Universul este izotrop şi se extinde uniform, concluzionează oamenii de ştiinţă

Oamenii de știință au studiat din nou radiația cosmică rămasă în urma Big Bangului într-o încercare de a pune capăt unei dezbateri de lungă durată asupra faptului dacă Universul este sau nu izotrop.

Se pare că în Univers nu există nicio direcție „privilegiată” de expansiune şi că Universul se extinde în toate direcțiile cu exact aceeași viteză. Deşi această concluzie reprezintă o veste bună pentru actualele modele cosmologice, ea este o veste proastă pentru faimoasele ecuaţii de câmp ale lui Einstein.

O lungă perioadă de timp oamenii de știință au crezut că Universul poate fi omogen şi izotrop, ceea ce înseamnă că arată la fel în orice direcţie din spaţiu, sau că poate fi anizotrop, adică ar putea părea uniform, dar există de fapt o direcție „privilegiată” în structura sa.

Pentru a înţelege conceptul de anizotropie să considerăm un cristal de diamant. Acesta are o densitate uniformă, dar atomii săi sunt aliniați în direcții specifice.

Cu alte cuvinte, anizotropia reprezintă proprietatea unui corp de a avea caracteristici fizice variate în funcţie de direcţia de măsurare şi de observare.

Ideea că Universul ar putea fi anizotrop a fost propusă ca răspuns la anumite indicii că Universul s-ar putea să nu fie chiar atât de omogen și de izotrop pe cât am putea crede.

În anul 1543, Nicolaus Copernic a demonstrat că Pământul nu este centrul Universului şi că planeta noastră se rotește în jurul Soarelui. Această observație a dat naștere Principiului Copernican, care susține că nu ne aflăm într-un loc aparte într-un Univers infinit, fără centru.

În secolul al 20-lea, odată cu apariția teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein și observația că Universul se extinde în toate direcțiile, această idee a evoluat în principiul cosmologic, care presupune că Universul este la fel peste tot și în toate direcțiile.

Presupunerea că Universul este izotrop este o ipoteză solidă pe care se bazează orice model cosmologic actual care încearcă să explice evenimentul Big Bang, expansiunea Universului şi structura acestuia. Cu toate acestea, în ultimul deceniu s-au adunat unele indicii care au pus sub semnul întrebării această ipoteză.

Materia nu este distribuită uniform la o scară mică a Universului. De exemplu, sistemele stelare, galaxiile și clusterele de galaxii sunt împrăștiate în tot Universul sub forma unor aglomerări aleatorii, iar oamenii de știință au sugerat că acest lucru s-ar putea datora unei forțe sau unui flux pe o anumită direcţie.

Oamenii de ştiinţă cred că Universul a apărut ca un amestec omogen de particule subatomice în urma Big Bangului. Pe măsură ce Universul a trecut printr-un proces de creștere exponențială, denumit inflație cosmică, micile fluctuații cuantice din acel amestec s-au mărit foarte mult. Aceste fluctuații cuantice au furnizat variaţiile de densitate ce au reprezentat „seminţele” viitoarelor galaxii.

Modelul standard al cosmologiei actuale se bazează pe ipoteza că aceste variații de densitate sunt semnificative doar la o scară mică a Universului, ele fiind nesemnificative la o scară mare.

Dar dacă Universul este ca un cristal de diamant și există, totuşi, o direcție preferenţială, intrinsecă, pentru întreaga sa structură, indiferent de scara Universului?

Ipoteza anizotropiei Universului a câştigat teren la începutul anilor 2000, atunci când sonda spaţială Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a NASA a descoperit neomogenităţi ciudate în radiaţia cosmică de fond pe care nimeni nu a reuşit să le explice.

De fapt, există chiar o regiune în Univers atât de neobişnuită încât oamenii de știință au denumit-o literalmente Axa Răului (în engleză Axis of Evil).

Pentru a înţelege care ipoteză reflectă cel mai bine realitatea Universului, cosmologii de la University College din Londra, Marea Britanie, au decis să studieze cea mai veche radiație din Univers, adică radiaţia cosmică de fond.

În loc să caute neomogenităţi în radiaţia cosmică de fond, precum Axa Răului, ei au încercat să găsească dovezi pentru o direcție preferenţială de expansiune a Universului.

„Am analizat temperatura și polarizarea radiaţiei cosmice de fond, o radiație relicvă de la Big Bang, folosind datele de la misiunea Planck. Am comparat aceste date cu unele previziuni ale noastre privind radiaţia cosmică de fond în cazul unui Univers anizotrop.

După această căutare am ajuns la concluzia că nu există dovezi pentru aceste modele teoretice și că presupunerea că Universul este izotrop la scară mare este corectă”, a declarat Daniela Saadeh, un membru al echipei de cercetători.

Oamenii de știință au estimat că probabilitatea de a exista o direcţie preferenţială de expansiune în Univers este de 1 la 121.000, aceasta fiind cea mai bună confirmare a ipotezei Universului izotrop de până acum.

„Pentru prima dată, excludem într-adevăr anizotropia Universului”, a declarat Daniela Saadeh.

Într-un Univers anizotrop ar exista anumite modele în radiaţia cosmică de fond ca în imaginea de mai jos. În realitate, radiaţia cosmică de fond arată ca în imaginea de mai sus.

Credit: ESA, Planck Collaboration, D. Saadeh

Trebuie remarcat faptul că singurele soluții pe care le avem la ecuațiile de câmp ale lui Einstein, un set de 10 ecuații din teoria generală a relativității care descriu gravitaţia, caracterizează un Univers care nu este omogen și izotrop.

Aceste soluții, care au fost propuse de matematicianul italian Luigi Bianchi la sfârșitul secolului al 19-lea, descriu un Univers anizotrop, dar dacă această presupunere nu este adevărată atunci, probabil, va trebui să găsim o altă explicaţie pentru rezultatele ecuațiilor de câmp ale lui Einstein.

Aceasta este, totuşi, o perspectivă mult mai puțin complicată decât cea în care dovezile ar fi arătat că Universul este anizotrop. În acest caz, actualul model standard din cosmologie ar fi trebuit modificat.

„În ultimii 10 ani s-au purtat numeroase discuţii cu privire la existenţa unor indicii ascunse în radiaţia cosmică de fond privind anizotropia Universului la scară mare”, a spus Saadeh.

„Dacă Universul ar fi anizotrop, atunci ar trebui să ne revizuim calculele privind evoluţia și componenţa sa. Datele Planck au permis efectuarea acestei verificări a modelului standard din cosmologia actuală și vestea bună este că rezultatele nu infirmă previziunile sale”, adaugă Saadeh.

Sursă: Science Alert