La începutul anilor 1990, un singur lucru era destul de sigur despre expansiunea Universului. Se credea că gravitaţia contribuie la încetinirea acesteia odată cu trecerea timpului. A venit anul 1998 şi observaţiile telescopului spaţial Hubble au modificat radical paradigma.
La începutul anilor 1990, un singur lucru era destul de sigur despre expansiunea Universului. Era incert dacă are suficient de multă densitate de energie electromagnetică pentru a-şi stopa expansiunea şi pentru a se contracta, tot neclar era şi dacă are atât de puţină densitate de energie electromagnetică încât să nu se oprească niciodată din expansiune, dar era cert faptul că gravitaţia contribuie la încetinirea expansiunii odată cu trecerea timpului.
Într-adevăr, acea încetinire a expansiunii nu fusese observată, dar, teoretic, Universul ar fi trebuit să încetinească. Universul este încărcat cu materie, iar forţa de atracţie gravitaţională împinge toată materia laolaltă. A venit apoi anul 1998 şi observaţiile Telescopului Spaţial Hubble (HST) efectuate asupra unor supernove îndepărtate au arătat că acum mult timp expansiunea Universului era mai lentă decât în prezent. Aşadar, expansiunea universului nu a fost încetinită datorită gravitaţiei, cum credea toată lumea, ci a fost accelerată. