Tot ce trebuie să ştiţi despre energia întunecată
O bună perioadă de timp au existat două teorii principale cu privire la modul în care se va sfârşi Universul. Acestea au fost Big Freeze și Big Crunch. Pe scurt, Big Crunch (Marea implozie sau Marele colaps) susține că Universul se va opri în cele din expansiune și ar urma să colapseze. Acest lucru ar duce la o implozie. Gândiți-vă la aceasta ca la ceva complet opus evenimentului „Big Bang”. În esență, acesta ar fi Big Crunch. Pe de altă parte, Big Freeze (Marele îngheţ, Moartea termică) susține că Universul şi-ar continua expansiune pentru totdeauna până când acesta va deveni un pustiu înghețat. Această teorie afirmă că stelele se vor îndepărta tot mai mult unele de altele, vor arde și (deoarece nu vor mai exista alte stele care să se formeze) Universul va îngheţa și va fi veșnic negru.
Efectul energiei întunecate. Credit: NASA
În prezent cunoaştem că expansiunea Universului nu încetinește. De fapt, expansiunea acestuia este accelerată. După cum a descoperit Edwin Hubble, cu cât un obiect este mai departe de noi cu atât mai repede se îndepărtează. În termeni simpli aceasta înseamnă că Universul este într-adevăr în expansiune, iar acest lucru (la rândul său) înseamnă că Universul se va sfârşi, probabil, sub forma unui pustiu înghețat, static. Cu toate acestea, acest lucru se poate schimba, dacă se produce o inversare a efectului de expansiune generat de energia întunecată. Vă sună confuz? Pentru a clarifica lucrurile, haideți să aruncăm o privire mai atentă asupra a ceea ce este energia întunecată.
Cum s-a descoperit că Universul se extinde?
Expansiunea accelerată a Universului a fost descoperită atunci când astronomii au studiat supernovele de tipul 1a. Aceste explozii stelare joacă un rol esențial pentru stabilirea distanței dintre două corpuri cerești, pentru că toate exploziile supernovelor de tipul 1a sunt remarcabil de asemănătoare între ele în ceea ce priveşte luminozitatea lor. Deci, dacă știm cât de luminoasă ar trebui să fie o stea, atunci putem compara luminozitatea sa aparentă cu luminozitatea sa proprie și vom obține o valoare de încredere pentru cât de departe se află un obiect anume faţă de noi. Pentru a vă face o idee mai bună cu privire la modul cum se poate face asta, gândiți-vă la faruri. În marea lor majoritate, farurile auto au toate aceeași luminozitate. În consecinţă, dacă farurile unei maşini au doar 1/4 din luminozitatea unui alt autoturism, atunci înseamnă că acea maşină se află la o distanţă de două ori mai mare în comparatie cu maşina de referință.
În afara faptului că ne ajută să facem aceste măsurători importante cu privire la distanţele obiectelor din Univers, aceste explozii de supernovă ne-au oferit posibilitatea de a previzualiza, de asemenea, una dintre cele mai ciudate observații făcute vreodată despre Univers. Pentru a măsura distanța aproximativă la care se află un obiect, cum ar fi o stea și pentru a stabili modul în care această distanță se modifică în timp, astronomii analizează spectrul luminii emise de acel obiect. Oamenii de știință au fost capabili să afirme că Universul se află într-o expansiune accelerată, deoarece pe măsură ce undele electromagnetice se propagă pe o distanţă incredibil de mare către Pământ (de ordinul miliardelor de ani-lumină distanță) Universul continuă să se extindă. Și pe măsură ce acesta se extinde, el întinde aceste unde printr-un proces denumit „deplasare spre roşu” ( „roșu” deoarece cea mai mare lungime de undă se află în porțiunea roșie a spectrului electromagnetic). Cu cât sunt mai mult deplasate spre roșu undele electromagnetice cu atât mai rapid se produce expansiunea. Mulți ani de observații meticuloase (realizate de mai mulți astronomi) au confirmat că această expansiune este în plină desfăşurare și, mai mult, ea este accelerată. Aceasta deoarece, așa cum am menționat anterior, cu cât un obiect se află mai departe de noi cu atât spectrul său este deplasat mai spre roșu și, în consecinţă, cu atât mai repede se îndepărtează acesta de noi.
Supernova de tipul 1a din imaginea de mai sus se află în stânga, jos.
Credit:High-Z Supernova Search Team, HST, NASA
De unde știm că energia întunecată este reală?
Avem nevoie de energia întunecată, într-o formă sau alta, pentru a reconcilia geometria măsurată a spațiului cu cantitatea totală de materie din Univers. Aceste măsurători au fost realizate cu ajutorul satelitului Planck și a misiunii Wilkenson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Observațiile satelitului cu privire la radiația cosmică de fond (CMB-cosmic microwave background radiation) indică faptul că Universul este plat din punct de vedere geometric sau că este foarte apropiat de această formă (N.t. Geometria Universului este determinată de rata de expansiune a acestuia şi de forţa gravitaţională).
