Materia întunecată şi energia întunecată sunt o iluzie?

Materia întunecată și energia întunecată sunt două componente misterioase, necunoscute, ale Universului despre care se crede că reprezintă mai mult de 96% din conținutul total de materie și energie al Universului. Deși nimeni nu le-a observat niciodată, în mod direct, cu ajutorul lor oamenii de ştiinţă explică în prezent modul cum se mișcă galaxiile și expansiunea Universului.

Cu toate acestea, un nou studiu, care a fost publicat în The Astrophysical Journal, sugerează că materia întunecată şi energia întunecată ar putea fi doar o iluzie.

Materia întunecată și energia întunecată stârnesc cel mai mare entuziasm la cursurile de astronomie și astrofizică predate la universitățile din întreaga lume, iar o lectură introductivă pe această temă începe, de obicei, prin analiza diagramei densității de masă și energie a Universului. Aceasta demonstrează că, în prezent, atomii obișnuiți, cum ar fi hidrogenul și heliul, reprezintă doar câteva procente din Univers.

Structura Universului. Credit: Ben Finney

Aproximativ un sfert din masa-energia Universului este materia întunecată. Pe scurt, materia întunecată este o formă de materie care pare să interacționeze numai prin gravitație.

Există o serie de observaţii astronomice care susţin existența acestei forme de materie, iar printre acestea se numără, de exemplu, modul cum se mişcă galaxiile, clusterele galactice și alte structuri masive din Univers. Știm că pe baza materiei observate în aceste obiecte cosmice masive nu se poate explica, doar pe baza efectului gravitaţional exercitat de această materie, forma şi viteza de rotaţie a galaxiilor şi clusterelor galactice. Ar trebui să mai existe o materie invizibilă al cărei efect asigură stabilitatea în timp a formei acestor structuri cosmice masive şi viteza lor de rotaţie..

Materia întunecată este cea care, probabil, provoacă apariţia arcelor luminoase observate în jurul galaxiilor din această imagine. Credit: NASA/ESA, CC BY-SA

Surprinzător, cea mai mare parte din masa-energia Universului este reprezentată de energia întunecată. Aceasta este o formă de energie sau câmp care determină apariţia unei forțe antigravitaţionale la nivelul Universului şi expansiunea acestuia. Altfel spus, energia întunecată exercită o presiune negativă la scara Universului.

Mai mult, oamenii de ştiinţă cred că expansiunea accelerată a Universului este o consecință a energiei întunecate. Această constatare a rezultat în urma observării vitezei cu care galaxiile se îndepărtează unele de altele. Astfel, cercetătorii implicaţi în studiul energiei întunecate WiggleZ au măsurat efectul energiei întunecate folosind o nouă metodă de tipul „riglă standard” pentru estimarea distanțelor din Cosmos. Concluzia a fost că energia întunecată este reală.

O altă soluţie?

Să presupunem că energia întunecată, cât și materia întunecată, sunt prea ciudate pentru a fi reale. Ce alternative avem în acest caz?

Poate că actuala înțelegere asupra Universului este greşită şi că gravitaţia nu acţionează la scara Universului aşa cum credem noi. Poate că la fel cum legile lui Newton sunt o simplificare a teoriei relativității, poate că şi teoria relativității descrie, în mod simplificat, o caracteristică necunoscută a Universului? Poate că trebuie să modificăm ecuațiile gravitației?

Noul studiu al lui André Maeder, profesor de astronomiei în cadrul University of Geneva, se concentrează asupra „invarianței la scară”. Invarianţa la scară înseamnă că proprietățile unei anumite legi a fizicii (sau a unui set de obiecte fizice) nu se schimbă, chiar dacă multiplicăm lungimea sau energia cu un anumit număr. Acestea rămân la fel, deoarece sunt independente de scara dimensională.

Ca exemplu al unui tip foarte specific de invarianță la scară, gândiți-vă la un fractal. Chiar dacă mărim fractalul cu o anumită valoare, forma acestuia va rămâne aceeași.

Fractal. Credit: Kevin Wong/Flickr

Dacă presupunem că spațiul are această caracteristică, atunci înseamnă că proprietăţile lui nu depind de scara dimensională la care îl studiem. Ceea ce a descoperit Maeder este că, dacă admitem această ipoteză, atunci este posibil să nu mai avem nevoie de materia întunecată sau de energia întunecată pentru a explica observaţiile astronomice.

Această ipoteză este diferită de teoria relativităţii generale a lui Einstein, care sugerează că spațiul gol este descris de ceea ce se numește constanta cosmologică, care este o formă de energie întunecată. În acest caz, spațiul nu poate fi fi considerat invariabil la scară.

Mulți oameni de știință au presupus, implicit și explicit, că ipoteza lui Einstein este cea corectă. Totuși, aceasta înseamnă că avem nevoie de energia întunecată și de materia întunecată și, prin urmare, de o nouă fizică care să le explice.

Testarea teoriei

În mod incitant, teoria lui Maeder este testabilă. De exemplu, putem determina observațional viteza de rotație a galaxiilor și putem compara valorile obţinute cu predicțiile modelul său teoretic privind spațiul gol. De asemenea, putem studia mișcarea galaxiilor din grupurile de galaxii pentru a testa dacă aceasta concordă cu modelul teoretic.

Oamenii de știință au propus doar materia întunecată pentru a explica modul cum se mişcă galaxiile și grupurile de galaxii datorită gravitaţiei. Dar dacă spațiul în sine reprezintă motivul pentru care obiectele cosmice se mişcă în acest fel?

Până în prezent, testele descrise de Maeder sunt în concordanță cu observațiile astronomice. Totuşi, sunt necesare mai multe teste, deoarece Maeder a analizat doar două grupuri de galaxii. Și să nu uităm de toate celelalte studii ştiinţifice care sugerează că materia întunecată și energia întunecată sunt reale.

Cu toate acestea, dacă ipotezele pe care le-a prezentat Maeder sunt corecte, atunci se impune o revizuire amplă a conceptelor actuale din cosmologie.

Traducere şi adaptare după Study finds ‘dark matter’ and ‘dark energy’ may not exist – here’s what to make of it