La composició de l'Univers

En tot l'Univers, les estrelles funcionen com a plantes gegants de reprocessament que prenen elements químics lleugers i els transformen en altres més pesats. La composició original, anomenada primordial, de l'Univers s'estudia amb tant detall perquè és una de les claus per a la nostra comprensió dels processos en l'Univers d'hora.

HELI AL PRIMER UNIVERS

L'astrònom europeu Peter Jakobsen va investigar la naturalesa de la matèria gasosa que omple el vast volum de l'espai intergalàctic. A l'observar la llum ultraviolada d'un quàsar distant, que d'altra manera hauria estat absorbida per l'atmosfera de la Terra, van trobar la signatura de l'heli llargament buscada en l'Univers d'hora. Aquesta va ser una important peça d'evidència de suport per a la teoria del Big Bang. També va confirmar l'expectativa dels científics que, en l'Univers d'hora, la matèria que encara no estava tancada en estrelles i galàxies estava gairebé completament ionitzada (els àtoms van ser despullats dels seus electrons). Aquest va ser un important pas endavant per a la cosmologia.

Avui, els astrònoms creuen que al voltant d'una quarta part de la massa-energia de l'Univers consisteix en matèria fosca. Aquesta és una substància bastant diferent de la matèria normal que forma els àtoms i el món familiar que ens envolta.

L'enigma de què està feta la matèria fosca encara està lluny de resoldre, però les observacions increïblement nítides de les lents gravitacionals del telescopi espacial Hubble han proporcionat graons per al treball futur en aquesta àrea.

La matèria fosca només interactua amb la gravetat, el que significa que no reflecteix, emet ni obstrueix la llum (ni cap altre tipus de radiació electromagnètica). A causa d'això, no es pot observar directament. No obstant això, els estudis de Hubble sobre com els cúmuls de galàxies desvien la llum que passa a través d'ells permet als astrònoms deduir on es troba la massa oculta. Això vol dir que poden fer mapes d'on es troba la matèria fosca en un cúmul.

Els estudis de diversos d'aquests grups d'astrònoms han demostrat que la ubicació de la matèria fosca (com es dedueix de les lents gravitacionals amb Hubble) no coincideix amb la distribució de gas calent (com ho detecten en raigs X observatoris com el XMM-Newton de l'ESA o el Chandra de la NASA). Això dóna suport fermament les teories sobre la matèria fosca: esperem que els gasos calents disminueixin la velocitat a mesura que xoquen entre si i augmenta la pressió. La matèria fosca, d'altra banda, no hauria de tenir fricció o pressió, de manera que esperaríem que travessi la col·lisió relativament sense obstacles. De fet, les observacions de Hubble i Chandra han confirmat que aquest és el cas.

En 2018, els astrònoms van utilitzar la sensibilitat d'Hubble per estudiar la llum dins d'un grup a la recerca de matèria fosca. La llum intralúster és un subproducte de les interaccions entre galàxies. En el curs d'aquestes interaccions, les estrelles individuals són despullades de les seves galàxies i suren lliurement dins del cúmul. Un cop lliures de les seves galàxies, acaben on resideix la major part de la massa del cúmul, principalment matèria fosca. Tant la matèria fosca com aquestes estrelles aïllades, que formen la llum intracúmul, actuen com a components sense col·lisions. Aquests segueixen el potencial gravitacional del propi cúmul. L'estudi va demostrar que la llum intracluster està alineada amb la matèria fosca, traçant la seva distribució amb més precisió que qualsevol altre mètode que es basi en traçadors lluminosos utilitzats fins ara.

Aquestes imatges capturades pel Hubble mostren el cúmul de galàxies massives Cl 0024 + 17 (ZwCl 0024 + 1652). A l'esquerra en llum visible s'observen arcs blaus d'aspecte estrany que apareixen entre les galàxies groguenques. Aquestes són les imatges magnificades i distorsionades de galàxies situades molt per darrere de l'agrupació. La seva llum es doblega i amplificada per la immensa gravetat de l'agrupació en un procés anomenat lent gravitacional. A la dreta, un matís blau s'afegeix per indicar la ubicació de material invisible anomenada matèria fosca. Crèdits: NASA, ESA, MJ Jee i H. Ford (Universitat Johns Hopkins).

Tot i que la matèria fosca constitueix la major part de la matèria de l'univers, només representa aproximadament una quarta part de la composició. L'univers està dominat per l'energia fosca.

Després del Big Bang, l'univers va començar a expandir-se, els científics van pensar que fruit d'aquesta expansió es quedaria sense energia, disminuint la velocitat a mesura que la gravetat atreia els objectes dins d'ella. Però els estudis de supernoves distants van revelar que l'univers d'avui s'està expandint més ràpid del que cap en el passat, no més lent, el que indica que l'expansió s'està accelerant. Això només seria possible si l'univers conté suficient energia per superar la gravetat: l'energia fosca.

ENERGIA FOSCA

Més intrigant encara que la matèria fosca és l'energia fosca. Els estudis de Hubble sobre la taxa d'expansió de l'Univers han trobat que l'expansió en realitat s'està accelerant. Els astrònoms han explicat això usant la teoria de l'energia fosca, que empeny a l'Univers cada vegada més ràpid contra la força de la gravetat.

Com ens diu la famosa equació d'Einstein, E = mc 2, l'energia i la massa són intercanviables. Els estudis de la taxa d'expansió del cosmos suggereixen que l'energia fosca és, amb molt, la major part del contingut d'energia de massa de l'Univers, superant amb escreix tant la matèria normal com la matèria fosca: sembla que l'energia fosca constitueix gairebé el 70% de l'Univers conegut.

Si bé els astrònoms han pogut avançar en el camí cap a la comprensió de com funciona l'energia fosca i què fa, la seva veritable naturalesa segueix sent un misteri.