Aquests meteorits permeten datar l’edat del nostre sistema planetari en uns 4.568 milions d’anys. L’Univers és, doncs, tres vegades més vell que el nostre sistema solar. Afortunadament, els estels, com a màgics alquimistes, han tingut temps de sobres per sintetitzar els elements químics que formen la Terra i a nosaltres mateixos. Aquesta és potser la lliçó més meravellosa de dignitat, senzillesa i eficiència que ens pot donar el coneixement de com funciona l'Univers.

BIBLIOGRAFIA

Trigo Rodríguez, J.M. (2012). Las raíces cósmicas de la vida. 241 pàg. Barcelona: Edicions UAB. "El espejo y la lámpara".