Un univers inflacionari

Feia temps que em rondava pel cap. I no em decidia per manca de temps, i, si us sóc sincer, per mandra.

La cosa és que una de les preguntes (de divisió avançada) que rebo en algunes conferències és sobre el Big Bang i, en especial, sobre una de les modificacions més impactants que han completat aquest model. L'anomenada inflació.

Ara us comentaré això de la mandra i la manca de temps. Però abans deixeu-me que us expliqui què és la inflació i el perquè el model del Big Bang la necessita.

Us convido, per tant, a acompanyar-me en un recorregut cap als primers instants de l'univers, que passa, abans, per a remuntar-nos curiosament fins a començaments del segle XX.

Els científics del segle passat majoritàriament creien que l'univers era estàtic, és a dir, que ni s'expandia ni es contreia. Era el corrent de pensament ortodox, i en aquells moments no hi havia res que fes sospitar el contrari. El mateix Einstein ho creia.

Vet aquí que aquest geni va crear la teoria de la relativitat general, un relat extraordinari de com funciona la gravetat i l'univers a gran escala. Les fórmules que va derivar li deien, li cridaven, que l'univers no ho podia ser d'estàtic. Que era dinàmic. Però ell no se les va creure (a les seves fórmules!), de forma que les va modificar artificialment per a fer que donessin, com a resultat, un cosmos feliçment estàtic.

Varen ser altres els que, emprant les fórmules de l'alemany, varen defensar un univers en expansió. Entre ells, un clergue belga, de nom George Lemaître.

Eren els rebels. Els que lluitaven contra l'ordre establert. Deien que si l'espai ara s'expandia, rebobinant el temps un podria arribar a un moment zero. A un inici.

Tot això passava durant les 2 primeres dècades del segle XX. I cap a finals dels anys 20, l'astrònom americà Edwin Hubble comprovava, experimentalment, que l'univers efectivament s'expandia. Era la confirmació que els rebels tenien raó, i Einstein havia d'admetre el seu error (un error genial, la veritat: haver parit un instrument matemàtic que et deia coses tan inesperades que ni ell s'ho podia creure!)

Hubble va notar com (quasi) totes les galàxies que observava s'allunyaven de nosaltres. I també va observar que, com més allunyada estava una galàxia, més ràpid s'allunyava! Era el model perfecte del globus que s'infla.

Si tu bufes un globus, sobre el qual has dibuixat petits cercles de color, veuràs com tots els cercles s'allunyen de tots. I també notaràs que, si et situes mentalment sobre una de les galàxies, observaràs que les demés s'allunyen de tu quan s'infla el globus. S'allunyen a més velocitat com més lluny estan dibuixats.

Aquell descobriment va significar un triomf per al model del Big Bang. Però no tots estaven encara convençuts.

El gran astrofísic britànic Sir Fred Hoyle no hi estava d'acord. Ell seguia defensant un model estàtic i etern del cosmos. I va ser ell, qui, en un programa de ràdio de la BBC allà pels anys 30 del segle passat, va voler mofar-se del model rebel, i el va anomenar despectivament "Big Bang", la gran explosió.

Ves per on, Hoyle li va fer una enorme operació de marketing al nou model cosmològic, ja que li va inventar un nom que, de seguida, va calar i que ha perdurat fins ara.

El segon gran triomf del Big Bang va arribar l'any 1965. Dos físics americans estaven provant una antena de comunicacions prop de New Jersey, quan varen notar una molesta interferència que rebien del cel. Primer varen pensar que era provocada per la ciutat, però la cosa és que la seguien rebent apuntessin on apuntessin. Aquella interferència era, a més, extraordinàriament homogènia: des de punts allunyats del cel arriba pràcticament la mateixa radiació a la mateixa temperatura.

No es va trigar gaire en relacionar aquesta descoberta totalment casual amb el model del Big Bang. Els cosmòlegs havien predit que, poc després del moment zero de l'univers (uns 380.000 anys després), s'hauria alliberat una radiació, una llum d'altíssima energia que ompliria l'espai i que, degut a l'expansió de l'univers, s'hauria refredat extraordinàriament i ens arribaria avui en forma de vulgars i fredes microones.

Els cosmòlegs varen saltar d'alegria. Allà al davant tenien la confirmació de la predicció. I els 2 físics, en Penzias i en Wilson, també varen saltar d'alegria, ja que els va caure un Nobel del cel.

Per si el model no en tingués prou amb això, poc a poc els astrofísics varen anar quadrant, un a un, els fets que s'observen a l'univers amb el model del Big Bang. Fins i tot, la mateixa composició del cosmos era perfectament predita pel nou model. Extraordinari (a pesar de tot, Fred Hoyle va morir sense mai acceptar-ho).

Les fórmules matemàtiques, provinents de la relativitat general, que explicaven el Big Bang es van convertir en una eina fantàstica. Unes fórmules amb les que un podia jugar a simular universos, que s'expandien per sempre, o que s'acabaven col·lapsant. Fórmules que semblaven explicar a la perfecció el nostre univers.

Però la perfecció cotitza molt cara. I no es va trigar en admetre que hi havia alguna qüestió de detall que el Big Bang no acabava de resoldre. I allò resultava força molest.

Una de les pegues que es va identificar va ser la que rep el nom del problema de l'horitzó.

I diu així.

En cosmologia, diem horitzó (de partícula) a la regió de l'espai que conté tots els objectes que han tingut temps de fer-nos arribar la seva llum des de l'inici de l'univers. En altres paraules, actualment el nostre horitzó equivaldria al que anomenem univers observable. Una immensa regió del cosmos, a la que vulgarment ens referim com a ... univers.

Si us sembla complicat, no abandoneu si us plau l'article. És més senzill del que sembla.

Com sabeu, la llum viatja a una velocitat constant. És un ritme enorme, prop de 300.000 km a cada segon. Però tot i ser gegantina, aquesta velocitat és finita. I per obligació triga molt de temps en poder creuar les grans extensions del cosmos.

