Putem renunţa la energia întunecată printr-o mai bună înţelegere a relativităţii generale?

Un studiu recent sugerează că energia întunecată, despre care se crede că reprezintă 70% din masa-energia Universului, ar putea fi doar o iluzie. Evident, rezultatele acestui studiu au reaprins o dezbatere de lungă durată din rândul fizicienilor.

Energia întunecată și materia întunecată sunt doar nişte invenții teoretice cu ajutorul cărora oamenii de ştiinţă încearcă să explice unele observații astronomice.

Astfel, gravitaţia pare să fie mai puternică la scara galaxiilor decât rezultă în urma calculelor efectuate doar pe baza masei ce compune materia obişnuită pe care o putem observa în aceste galaxii. Din acest motiv, fizicienii au adăugat o masă suplimentară care reprezintă masa particulelor de materie întunecată, o materie diferită de cea obişnuită care reprezenta 25% din masa-energia Universului şi care nu a fost observată niciodată în mod direct.

Structura Universului. Credit: Ben Finney

La o scară mai mare, oamenii de ştiinţă au constatat că Universul se extinde accelerat şi că gravitaţia pare mai slabă decât ar rezulta dacă Universul conține numai materie obișnuita sau materie întunecată. În consecinţă, ei au adăugat aşa-numita „energie întunecată”, o forță antigravitațională care acționează independent de materie.

Scurt istoric al energiei întunecate

Ideea energiei întunecate este la fel de veche ca și relativitatea generală. Albert Einstein a introdus acest concept atunci când a aplicat pentru prima dată relativitatea în cosmologie, adică în urmă cu exact 100 de ani.

Albert Einstein a introdus conceptul de energie întunecată. Credit: Reuters

Einstein şi-a dorit, în mod eronat, să echilibreze atracția gravitaţională a materiei din Univers printr-un efect antigravitaţional care se manifestă la o scară mare a Universului. Ideea sa despre Univers era că acesta este static şi că nu a avut un început în timp.

În anul 1917 nu se cunoşteau prea multe lucruri despre Univers. De exemplu, ideea că galaxiile sunt obiecte cosmice aflate la o distanţă foarte mare de noi era o temă de dezbatere printre fizicieni.

Einstein s-a confruntat cu o dilemă. La baza teoriei relativităţii generale se află următorul principiu:

„Materia îi spune spațiului cum să se curbeze, iar spațiul îi spune materiei cum să se mişte”.

Acest lucru înseamnă că spațiul, în mod natural, tinde să se extindă şi să se contracte, ghidând în acest fel deplasarea materiei prin Univers.

Acest lucru a fost înţeles de Alexander Friedmann, care în 1922 a utilizat relativitatea generală a lui Einstein fără a încerca să echilibreze atracţia gravitaţională a materiei din Univers și efectul de respingere introdus de energia întunecată. Acest lucru a sugerat că Universul este dinamic, acesta putându-se extinde sau contracta.

Mai mult, expansiunea Universului încetinește dacă există materie şi se accelerează dacă se introduce energia întunecată.

De la sfârșitul anilor 1990 mai multe studii independente au sugerat o expansiune accelerată a Universului în cazul în care energia întunecată reprezintă 70% din masa-energia Universului. Trebuie însă să ţinem cont că această concluzie se bazează pe un model al expansiunii Universului care nu s-a schimbat din anii ’20 ai secolului trecut.

Modelul cosmologic standard

Relativitatea generală nu este uşor de înţeles. Și acest lucru nu este din cauza faptului că relativitatea generală se bazează pe mai multe ecuaţii decât ​​teoria gravitaţiei a lui Isaac Newton.

Cum se produce expansiunea Universului la diferite scări dimensionale?

Din păcate, Einstein nu a răspuns la această întrebare. Pentru a încerca totuşi să ofere un răspuns, Einstein şi Friedmann au propus o ipoteză simplificatoare: Universul se extinde în toate direcțiile cu exact aceeași viteză, adică uniform.

În prezent ipoteza expansiunii uniforme a Universului se bazează pe studiul radiaţiei cosmice de fond, radiaţia cosmică rămasă în urma evenimentului Big Bang. Se ştie că variaţiile de densitate ale materiei din Univers au fost mici atunci când vârsta Universului era mai mică de un milion de ani.

Radiaţia cosmică de fond. Credit: NASA

Cu toate acestea, în prezent Universul nu este omogen. Instabilitatea gravitaţională la nivelul Universului a condus la apariţia stelelor masive, a galaxiilor, clusterelor de galaxii și, în cele din urmă, a „pânzei cosmice”  în care regiuni cu o densitate scăzută a materiei, vid cosmic, sunt înconjurate de clustere galactice conectate între ele într-o vastă rețea intergalactică formată din filamente invizibile de materie întunecată.

O simulare a Universului. Credit: Proiectul EAGLE, J Schaye, MNRAS, CC BY-SA

În cosmologia standard se admite o expansiune de fundal a Universului, ca și cum nu ar exista structuri cosmice. Ulterior, se fac simulări pe computer folosind doar teoria gravitaţiei a lui Newton. În felul acesta la scara Universului se formează o structură asemănătoare cu „pânza cosmică” observată de astronomi, dar în condiţiile în care includem energia întunecată și materia întunecată.

Chiar și după ce am „inventat” 95% din densitatea energetică a Universului pentru ca modelul cosmologic standard să funcţioneze, acesta încă se confruntă cu probleme.

Astfel, cosmologia standard prevede că spațiul se curbează uniform peste tot, independent de materie. Dar această concluzie este în contradicție cu ideea de bază a lui Einstein conform căreia materia dictează spațiu-timpului cum să se curbeze.

Practic, în modelul cosmologic standard nu se utilizează relativitatea generală în totalitate!

Modelul cosmologic standard este cel mai bine descris după cum urmează:

„Friedmann îi spune spațiului cum să se curbeze, iar Newton îi spune materiei cum să se miște”.

„Reacţia negativă”

De la începutul anilor 2000 unii cosmologi au explorat ideea că expansiunea medie a Universului nu este chiar uniformă, pe baza distribuţiei neuniforme a materiei în Univers şi curbarea neuniformă a spaţiului. Acest efect a fost denumit „reacţia negativă”.

Distribuția materiei în Univers şi curbarea spaţiului pot fi considerate uniforme doar în Universul timpuriu. Pe măsură ce țesătura cosmică se formează și devine complexă, variațiile de curbură ale spaţiului la o scară mică se măresc şi astfel expansiunea medie a Universului poate fi diferită de cea din cosmologia standard.

Recent, o echipă de fizicieni din Budapesta și Hawaii a sugerat că expansiunea accelerată a Universului poate fi explicată fără a considera energia întunecată. Cercetătorii au folosit simulări numerice standard pe baza fizicii newtoniene, dar au utilizat o metodă non-standard pentru a modela efectul de reacţie negativă.

Surprinzător, legea de expansiune a Universului, care a rezultat pe baza acestui model cosmologic, se potriveşte cu datele privind radiaţia cosmică de fond obţinute de satelitul Plank, fiind în conformitate cu un model cu reacţie negativă, bazat pe relativitatea generală, cunoscut sub numele de cosmologie temporală.

Acest model cosmologic presupune modificarea ceasurilor și a riglelor în mod diferit atunci când analizăm variațiile curbării spaţiului dintre galaxii și regiunile cu o densitate mică a materiei, vidul cosmic. Acest lucru înseamnă că nu mai putem vorbi de o vârstă unică a Universului.

În cadrul misiunii Euclid și a experimentul CODEX, care se vor desfăşura în cursul deceniul următor, oamenii de ştiinţă vor testa dacă expansiunea cosmică urmează legea omogenă a lui Friedmann sau un model alternativ cu reacţie negativă.

O imagine artistică a telescopului E-ELT (European Extremely Large Telescope) care va utiliza spectrograful CODEX. Credit: ESO/L. Calçada, CC BY-SA

Ce ne poate învăța relativitatea generală?

În timp ce majoritatea cercetătorilor acceptă faptul că există efecte de tipul reacţiei negative, dezbaterea reală se referă la faptul dacă acestea pot conduce la modificări privind masa-energia Universului mai mari de 1% sau 2%.

Orice soluție de tipul reacție negativă, care elimină energia întunecată, trebuie să explice de ce legea care descrie expansiunea medie a Universului este atât de uniformă, în ciuda neomogenităților din pânză cosmică, ceea ce cosmologia standard presupune fără vreo explicație.

Conform ecuațiilor lui Einstein, spațiul poate să se extindă în diferite moduri extrem de complicate, ceea ce înseamnă că avem nevoie de un principiu simplificator pentru expansiunea medie a Universului la scară mare. Aceasta este abordarea cosmologiei temporale.

Orice principiu simplificator pentru expansiunea medie a Universului va fi dedus, cel mai probabil, pe baza datelor privind Universul timpuriu, deoarece complexitatea Universului era mult mai mică decât în prezent. În ultimii 38 de ani modelele Universului inflaționist au fost propuse pentru a explica simplitatea Universului timpuriu.

Chiar dacă unele dintre acestea s-au dovedit de succes în unele aspecte, multe dintre ele nu erau în concordanţă cu datele privind radiaţia cosmică de fond obţinute de satelitul Planck.

Mulți fizicieni consideră Universul ca un continuum care există independent de materia din el. Cu toate acestea, în spiritul relativităţii generale, spațiul și timpul au înțeles doar în raport relațional, ceea ce înseamnă că ar trebui să regândim ideile de bază.

Din moment ce timpul în sine este măsurat doar prin particule cu o masă de repaus diferită de zero, poate că spațiu-timpul, aşa cum îl știm, se formează odată cu apariţia primelor particule de materie.

Oricare ar fi teoria finală, probabil că aceasta va reprezenta inovația cheie a relativității generale și anume cuplarea dinamică a materiei și a geometriei la nivel cuantic.

Traducere şi adaptare după Can we ditch dark energy by better understanding general relativity?