Toată materia despre care noi credem că există (pe baza datelor științifice și a concluziilor noastre) reprezintă doar aproximativ 30% din densitatea critică totală a Universului ce a fost stabilită pe baza observaţiilor astronomice. Dacă Universul ar fi fost geometric plat, aşa cum o sugerează observaţiile bazate pe CMB, atunci densitatea critică a energiei și a materiei ar fi trebuit să fie egale. Șapte ani de observaţii realizate de WMAP şi 2 ani de observaţii sofisticate realizate de satelitul Planck constituie dovezi foarte puternice ale unui univers plat. Măsurătorile curente ale satelitului Planck stabilesc că materia barionică (atomii) reprezintă aproximativ 4% din Univers, materia întunecată 23% din Univers, iar energia întunecată reprezintă restul de 73% din Univers.
Distribuţia materiei şi energiei în Univers. Credit: NASA
Mai mult, Wiggle Z (un studiu care s-a încheiat în anul 2011) a susținut în continuare ipoteza energiei întunecate prin observațiile sale asupra structurilor cosmice la scară mare ale Universului (cum ar fi galaxiile, quasarii, clusterele de galaxii, etc). După ce a observat mai mult de 200.000 de galaxii (măsurând deplasările lor spre roșu și oscilațiile acustice barionice), studiul a stabilit că Universul avea o vârstă de 7 miliarde de ani atunci când a început să se extindă accelerat.
Cum acţionează energia întunecată?
Pe baza principiului intitulat „Briciul lui Occam” (care consideră că teoria cu cel mai mic număr de ipoteze este cea corectă), comunitatea științifică a susţinut constanta cosmologică a lui Einstein. Sau, cu alte cuvinte, densitatea de energie a vidului din spațiul gol, cel care exercită pretutindeni o presiune negativă, în cele din urmă ajunge să accelereze expansiunea Universului. Acest lucru ar fi similar cu densitatea de energie ce apare în „efectul Casimir”. Acesta ar fi cauzat de particulele virtuale din așa-numitul „spațiu gol”, care este de fapt plin de particule virtuale care apar și dispar.
Care este problema cu energia întunecată?
Cosmologii au prezis că valoarea pentru constanta cosmologică ar trebui să fie de 10^-120 unități Planck şi aceasta a fost denumită „cea mai proastă predicție din istoria fizicii”. Conform ecuației energiei întunecate, valoarea parametrului w (N.t. raportul dintre presiune şi densitatea de energie) trebuie să fie egală cu -1. Dar, în conformitate cu cele mai recente date obţinute cu ajutorul Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), această valoare este, de fapt, de -1,186. Pan-STARRS a obţinut această valoare utilizând atât datele proprii cât şi datele observaționale ale satelitului Planck (cel care a studiat 150 de supernove de tip 1a între anii 2009 și 2011).
„În cazul în care w are această valoare, atunci înseamnă că cel mai simplu model teoretic utilizat pentru a explica energia întunecată este greşit”, a declarat Armin Rest din cadrul Space Telescope Science Institute (STScI) din Baltimore. Armin Rest este conducătorul echipei Pan-STARRS care a anunţat aceste rezultate pe site-ul de astrofizică arXiv în data de 22 octombrie 2013.
Care este semnificația acestui rezultat?
Cum putem explica diferenţa dintre valoarea calculată şi cea măsurată pentru constanta cosmologică? S-ar putea crede că aceste rezultate ar reprezenta erori de măsură. Se cunoaşte că procesul de calibrare a telescoapelor, fizica ce descrie supernovele, precum și proprietățile galactice constituie surse importante de incertitudini. Toate acestea pot afecta valoarea constantei cosmologice. Mai mulţi astronomi au negat validitatea rezultatelor echipei Pan-STARRS. Julien Guy de la University Pierre and Marie Curie din Paris a declarat că este posibil ca cercetătorii din echipa Pan-STARRS să-şi fi subestimat propriile erori sistematice prin ignorarea unei surse de incertitudine datorată curbelor de lumină ale supernovelor. Numeroşi alţi astronomi au analizat datele obţinute de echipa Pan-STARRS pentru a verifica dacă pot găsi eventuale greşeli în studiul elaborat de cercetătorii Pan-STARRS.
În ciuda acestui fapt, datele obţinute au rezultat în urma unei activităţi foarte minuțioase care a fost realizată de o echipă cu experienţă şi care exclude orice incertitudini de măsură. Mai mult, acesta este cel de-al treilea studiu al bolţii cereşti ale cărui rezultate experimentale conduc la w=1, iar acest lucru atrage atenția cosmologilor de pretutindeni.
Ei bine, în cazul în care modelul constantei cosmologice este greșit, atunci trebuie să căutăm o alternativă pentru acesta. Aceasta este frumusețea științei, ei nu-i pasă ce ne dorim noi să fie adevărat: dacă ceva nu este în conformitate cu observațiile atunci este greșit. Pur și simplu.
Traducere şi adaptare după Everything You Need to Know About Dark Energy