Dansul materiei din Univers

O serie întreagă de aspecte din Univers este opera gravitaţiei. Ea este „motorul“ principal în mişcarea tuturor corpurilor, a galaxiilor şi „artizanul“ unor structuri precum inelele planetei Saturn, inelele celorlalte planete mari din sistemul nostru solar (Neptun, Jupiter şi Uranus), a Căii Lactee, în ansamblu, precum şi a celorlalte galaxii. În construcţia tuturor acestor forme din Univers există o amprentă comună de care se leagă felul gravitaţiei de a lucra - procesul de colectare a gazului şi a prafului dintr-o zonă a Universului într-un disc rotitor (numit şi disc de acreţie). Procesul de formare a discurilor de acreţie se dovedeşte a fi cheia potrivită în rezolvarea multor probleme referitoare la naşterea galaxiilor, a sistemului solar sau a proceselor prin care găurile negre emit radiaţie.

Gravitaţia şi naşterea galaxiilor

Cum au luat naştere galaxiile? Formarea aglomerărilor gigantice de stele nu este încă suficient lămurită. Am scris în această rubrică despre scenariul apariţiei lor, prin intermediul unui disc de acreţie. Materia iniţială, în forma gazului şi a prafului protogalactic, este colectată şi comprimată într-un vârtej, prin intermediul gravitaţiei.

Dar ce anume determină formarea acestor vârtejuri de gaz? Dar dacă Universul ar fi fost de la început neted şi perfect uniform, ar fi rămas foarte probabil aşa, pe toată durată expansiunii lui, încât astăzi nu ar fi existat corpuri precum planetele şi stelele, dar nici structuri mai largi, precum galaxiile. Însă, potrivit descrierilor actuale, încă din stadiile lui cele mai timpurii, pe când avea dimensiuni microscopice, Universul prezenta variaţii foarte fine ale densităţii. Acestea au făcut ca intensitatea gravitaţională să difere de la o zonă la alta. În acest fel, porţiunile mai dense au fost încetinite mai mult de gravitaţie, rămânând în urma zonelor învecinate, cu densitate mai mică, a căror dilatare a fost mai rapidă. Or, dintr-o astfel de regiune se poate naşte o galaxie. Încetinindu-şi tot mai mult creşterea, porţiunile dense adună tot mai mult gaz, încât ajung să îşi oprească expansiunea şi să traverseze un proces de colaps însoţit de o mişcare de rotaţie a gazului, asemănătoare unui vârtej, care va comprima gazul, facilitând ciocnirea componentelor lui.

Discul de acreţie - amprenta gravitaţiei răspândită pretutindeni

Mişcarea galaxiilor, aceste aglomerări imense de stele, arată ce putere extraordinară este ascunsă în gravitaţie! De exemplu, Calea Lactee adună între 150 şi 200 de miliarde de stele, într-un disc cu diametrul de 100.000 de ani lumină. Forţa gigantică ce mişcă toată această aglomerare imensă de stele este, desigur, gravitaţia.

Dar gravitaţia nu alcătuieşte doar galaxii. Formaţiunea aceasta numită disc de acreţie este întâlnit foarte des în Univers, într-o varietate de forme şi mărimi, în astrofizică şi cosmologie. El este prezent în forma inelelor lui Saturn, a inelelor subţiri pe care le posedă toate planetele mari din sistemul solar, sau în jurul multor stele tinere, din el putând lua naştere proto-planete. Discul de acreţie mai este prezent în sistemele binare (ce conţin doi aştri), dar şi în jurul găurilor negre. În fine, la scara cea mai mare, Calea Lactee, precum şi multe alte galaxii pot fi privite ca discuri gigantice de gaz şi praf acumulate de gravitaţie. Toate acestea arată un anumit fel de a lucra al gravitaţiei, peste tot în Universul observabil.

Cuvintele lui Hristos şi lucrarea gravitaţiei

Nu întâmplător, procedeul acesta prin care gravitaţia strânge tot mai multă materie într-un disc ce se roteşte tot mai repede - ca un bulgăre de nea rostogolit pe o pantă ninsă - a fost ridicat la rang de principiu. Acesta este ceea ce unii cosmologi numesc principiul lui Matei. El face referire la Sfântul Evanghelist, în baza textului Evangheliei sale: „Căci celui ce are i se va da şi-i va prisosi, iar de la cel ce nu are şi ce are i se va lua“ (Matei 13, 12). În Univers, gravitaţia lucrează asemănător, încât locurile ce conţin mai multă materie decât media din Univers au tendinţa să atragă mai multă materie în continuare, pe seama regiunilor mai rarefiate. Prin colectarea şi compactificarea materiei, gravitaţia face ca, în timp, regiunile mai dense decât valoarea medie din Univers să se transforme în galaxii sau stele. Aceasta este, în esenţă şi foarte sumar, teoria instabilităţii gravitaţionale, utilizată în prezent în descrierea proceselor de formare a galaxiilor.