Imagina't per un moment que l'univers de debò és molt, però molt més gran que el que nosaltres anomenem univers. Les galàxies que es trobin molt lluny ens seran invisibles, simplement perquè la seva llum encara no ens haurà arribat. Haurà estat viatjant a tota pastilla (a la velocitat de la llum) cap a nosaltres, però en els 13.800 milions d'anys de vida que li calculem a l'univers encara no ens haurà arribat. Direm que aquesta galàxia és fora del nostre horitzó, fora de la nostra possibilitat d'observació.

La importància de l'horitzó de partícula és enorme, i no simplement per una qüestió observacional.

Si dues partícules es volen posar d'acord i presentar la mateixa temperatura, és obligat que quelcom les comuniqui i que transfereixi energia (calor) d'una a l'altra fins a equilibrar-les. I no hi pot haver un "quelcom" més veloç que la llum.

Això vol dir que un pot arribar-se a creure que tot allò que és dins l'horitzó de partícula pugui assolir, aproximadament, la mateixa temperatura. Simplement perquè la llum ha tingut temps de viatjar i posar en contacte els objectes dins l'horitzó (aquesta és, precisament, la definició d'horitzó).

Però una cosa és creure's això, i una altra, ben diferent, és creure's que objectes que es trobin més allunyats entre si que els seus respectius horitzons hagin pogut establir uniformitat tèrmica. Com ho han pogut fer, si ni la llum ha tingut temps de posar-los en contacte i equilibrar temperatures?

I aquí és on apareix el problema de l'horitzó. Resulta que quan un observa la radiació que van detectar en Penzias i en Wilson, anomenada radiació còsmica de microones, veu que és extraordinàriament homogènia. Fins i tot quan apunta els instruments a 2 punts del cel diametralment oposats, a la dreta i a l'esquerra. I la decepció és gran... perquè és fàcil adonar-se que aquests 2 punts mai no han tingut temps de posar-se en contacte!

No abandonis encara. Aguanta una mica més, que la cosa s'anirà concretant (espero).

Tornem un moment a la definició d'horitzó de partícula. Ens podríem imaginar que som al centre i que estem rodejats per una gran esfera que conté tot l'univers que és observable per nosaltres. El radi d'aquesta esfera seria... l'horitzó de partícula. Quadra oi? Dèiem que l'horitzó marcava el límit de l'univers observable.

Doncs bé, si contemplem 2 punts de l'espai que estan sobre el límit d'aquesta esfera, és IMPOSSIBLE que durant la història de l'univers hagin pogut intercanviar informació, llum. Simplement perquè els separen actualment 2 radis de la nostra esfera, és a dir, 2 horitzons.

Molt bé. I què hi ha amb què puguem jugar, observar, i que es trobi en el llindar, en el límit de l'esfera? Doncs la radiació còsmica de microones! Es va alliberar 380.000 anys després del Big Bang, i per tant podem considerar, com a magnífica aproximació, com si s'hagués creat en el mateix moment zero (ja que l'univers té 13,8 mil milions d'anys d'edat, i 380.000 anys, comparats amb això, no són absolutament res!).

Observar la radiació còsmica de microones equival, molt aproximadament, a observar quasi el mateix Big Bang. De fet, és la llum més antiga que podem captar.

Ara és fàcil veure el que deia abans: com és que 2 punts del cel, diametralment oposats, ens envien radiació còsmica de microones tan brutalment homogènia? Què ha fet que tots els punts de l'espai, mirem cap a on mirem, estiguin a la mateixa temperatura si la llum no els ha pogut comunicar?

Una possible resposta al problema de l'horitzó és pensar que l'univers ja va néixer en equilibri tèrmic. És a dir, que no ha calgut cap llum que transporti energia, que comuniqui. Que tot va aparèixer a la mateixa temperatura.

Això, però, és com molt poc elegant, ja que imposa una condició d'inici forçada. Per què hauria d'haver estat així? La natura no té cap obligació de simplificar les coses per als cosmòlegs, oi?

Una altra possible explicació seria que el model del Big Bang falla estrepitosament. Que la relativitat general no funciona com esperàvem, i que les fórmules que emprem per a descriure tot el que acabo d'explicar no són correctes.

Un podria tenir la temptació de pensar això, especialment si al problema de l'horitzó hi suma 2 nous problemes que amoïnaven als científics creadors del model del Big Bang. Un d'ells té a veure amb les observacions que ens mostren un univers extraordinàriament pla (cura amb el que entenem per pla! Ens estem referint a que en el nostre univers sembla funcionar la geometria que hem après de petits, i que anomenem Euclidiana, segons la qual, per exemple, els angles d'un triangle sumen 180 graus).

Per què és pla? És una probabilitat contra ... infinites! Si l'univers és realment pla (encara ens queda una diminuta incertesa al respecte), la natura s'hi ha esforçat de debò! Perquè li hagués estat molt més senzill construir un cosmos corbat. Tan corbat com hagués volgut, poc o molt. Infinites possibilitats contra una sola, contra només un univers pla, que no admet variacions. O ets perfectament pla, o no ho ets i ets corbat.

L'altra problema és el dels monopols. Va, va... que ja acabem aquesta part. Aguanta!

El model del Big Bang i la nostra física prediuen que poc després del moment zero es devien formar monopols, que vindrien a ser objectes meitat d'un imant. Els nostres imants, tots els que coneixem a la natura, tenen 2 pols. Encara és hora que descobrim un imant amb només un pol, això sembla no existir. Però, com deia, la física prediu que han d'existir, i molts, i que es van formar en el Big Bang. On dimonis són?

3 grans problemes, doncs. El de l'horitzó, el de l'univers pla, i el de l'absència de monopols. Tirem ja el Big Bang a la brossa? No tan ràpid.

Si vols descartar el model, i la relativitat general, ho tens fotut. Has de ser capaç de construir un model que proporcioni un relat de l'univers tan increïblement perfecte com ho fa el Big Bang.

Per aquest motiu, alguns astrofísics fa temps varen pensar que existia una altra possibilitat. Una que passava per completar, per modificar, el model del Big Bang, pensant en un procés que hauria tingut lloc poc després del moment zero i que resoldria alhora els 3 problemes comentats. La inflació.

