Context
En aquest capítol es fa un relat esquemàtic de les descripcions fetes per diferents cosmòlegs sobre els inicis de tot plegat, el Big Bang i la nucleosíntesi primordial.
Abans del primer moment quan tot era possibilitat
Illo tempore, en aquell temps fa 13.700 x 106 anys (13.8 x 108 anys) que comença la història més o menys hipotètica de l’univers com el coneixem (amb un error aproximat de menys de l’1% segons diuen, en tenir en compte l’aproximació matemàtica, estadística i física que suporta la ciència actual) (Quadre II). Què hi podia haver abans? On estava ficat tot plegat? És difícil imaginar. Possiblement res, encara que el sorgiment de la matèria actual del buit es fa difícil d’entendre. En realitat tot el que devia passar en l’inici és difícil d’imaginar. Podria ser la fi d’un univers anterior que col·lapsa (Big Crunch), com ho fan moltes estrelles en l’univers actual, i dona lloc a un de nou amb una gran explosió (un nou Big Bang), i així repetidament. Podria ser que el buit total no existeix en ser ocupat constitutivament per energia (l’altra cara de la matèria), un camp d’energia del buit, capaç de desestabilitzar-se en un punt, singular i petit, condensar-se i esclatar en un extraordinari Big Bang d’altes temperatures. Una gran explosió inicial sembla estar en l’origen de l’univers com el coneixem.
Potser les 4 forces que mouen la matèria, que són independents actualment, i així es poden estudiar (electromagnetisme, interaccions nuclears forta i feble i gravetat) estaven unificades en aquell camp d’energia hipotètic, eren una sola (això es diu) i l’aspecte que podria tenir allò és inimaginable. Com hem comentat en el capítol anterior, les forces fonamentals són el mecanisme mitjançant el qual les partícules interaccionen entre si i són les responsables de tots els fenòmens físics observats a l’univers. La força nuclear feble actua a l’interior dels nuclis atòmics, a distàncies molt curtes i és la responsable de fenòmens radioactius. La força nuclear forta actua entre les partícules atòmiques del nucli, els hadrons, i és una força atractiva, intensa i només actua a distàncies petitíssimes. La força electromagnètica actua entre càrregues elèctriques i pot ser una força d’atracció o de repulsió. Es debilita amb la distància i és la responsable de les unions entre àtoms i molècules. Finalment, la quarta interacció, la força gravitatòria actua entre masses i és sempre una força d’atracció. Amb la distància també es debilita. És la responsable de pes i estructura en l’Univers. La grandària de les forces fonamentals és molt diferent, però si l’energia de les partícules augmenta les quatre grandàries s’aproximen. Es considera que les quatre forces fonamentals tenien la mateixa magnitud al voltant de les altíssimes energies que hi havia just després del Big-Bang.
Potser les lleis conegudes de la física no s’aplicarien en un context com aquell sense espai ni temps. 10-43 segons després del Big Bang (que és el temps més curt després del Big Bang que la física i les matemàtiques poden recórrer) la unificació de les 4 forces es trencà en disminuir la temperatura després de l’explosió i es produí una gran expansió, inflació del camp d’energia anomenat ara inflató (inflació còsmica). Des del primer moment del Big Bang, el nou camp s’expandeix i tendeix a refredar-se. En un esdeveniment com aquest ens fa pensar el raonament matemàtic, físic i filosòfic del qual som capaços els homes i dones actualment.
La nucleosíntesi primordial és el breu període després del Big-Bang (fins a aproximadament els 15 minuts després) durant el qual es van formar alguns elements lleugers com l’hidrogen (H, un protó), el deuteri (D, isòtop que conté un protó i un neutró), i els isòtops de l’heli (³He i 4He) i del Liti (7Li).
Abans de la nucleosíntesi, però, l’univers hauria estat inicialment una mescla de diferents partícules, barions i fotons. 0.0001 segons després del Big Bang i a l’enorme temperatura de 1012 graus Kelvin (K) (era leptònica) comença la formació de fermions (leptons i quarks i les seves antipartícules). En aquest moment, l’univers és un plasma ple de quarks i gluons. Al cap de 0,1 segons l’univers s’havia refredat fins a una temperatura de 3 x 10¹⁰ K. Els primers hadrons (protons i neutrons) i també leptons com els electrons es podrien haver format entre 1 segon i 15 minuts juntament amb els primers nuclis i àtoms. Passat 1 segon després del Big-Bang (10¹⁰ K), l’equilibri entre neutrons (n) i protons (p) s’estabilitzaria sembla que entorn de n/p igual a 0,18. L’existència d’inhomogeneïtats com aquesta hauria tingut un notable paper en la nucleosíntesi primordial. D’aquesta manera, el contingut més gran de protons donaria com a resultat l’abundància d’hidrogen i heli. Al cap de 10 segons (3 x 10⁹ K), els fotons deixaren de ser prou energètics per crear parells electró-positró permeten solament una proporció d’un electró per cada 1.000 milions de fotons. Va ser la fi de l’era leptònica, i donà lloc a l’era de la radiació, moment en què matèria i energia es desacoblaren i podria haver seguit la formació del primer hidrogen neutre (2H) i la radiació de fons de microones.
Durant l’era de la radiació, no es va poder produir deuteri, o nuclis més pesants, fins que la temperatura descendí a 9 x 108 K, uns 200 segons després de l’explosió. En aquest moment, la síntesi del deuteri es produí en quantitats apreciables i començà la nucleosíntesi primordial. El deuteri es combinà amb els protons: D+p↔³He. Poc després, la major part dels neutrons lliures s’integraren en 4He generant una proporció d’hidrogen i 4He, d’un 75%, i un 25% respectivament. La síntesi acaba cap als 1.000 segons aproximadament després del Big-Bang, amb una temperatura de 3 x 108 K produint un univers compost majorment per l’hidrogen (H) i 4He amb traces de deuteri (D) i els isòtops ³He i 7Li. La resta d’elements haurien d’esperar a ser sintetitzats dins els estels.
Quadre II. Escala temporal dels primers anys
Fa 13.8 x 108 anys. Big Bang
A 0.0001 segons després comença la formació de fermions
Al cap de 10 segons podria haver seguit la formació del primer hidrogen neutre (2H)
Al cap de 3 minuts finalitza la nucleogènesis del Big Bang i al cap de 15 minuts després la formació de l’Heli (4He)
3,8 x 104 anys després del Big Bang, s’alliberen fotons i tot s’il·lumina.
5 x 107 anys després del Big Bang i baixant la temperatura en l’expansió, es comencen a concentrar els àtoms provinents de la nucleogènesis primordial, formant Nebuloses
En 5 x 108 anys, l’univers comença a semblar-se a l’actual
Les primeres galàxies es van formar després dels primers estels fa uns 500 x 106 anys, quan aquests es van agrupar per la gravetat.