Dansul galaxiilor şi patinajul artistic

Această stranie mişcare de rotaţie ce însoţeşte colapsul norului de gaz se întâlneşte, într-un fel, şi în experienţa directă. Este cazul patinatorilor, ce execută un exerciţiu des întâlnit în concursurile artistice. Patinatorul, în postură verticală, cu braţele deschise, se roteşte în jurul axei verticale a corpului. Cu cât va apropia mai mult braţele de corp, cu atât va avea o viteză de rotaţie tot mai mare, fără să depună nici un alt efort. Printr-un mecanism identic, contracţia gravitaţională a norilor de gaz protogalactici determină creşterea vitezei de rotaţie. În cazul galaxiei, cu cât colapsează mai mult materia, cu atât mai mult va creşte viteza unghiulară (de rotaţie) în jurul centrului. Aceasta nu este altceva decât legea conservării momentului unghiular. Un alt aspect esenţial este faptul că mişcarea de rotaţie a gazului este de fapt şi singura formă a materiei de a se opune gravitaţiei care tinde să o comprime. Din „negocierea“ acestor două tendinţe, de comprimare şi de „extindere“ centrifugă, se nasc aceste construcţii gravitaţionale circulare, discurile de acreţie de diferite mărimi.

Discul de acreţie şi mesajele găurilor negre

Am mai scris la această rubrică despre găurile negre şi despre radiaţiile pe care acestea le emit. Se cunoaşte faptul că gazul aspirat de o gaură neargă este capturat mai întâi într-o vecinătate largă a ei, formând un disc de acreţie asemănător inelelor lui Saturn. Procesul de acumulare de material în discul de acreţie continuă câţiva ani. În timpul acumulării, în mod inexplicabil, gaura neagră nu consumă decât foarte puţină materie din acest disc. O dată la câţiva ani, însă, ea trece peste această restricţie de consum, aspirând în câteva luni toată rezerva de materie acumulată în disc. În această perioadă de consum intens sunt emise radiaţii X de milioane de ori mai intense decât în perioada restricţiei. În discul de acreţie al găurilor negre în rotaţie materia se poate apropia mai mult de gaura neagră fără să fie aspirată. Totuşi, în momentul în care este aspirată, materia va avea, în cazul găurilor negre rotitoare, o viteză mai mare cu 20-30% decât cea a celor fără spin, ajungând să atingă aproximativ 50% din viteza luminii. Când materia aspirată se apropie de gaura neagră, dincolo de o anumită distanţă limită (orizontul evenimentului), gravitaţia este suficient de puternică pentru a împiedica evadarea oricărui semnal luminos. Dincolo de această graniţă, gazul aspirat îşi continuă căderea în interiorul găurii negre la viteze foarte mari. Prin urmare, radiaţia X ce provine de la o gaură neagră conţine ultima pulsaţie, ultimul semnal emis de materie chiar în momentul în care aceasta ajunge la linia orizontului de eveniment.

Aceste sclipiri intermitente de radiaţii X, care sunt emise din discul de acreţie, sunt strâns legate de cantitatea de materie pe care găurile negre o aspiră. Când este aspirată o cantitate mai mare de materie, radiaţia X emisă de gazul aflat în discul de acreţie este mai intensă. Radiaţia X provine de la particulele de gaz fierbinte din discul de acreţie format în jurul găurii negre. Mişcarea de rotaţie a acestuia provoacă fricţiuni şi ciocniri între particulele de gaz, iar temperaturile foarte mari generate de mişcarea de rotaţie la viteze extraordinare şi de frecare determină emisia unor fotoni de mare energie (radiaţie X).

Prin urmare, discul de acreţie ar putea fi considerat, alături de arhitectul de serviciu al Universului, cel ce creează, de asemenea, premisele pentru ca găurile negre rotative, de regulă considerate cele mai închise obiecte cosmice din Univers, să emită mesaje radiative... Acestea sunt tot atâtea motive pentru care cercetările astrofizice vizează apariţia şi formarea acestor discurilor de acreţie.