Us he dit, al començament d'aquest article, que m'havia fet mandra. Ja veieu una mica perquè. És, segurament, l'article més llarg i complex que he escrit en el bloc. Un bloc divulgatiu, en què sempre he intentat que les coses fossin senzilles (no sé si sempre ho hauré aconseguit). Però quan un se'n va al naixement del cosmos, de senzill, senzill, res (de nou, per què la natura hauria d'haver creat un relat senzill només per facilitar-me a mi explicar-lo?)

Deixeu que us digui que, des de petit, sempre m'ha pogut la via experimental. Aquesta és la raó per la qual, tot i fascinar-me l'univers, vaig fer Química en primer lloc. Aquesta és una ciència bàsicament experimentalment, amb la que un pot fer i desfer. Pot mesclar, remenar i comprovar. És clar que ràpidament em vaig passar a la Quàntica... on justament un no pot ni mesclar, ni remenar ni a penes comprovar res. No sé, no sé què em va passar, la veritat.

Bé, la cosa és que també amb això de la inflació, i especialment pel que fa al problema de l'horitzó, volia experimentar. Volia emprar jo mateix les fórmules que es deriven de la relativitat general, l'anomenada equació de Friedmann, i comprovar numèricament tot el que us he estat explicant. Comprovar la magnitud de la tragèdia, com de gran és el problema del Big Bang original.

Mandra un altre cop. Havia de treure temps, i ganes. I tornar a consultar llibres de cosmologia, plens de formuletes, d'aquelles que quan les veus tens ganes de passar pàgina... només per descobrir amb horror que la següent està encara més farcida que la que acabes d'abandonar.

Total, que ho he fet. He estat com unes 3 setmanes, i he acabat precisament avui.

I sí. Puc donar fe que el problema de l'horitzó existeix, i que la inflació, que ara us explico, ho resol.

Els meus càlculs, en els que he hagut d'aplicar moltes aproximacions, jugant amb un model d'univers simplificat, de fireta, indiquen que punts separats a l'espai per més d'uns 2 graus no poden tenir radiació còsmica de microones tan homogènia com rebem. Pensa-hi: 2 graus... no són res! (és l'equivalent a 4 llunes, una al costat de l'altre, en el nostre firmament). És, per tant, increïble que puguem estar rebent la radiació de fons idèntica de qualsevol lloc del cel!

Com ho resol, tot això, la inflació?

El model inflacionari explica que molt poc després del moment zero, l'univers va patir una expansió exponencial, brutal, durant una minúscula fracció de temps. Un cop acabada aquesta fase inflacionària, l'univers ja es va seguir expandint normalment, al ritme del model del Big Bang.

Anem a veure com funciona la inflació i com resol els problemes.

T'aviso, però, que les xifres són... inimaginables. Agafa't bé, que venen corbes. Però si has aguantat fins aquí, ara ja no ho pots deixar, eh?

Després d'una bilionèsima de bilionèsima de bilionèsima de segon del moment zero (t'he avisat!) va començar la inflació, i va durar 100 bilionèsimes de bilionèsimes de bilionèsimes de segon (com ho portes?). Durant aquest temps increïblement curt, l'univers es va expandir al menys 10 bilions de bilions de cops! (ho sé, ho sé, a mi també em mareja)

Espera, però, que ara ho veuràs amb xifres que he fet.

Recorda que no sabem com de gran és l'univers, només podem intuir la dimensió del nostre univers observable, la "petita" regió del cosmos que agrupa totes les galàxies que formen el que anomenem "univers".

Doncs aquesta regió, el que ara és el nostre univers observable, va créixer, amb la inflació, des d'una mida subatòmica a quelcom tan gran com un autocar! En només, recorda, 100 bilionèsimes de bilionèsimes de bilionèsimes de segon.

Com t'has quedat? Mola, oi? Tot l'univers observable, milers de milions de galàxies, comprimit en un autocar, i abans en una boleta molt, molt més petita que un àtom.

Felicitats! Ara és quan ja pots agafar aire i relaxar-te, perquè ja hem fet el més difícil. Ara ja ve costa avall. 

Després de la inflació, segueix el Big Bang normal, amb l'avorrida expansió de tota la vida, que ha fet que, durant 13,8 mil milions d'anys, aquest autocar creixi fins a ser el nostre univers observable, una esfera d'uns 40.000 milions d'anys llum de radi!

I què fa la inflació respecte els problemes que tenia el model bàsic del Big Bang?

L'expansió exponencial, tan brutal, de la inflació el que va fer és empènyer cap a fora de l'horitzó de partícula pràcticament tot el que hi havia en aquell moment. Ho represento a la figura següent:

Et recordo que el que hi havia dins de l'horitzó de partícula estava connectat, comunicat per la llum, i, per tant, podria haver assolit l'equilibri tèrmic. Quan s'atura la inflació, han quedat fora de l'horitzó partícules que abans havien estat dins. Quan, al llarg de la història de l'univers, aquest es va anar expandint xino-xano alhora que creixia l'horitzó de partícula (perquè la llum havia tingut més temps per recórrer les distàncies), hi va haver punts que tornaren a entrar dins el nostre horitzó, però que ja havien estat dins abans de la inflació. I és per això que, quan els observem ara, en el mateix llindar de l'esfera de l'univers observable, els veiem en equilibri. Simplement perquè ja ho havien estat abans del període inflacionari.

Així és com la inflació resol el problema de l'horitzó.

També resol el de l'univers pla. És senzill entendre-ho. Imagina't, de nou, un globus. Quan l'infles, i l'infles encara més, si et fixes en una minúscula zona de la goma, de la superfície de globus, veuràs que és pràcticament plana. També ho pots pensar de la Terra! Tu dibuixes un triangle en un paper, sumes els angles, i obtens 180 graus. I dedueixes que la Terra és plana! Error! Ets sobre una esfera enorme, de quasi 6.400 km de radi. Però és tan gran, comparada amb el full de paper on estàs dibuixant, que la curvatura del planeta no es nota, i et sembla que vius en un món pla.

El gegantí creixement que provoca la inflació aplana l'espai proper a nosaltres. Converteix un espai que no calia que en fos, de pla, en un cosmos observable quasi perfectament pla.

I el problema dels monopols? També fàcil. Se'n van crear moltíssims a l'inici de l'univers, però, de nou, l'expansió de la inflació els ha diluït extraordinàriament, de forma que, fent números, un obté que és molt probable que no n'hi hagi cap ni un dins el nostre univers observable! Res estrany, doncs, en què mai n'haguem detectat cap!

Es diu que el model inflacionari se li va ocórrer a un astrofísic britànic, de nom Allan Guth, quan anava en bicicleta. Devia ser el seu moment d'eureka, de la poma de Newton. Però el cert és que han estat molts els científics que han treballat sobre aquesta hipòtesi, que refina el model del Big Bang, i que, més que mai, converteix aquest model en una roca solidíssima, capaç d'explicar-nos el que veiem allà fora. Capaç de relatar-nos, segon a segon, la història del cosmos. La nostra història.

Segueixes aquí? Espero que sí. Jo acabo ara d'escriure tot això d'una tongada. M'ha costat unes 2 hores i una coca-cola (és la meva dosi de cafeïna, ja que no prenc cafè), i he agafat forces per a redactar-ho després de la xerrada que he fet a noies i nois de segon de batxillerat de l'escola Frederic Mistral de Barcelona.

Només desitjo que a tu no t'hagi costat un mal de cap. Ben al contrari, voldria que t'hagués fet venir preguntes al cervell. Detalls que no has vist clars i que necessites pensar 2 o 3 vegades més. Si t'ha passat això, anem bé, perquè tot el que sigui donar-li tombs al Big Bang significa meravellar-se amb l'increïble pla de la natura, i els immensos esforços dels humils humans per apropar-se a l'enteniment del cosmos.

Ai, si Galileu i Newton ho veiessin, això de la inflació!

L’energia que estira l’univers bé mereix un disc

Dins sa teva mà veig

tots els camins.

Em porten a llocs

on no he estat mai.

Com el teu cos nu,

tanta llum, tanta pau.

D'on surt tot aquest temps.

Tant me fa, dius "tant me fa".

Energia fosca.

Tu tens la llum

de totes les coses.

Energia fosca, El Petit de Cal Eril 2019.

L’univers s’expandeix, i no hi ha res que puguem fer. Només contemplar-ho i intentar entendre el per què. Ah, i escriure un disc.

El cosmos era un lloc bastant avorridot a començaments del segle XX, quan tothom creia que era estàtic. Però vet aquí que el genial Einstein va formular la relativitat general, que explica com funciona la gravetat, i el resultat de l’aplicació de la nova i revolucionària teoria a l’univers donava com a resultat que aquest no podia ser estàtic, i que s’havia d’expandir o contraure.

Suposo que el mateix Einstein va quedar tan sorprès que no s’ho va creure. Potser per primer cop, i únic, a la seva vida va dubtar de les seves fórmules, i les va obligar artificialment a produir un univers estàtic. Les va modificar introduint una constant cosmològica que evitava el dinamisme del cosmos.

Varen ser altres físics, com ara George Lemaitre, un clergue blega, que emprant les equacions d’Einstein van veure que allò no podia ser, que l’univers no podia ser estàtic, i que les fórmules deien la veritat, per sorprenent que semblés.

Poc a poc, la imatge d’un univers en moviment es va anar estenent entre la comunitat científica. I la confirmació va arribar l’any 1929. Aquell any, Edwin Hubble publica un famosíssim article en el que demostra l’expansió de l’univers en base ja no a prediccions, sinó a resultats experimentals.

L’astrònom americà observà galàxies, i en mesurà 2 propietats. Per una banda, la velocitat a la que es mouen, apropant-se o allunyant-se de nosaltres. Això va ser possible gràcies als químics que, molt abans, havien descobert que cada element químic deixava una empremta única en la llum que emetia quan s’escalfava en el laboratori. Aquesta empremta, en forma de bandes fosques dins l’espectre de la llum (la llum descomposta per un prisma) era deguda a la radiació que era robada per l’element químic en qüestió quan la utilitzava per excitar els seus electrons.

De forma similar a com el so d’una moto canvia el to quan s’apropa i després s’allunya de nosaltres, passant de l’agut al greu, la llum també està sotmesa a un efecte semblant. Quan la galàxia en qüestió s’apropa, la seva llum apareix desplaçada cap al color blau, que equivaldria al to agut del so. I quan s’allunya, veiem la llum desplaçada al vermell. Doncs bé, observant com les bandes fosques, les empremtes, dels principals elements químics de les estrelles quedaven mogudes cap al blau o cap al vermell, es podia estimar la velocitat a la que aquella galàxia es movia.

L’altra propietat que en Hubble va mesurar va ser la distància. Emprant el mètode ideat per Henrietta Swan-Leavitt, va emprar una classe d’estrelles variables, anomenades Cefeides, per a calibrar la distància de les galàxies que observava.

El resultat va ser un gràfic que dibuixava una simple línia en pendent. Una innocent línia inclinada que, ni més ni menys, cridava deient-nos que l’univers s’expandia.

Sempre he emprat l’exemple del globus per a explicar-ho, entenent, però, que és una simplificació (que ningú no es pensi que el cosmos té forma de globus, eh?)

Suposem que dibuixem, sobre la goma del globus, punts de color, que representaran les galàxies. Si inflem el globus, observarem que tots els punts de color se separen uns dels altres. De fet, ens podríem situar sobre un dels punts, i veuríem que nosaltres estem immòbils mentre que són els demés punts que s’allunyen de nosaltres. Potser, per un instant, ens podrà passar pel cap que som al centre de l’univers, però ràpidament, i pensant en el globus, abandonarem aquesta pretensiosa idea: qualsevol dels punts podria reclamar ser el centre, qualsevol d’ells observarà el mateix.

Ara fixem-nos com, en el globus, com més allunyat és un punt del nostre, més ràpidament s’allunya. És un efecte de l’estirament de la goma del globus.

Doncs això és l’expansió de l’univers. Tot s’allunya de tot (és una aproximació, ja que a “curta” escala la gravetat guanya la partida a l’expansió i, per exemple, la gran galàxia d’Andromeda s’apropa en via de col·lisió amb la nostra Via Làctia). I com més lluny és una galàxia, la seva llum apareix desplaçada més cap al vermell. Aquesta és la línia de Hubble, una relació increïblement simple entre la distància a la que es troba una galàxia i la velocitat a la que sembla allunyar-se de nosaltres. A doble distància, doble velocitat.

Observeu com he dit “a la que sembla allunyar-se”.Hubble, al començament, va cometre l’error de pensar que allò que mesurava eren velocitats. Però, en realitat, els punts de color del globus no es mouen. Se separen perquè es crea goma entre ells, però no pas perquè tinguin cap moviment propi. Per tant, el que mesurem són velocitats aparents de les galàxies.

La confirmació de l’expansió de l’univers va donar vida a la teoria del Big Bang. Si l’univers s’expandia, era lògic pensar que rebobinant en el temps arribaríem a un moment de màxima concentració de matèria i energia. Un moment zero.

Amb els anys, tot aquest puzle ha anat encaixant d’una forma prodigiosa. Hem acumulat més evidències de l’expansió, i del mateix Big Bang. Fins i tot hem arribat a captar la llum de poc després del naixement de l’univers i a poder calcular la seva edat.

Ens queden detalls, sempre en quedaran afortunadament. Però hi ha un enigma que no podem catalogar precisament de detall. Qui està inflant el globus?

Energia fosca és el nom que els científics han posat a aquesta bufera. 

És una energia desconeguda, que encara no podem explicar. Tenim diverses hipòtesis sobre la seva naturalesa, però hores d’ara cap d’elles és gens satisfactòria. Som realment molt lluny de saber què és.

Des de finals del segle passat, és a dir ahir, sabem que l’espai no només s’expandeix, sinó que ho fa acceleradament. Al cap i a la fi, la recta de Hubble no ho és tan recta com ens pensàvem!

Això vol dir que la bufera ha vençut la resistència de la goma del globus, i sembla que ja res no la podrà aturar. L’univers, aparentment, se seguirà expandint eternament.

La qüestió de l’energia fosca és, doncs, una de les fronteres actuals de la ciència. Però no només de la ciència. Ara també de l’art.

Estava jo tranquil·lament escoltant als meus companys de El Suplement de Catalunya Ràdio un dissabte, quan l’entrevista que li estava fent en Roger Escapa i la Núria Graham al Petit de Cal Eril va fer que saltés del sofà.

En Roger li preguntava al cantant sobre el motiu del títol del seu nou disc, Energia Fosca. Innocentment, sense sospitar-ho, li deia a l’artista: “saps que els diumenges tenim una secció de divulgació científica amb en Joan Anton on hem explicat algun cop això de l’energia fosca?”

En Joan Pons, El Petit de Cal Eril, interromp al Roger amb un “espera! Éreu vosaltres?”. I explica que va escoltar un dels nostres programes de La Terra és Plana mentre anava en cotxe. Un programa en el que parlàvem de l’energia fosca i l’expansió de l’univers. En Joan va anotar-se ràpidament al seu mòbil algunes idees i conceptes, i això el va inspirar en la composició del nou disc.

Jo no podia donar crèdit, i de seguida em vaig intercanviar missatges de whats amb els companys de Catalunya Ràdio. Quina il·lusió! Art i ciència! Què més podia demanar?

En l’entrevista, el Petit de Cal Eril deia que ens hauríem de conèixer, cosa que activaré ràpidament i amb molt de gust. En un moment donat va parlar fins i tot de pop quàntic. Ummm... crec que això m’enganxarà.

Aquí pots escoltar l’entrevista de El Suplement al Petit de Cal Eril.

Com són les coses de l’energia fosca, que el dia següent d’escoltar al Joan Pons jo dedicava casualment el programa de La Terra és Plana a l’expansió de l’univers! Una coincidència? O seran coses de l’energia fosca?

Aquí pots escoltar el programa sobre l’expansió de l’univers.

L'energia fosca: una bufera que potser no seria bufera

L'any 1929, l'astrònom americà Edwin Hubble va fer un dels descobriments més fonamentals de la cosmologia moderna. Analitzant la llum de les galàxies que en aquells moments es coneixien va trobar que totes elles, amb alguna excepció puntual, s'allunyaven de nosaltres. Hubble acabava de trobar la primera prova experimental de l'expansió de l'univers.

Durant molt de temps, els científics havien cregut que el cosmos era estàtic, és a dir, que ni s'expandia ni es contreia. A començaments del segle XX, aquesta era, diguem-ne, la teoria ortodoxa i dominant. De fet, de les observacions que es podien realitzar amb els instruments de l'època, res feia sospitar el contrari.

Quan Albert Einstein va formular la seva revolucionària relativitat general, l'any 1917, les formules matemàtiques que donaven cos a la teoria conduïen a un univers que no ho podia ser, d'estàtic. Però era tan arrelat el convenciment que els científics, inclòs, el mateix geni alemany, tenien sobre la immutabilitat del cosmos que Einstein va decidir domar artificialment les seves noves equacions, introduint una constant arbitrària per a produir un univers feliçment estàtic.

El descobriment de Hubble va fer veure a Einstein el seu error: havia tingut davant els nas la predicció teòrica que l'univers havia d'expandir-se, i no s'ho havia cregut. Havien estat altres científics, com ara George Lemaitre, els que, emprant la relativitat general formulada per Einstein, havien intuït l'expansió anys abans.

És clar, una expansió portava immediatament a la conseqüència d'un inici, simplement rebobinant imaginàriament el temps cap al darrera. Un inici en què tota l'energia de l'univers havia d'estar concentrada en un espai increïblement petit. Un començament espectacular, en què tot es va posar en marxa. El moment del Big Bang.

Molt sovint empro l'exemple del globus quan explico què va descobrir en Hubble. Imaginem un globus en el que hi hem enganxat uns gomets de color a la seva superfície, com si fossin galàxies. Quan inflem el globus, els gomets se separen tots de tots. Si ens situem mentalment sobre qualsevol dels gomets, observarem com tots els demès s'allunyen de nosaltres. A més, i tal com va trobar Hubble, veurem que els gomets que estan més lluny semblen separar-se de nosaltres més ràpidament que els que es troben a prop.

L'exemple del globus també ens serveix per a reflexionar sobre 2 qüestions fonamentals. En primer lloc, que no hi ha gomets, galàxies, preferides o especials. Qualsevol de les galàxies pot reclamar el discutible privilegi de ser ella la que està immòbil i, per tant, ser el centre de l'univers. Quan, en realitat, de centre no n'hi ha. Com deia, tots els gomets estan, de fet, immòbils. Ningú els ha aplicat una velocitat. Tots poden dir que estan quiets. I això ens porta a la segona reflexió clau: la raó que fa que els gomets s'allunyin tots de tots no és pas que es moguin amb velocitats pròpies, sinó que es crea goma entre ells quan s'infla el globus!

De forma similar, l'expansió de l'univers es produeix quan es crea espai entre les galàxies.

Des del descobriment de Hubble, són moltes les observacions i proves que hem anat acumulant sobre l'expansió de l'univers. Avui, per exemple, sabem que uns pocs milers de milions després del moment zero, del Big Bang, la gravetat de tota la matèria del cosmos va fer que l'expansió s'alentís, actuant com si fos la resistència que té la goma del globus a seguir inflant-se. Però el més fascinant és que finalment l'expansió va guanyar la batalla. Ara sabem que l'univers s'expandeix a un ritme accelerat, és a dir, cada cop més ràpid. Com si la bufera hagués trencat la goma i res ja no pogués aturar l'expansió.

Com deia, són moltes les evidències i proves que actualment tenim i que recolzen aquest escenari.

Tot això ens porta, però, a una de les grans incògnites de la ciència. Una qüestió molt més profunda del que pot semblar a primera vista, i que podria significar una veritable revolució científica: què està inflant el globus? D'on surt la bufera?

Amb el nom "energia fosca" ens referim a aquesta enigmàtica bufera. L'energia que estaria al darrera de l'expansió de l'univers, i que actuaria com el motor que fa que l'univers sigui cada cop més gran.

El més preocupant és que no sabem què és aquesta energia fosca. No en tenim ni idea. Bé, tenim hipòtesis, possibles explicacions. Però cap d'elles sembla quadrar amb el que observem, ni tampoc cap d'elles ens ofereix una explicació teòrica suficientment raonable.

Per exemple, l'energia fosca podria ser un component intrínsec de l'espai. Allò que anomenem espai buit podria no estar buit realment, i l'espai, com a tal, podria tenir associada aquesta energia que actuaria en contra de la gravetat. Així, al crear-se més espai, estaríem també augmentant l'energia fosca, i l'expansió s'acceleraria.

El problema, però, és que no aconseguim entendre realment la naturalesa d'aquesta energia que s'associaria a l'espai. La mecànica quàntica, per exemple, ens diu que, efectivament, l'espai buit no és buit, i vibra amb multitud de partícules que es creen i s'aniquilen espontàniament. Però quan, amb les fórmules de la quàntica, intentem calcular el valor de l'energia de l'espai buit ens trobem amb resultats increïblement discordants amb els que sostindrien l'expansió de l'univers que mesurem. En altres paraules, si aquesta fos la naturalesa de l'energia fosca, el nostre cosmos simplement no existiria.

La qüestió de l'energia fosca és més greu a cada dia que passa. A pesar dels experiments i programes d'observació que s'estan duent a cap des de fa anys, seguim sense pistes, sense res que ens faci pensar que estem avançant o en el bon camí per entendre què és aquesta misteriosa energia. És un fet, com deia, preocupant, molt diferent al que passa habitualment amb altres investigacions en les que veus l'horitzó o intueixes la llum al final del túnel. Aquí, quan parlem d'energia fosca, tot és túnel, tot és foscor.

Queda una possible explicació. Una que significaria la revolució de la física. Que podria tombar alguns dels fonaments científics moderns.

Podria ser, simplement, que no entenguéssim com funciona realment la gravetat. Podria ser que la relativitat general de l'Einstein, la teoria que no ens ha fallat mai i que encara avui, 100 anys després de la seva formulació, ens segueix aportant prediccions que acabem descobrint experimentalment (com, per exemple, les ones gravitacionals)... podria ser, sí, que aquesta magnífica teoria no fos si no una aproximació, una simplificació, d'una teoria encara més global que ens expliqués un funcionament de la gravetat diferent del que tenim actualment.

Què passaria si la gravetat es comportés de forma diferent, diguem-ne a "petita escala" (dins de rangs de centenars de milions d'anys llum, per exemple) que a "gran escala"? Potser llavors no es necessitaria tal energia fosca, i el comportament de l'univers es podria explicar "simplement" amb aquest comportament "normal" de la gravetat?

Aquesta és una de les raons que converteix en fonamental la investigació sobre l'energia fosca. Del seu enteniment, o de la seva negació, ens pot aparèixer una nova física. Com en el seu dia la física einsteniana va venir a substituir a la newtoniana.

De moment, els programes d'investigació segueixen molt actius, tot i que alguns científics ja han començat a deixar entreveure els seus dubtes sobre poder obtenir resultats satisfactoris durant els propers anys.

I és que ens trobem davant una de les fronteres del coneixement. Una energia desconeguda, que provoca canvis en l'univers que podem mesurar, però que es manté amagada, fora de la nostra comprensió. 

Una energia que podria, després de tot, no ser energia. Que podria ser la porta a una nova ciència. La porta que ens conduiria a una habitació més gran, amb més finestres que potser ens permetrien entendre millor el cosmos que habitem i descobrir els errors del coneixement passat.

Una bufera que potser no seria bufera.

La fusió de 2 estrelles de neutrons fa 130 milions d'anys obre la porta a conèixer millor l'univers

El passat 17 d'octubre es va fer públic un dels descobriments més importants de l'astronomia dels darrers temps. L'anunci, fet en roda de premsa oberta per internet, es va produir just 2 mesos després dels esdeveniments que varen conduir a aquest descobriment.

El 17 d'agost es va rebre, de forma quasi simultània als 2 grans detectors d'ones gravitacionals existents, una vibració de l'espai provocada per la fusió de 2 estrelles de neutrons fa uns 130 milions d'anys. Poc després, fins a 17 telescopis arreu del món rebien la llum d'aquest esdeveniment.

Si sou lectors generalistes, sense gaires coneixements científics, potser la descripció que acabo de fer no us dirà res. Deixeu-me, doncs, que intenti explicar on radica la importància del fet.

Tot el que sabem del cosmos, de l'univers, ho sabem gràcies a la llum. Aquesta és el missatger que ens porta informació dels objectes que habiten allà fora, així com dels processos que hi tenen lloc.

Els nostres avantpassats contemplaven el cel amb l'ull nu, l'únic instrument del que disposaven per rebre la llum que emetien les estrelles i els planetes (en aquest cas llum del Sol reflectida). Nosaltres també processem llum quan mirem, embadalits, el firmament. Però des del segle XVII, l'home disposa d'un potent instrument que ha permès tot el desenvolupament de l'astronomia moderna: el telescopi.

Inicialment, i fins fa relativament poc temps, els telescopis observaven de forma similar als nostres ulls. Amb pupil·les molt més grans, recullen llum d'objectes molt llunyans. Llum visible, que els nostres ulls no poden captar perquè no tenen el poder de recol·lecció necessari com per a poder apreciar aquesta radiació tan feble.

Actualment, disposem de telescopis, però, que són capaços de veure llum de la que anomenem no visible. Poden observar rajos gamma, o rajos X, que són les formes de llum més energètiques que existeixen (telescopis fora de l'atmosfera). També tenim instruments que miren en llum infraroja (també fora de l'atmosfera). O en microones (sí, microones, les mateixes que utilitzem a la cuina!). O en ones de ràdio. També formes de llum, però en aquest cas amb menys energia que la llum visible.

I és que el que anomenem llum és un missatger potentíssim. Els objectes de l'univers, i els processos físics i químics que ens expliquen com funcionen aquests objectes, emeten llum, en tota la seva varietat. El Sol, la nostre estrella, per suposat emet llum visible (la que descompon un prisma, del blau al vermell). Però també emet infrarojos (que ens escalfen la cara), o microones, i ones de ràdio. Només que els nostres ulls no han estat fets per veure tots aquests tipus de llum.

Ha estat estudiant el conjunt de totes aquestes emissions de llum que la ciència ha pogut assolir el coneixement actual. Ho hem fet amb telescopis visuals. Amb telescopis de rajos gamma i X. Amb telescopis d'infrarojos. Amb radiotelescopis.

Però, en definitiva, emprant sempre llum.

Fins a que hem començat a descobrir les ones gravitacionals.

Predites per la relativitat general d'Einstein, fa 100 anys, aquestes ones són vibracions de l'espai (temps) que certs esdeveniments provoquen. Normalment per objectes molt massius movent-se ràpida i acceleradament. Vindrien a ser com ones sobre un llac quan hi cau una pedra. I si ens imaginem que l'espai és com una tela elàstica, serien tremolors que es propaguen al llarg de la tela quan boles molt pesades es mouen per sobre.

Les ones gravitacionals no són llum, tot i que viatgen també a la velocitat d'aquesta. Al no ser llum, ens obren una nova finestra per estudiar l'univers. Es converteixen en uns missatgers nous, que ens poden portar informació diferent, complementària. Alguns ho comparem amb el so: si som capaços de detectar ones gravitacionals i estudiar-les, passem de tenir només llum a tenir també "so" (l'exemple del so és una llicència poètica, és clar).

De la mateixa forma que necessitem telescopis que observin llum, les ones gravitacionals requereixen detectors. En aquest cas no en diem telescopis. Són uns equips molt complexos, que bàsicament intenten detectar com les distàncies entre 2 objectes varien subtilment quan ens creua una ona gravitacional. Quan la petita ona sobre el llac fa que la nostra barca es bellugui.

La dificultat, i el que ha fet que fins fa a penes 2 anys no haguem detectat les primeres ones gravitacionals, és que aquestes vibracions són ínfimes, minúscules. Increïblement petites. Sabeu com de petites? Les ones que estem començant a detectar (que serien, per tant, les més fàcils de detectar) variarien la distància que ens separa de l'estrella més propera (que està a 4,2 anys llum de distància, que us recordo que són quasi 40 bilions de quilòmetres) en l'equivalent a... el gruix d'un cabell humà!!! Sí, ho has llegit bé.

És impressionant que tinguem avui aquesta capacitat de detecció. Us podeu imaginar la complexitat dels equips, que lògicament no poden mesurar bilions de quilòmetres, i ho fan sobre distàncies de tan sols alguns quilòmetres (com es veu a la fotografia). En aquestes distàncies, arriben a detectar variacions de l'ordre de la mida d'un protó (més petites que un àtom!). Qualsevol petita vibració de l'entorn, des d'un tremolor de terra, fins al caminar d'una persona, o el pas d'un cotxe quilòmetres lluny, provoca variacions, tremolors, molt i molt més grans. La tecnologia implicada aïlla els detectors de la majoria d'aquestes vibracions, diguem-ne quotidianes. Addicionalment, la utilització de més d'un detector, situats en llocs diferents del planeta, permet facilitar la identificació de senyals autèntics i separar-los de les vibracions mundanals.

Des de la detecció de la primera ona gravitacional, el 14 de setembre de 2015, se n'han pogut identificar 5. Totes elles corresponents als darrers instants de la fusió de forats negres o d'estrelles de neutrons, els objectes més compactes que coneixem.

Orbitant un al voltant de l'altre, parelles de forats negres, o d'estrelles de neutrons, al llarg de milions d'anys es van acostant, fins a que, en un sospir, cauen un sobre l'altre en una espiral boja a velocitats properes a la llum. Són esdeveniments apocalíptics, com cap altre. És la pedra que cau al llac.

La detecció del 17 d'agost correspon a la fusió de 2 estrelles de neutrons, com deia al començament. Més concretament, al darrer minut de la seva existència. Als darrers centenars de voltes abans de fusionar-se. Un esdeveniment que els astrònoms anomenen "kilonova", i que, entre d'altres coses, va fabricar, de cop, enormes quantitats d'or (milers de vegades tota la massa de la Terra!), de platí, o d'urani. Elements químics pesats que troben, a les gegantines temperatures provocades per la kilonova, el laboratori perfecte per ser forjats a partir d'elements més simples.

Però la rellevància de l'anunci, el que el fa extraordinari, és la detecció CONJUNTA d'ones gravitacionals i de llum, per primer cop a la història.

Això es va aconseguir gràcies a les alarmes disparades pels detectors d'ones gravitacionals i a la capacitat que varen tenir de posicionar de forma aproximada al cel l'origen d'aquest cataclisme. En poques hores, multitud de telescopis, emprant totes les formes de llum, miraven en aquesta direcció, i recollien valuosíssima informació.

És com l'exemple que us deia de la llum i del so. Per primer cop, hem observat un esdeveniment a l'univers rebent la seva llum i "escoltant el seu so".

Els articles que s'han sotmès a publicació a prestigioses revistes porten el nom de més de 3.500 científics d'arreu del món, en un esforç col·laboratiu segurament sense precedents.

Es trigarà mesos, si no anys, en analitzar tota la informació recollida. Combinant les observacions de llum (rajos X, visible, infraroja, microones, i ràdio), i ara també la informació proporcionada per les ones gravitacionals enregistrades, podrem entendre millor com funciona aquesta fusió d'estrelles de neutrons, que, de moment, sabem que va succeir fa 130 milions d'anys en una galàxia relativament propera (NGC 4993). També podrem completar el puzle de la formació dels elements químics. Tot i que sabem que som pols d'estrelles, nosaltres i tot el que ens envolta, forjats dins d'aquests astres o en el mateix moment de la seva mort, algunes de les incògnites que quedaven, relatives a les abundàncies que observem a l'univers dels elements més pesats que el ferro, podrien quedar definitivament resoltes.

I això només és el començament. No es tracta ja d'entendre la fusió de les estrelles de neutrons, o la formació dels elements químics pesats, sinó de disposar de la capacitat de rebre, i estudiar, més d'un missatger còsmic. La nostra comprensió dels forats negres, per exemple, podria revolucionar-se en els propers anys.

El premi gran, gran de debò, serà el mateix Big Bang, el moment de creació de l'univers. No ha existit esdeveniment en el nostre cosmos més poderós que aquest, i les vibracions que devia provocar varen ser immenses. Però aquestes enormes ones sobre el llac s'han anat afeblint lentament, i després de 13.800 milions d'anys són ara mateix a penes perceptibles. Però hi són. Han de ser-hi.

Anirem millorant, per suposat, la capacitat de detecció dels nostres instruments, i en un futur molt proper començarem a detectar, cada mes, cada setmana, multitud d'ones gravitacionals. Ens n'adonarem que el nostre espai vibra constantment, amb ones que provenen de totes les direccions, i provocades per gran nombre d'esdeveniments. I, algun dia detectarem les ones del Big Bang, de l'increïble moment zero.

Deixem, però, de pensar en el futur i assaborim de moment l'actualitat. Estem obrint una nova finestra per entendre l'univers. Una finestra complementària a la que ja teníem des de sempre. 

La llum seguirà sent, sens dubte, la font de coneixement més important, com ho ha estat al llarg de tota la història. Però ara s'unirà, poc a poc, un fascinant i extraordinari company. 

Les minúscules ones sobre el llac.

Una cascada d'emocions. Això ens fa especials.

Si algun ésser totpoderós premés un botó i fes desaparèixer la Terra, el Sol, tota la nostra galàxia composada per més de 500.000 milions d'estrelles... l'univers no ens trobaria en falta.

Seria un esdeveniment catastròfic, que no tindria cap efecte en el cosmos.

Què més dóna? Uns 500.000 milions de Sols més o menys, amb els seus 500.000 milions de planetes aproximadament. Amb segurament milions de terres. I amb una de molt important per nosaltres.

Fa molt temps que sabem que no ocupem cap posició privilegiada a l'univers. Per molt que ens vàrem encaparrar en ser el centre de tot, ara sabem que no som el centre de res. La nostra galàxia, la Via Làctia, és una entre milers de milions. No té res d'especial.

Fixem-nos. Estem descobrint tantes i tantes galàxies que les estem batejant amb noms tan avorrits com IC 1127. Quin nom ens estaran posant, a nosaltres? Segurament el mateix tipus de nom. Un nom gris i irrellevant. Inconscients que, en un dels quasi infinits planetes d'aquesta insípida galàxia, hi ha vida.

Quin contrasentit! No signifiquem res dins una escala macroscòpica. Però ho signifiquem tot en la nostra humil vida. Sí, perquè tenim el regal de la vida. I dels sentiments. I dels records. En un univers buit i fred, omplim de vida aquest racó irrellevant.

Ara mateix els pensaments se'm barregen al cap, i he decidit escriure aquest article quan encara estic submergit dins les emocions. Acabo d'escoltar, després de molts anys de no fer-ho, i quasi per atzar, l'ària de la Musetta de l'òpera La Bohème, de Puccini.

Sabeu quan quelcom et fa vibrar ben dins? I et transporta a records, olors, i visions del passat? De quan erets nen? És fascinant. Records alhora entranyables i tristos. Perquè alguns estimadíssims ja no hi són.

Quina capacitat tan extraordinària tenim! Els sentiments, i els records. Només fa falta una espurna, en el meu cas ha estat La Bohème, per desencadenar una reacció en cadena, una cascada imparable d'emocions.

I, sí, l'univers s'expandeix. En mig de la immensitat de l'espai, som insignificants, i cada cop serem més petits en aquest cosmos que no para de fer-se gran.

Però aquí estem. Vivint i morint. Pensant. Creant. Estimant. Quina passada!

Segurament em moriré abans l'home no hagi pogut entendre aquest miracle de la vida. L'enorme seguit de reaccions químiques que fan viure i morir. Pensar i crear. I estimar. Però igual que els nostres avantpassats no entenien un eclipsi de Sol, i els temien per desconeixement, els humans, un dia o un altre, acabarem per descobrir els mínims detalls d'això que anomenem vida. Si no ens aniquilem abans, és clar.

La realitat mana. Les xifres canten. Les evidències que ens demostren que no som res són irrefutables. Però penso que de la mateixa forma que ningú ens enyorarà si desapareixem, tampoc ningú s'enfadarà amb nosaltres si, per un moment, ens sentim especials, únics. No com a posició prepotent o egoista. Sinó com a sentiment de gratitud a la natura.

Decideixo publicar aquest article després de dubtar uns instants. És astronomia? Que cadascú ho valori.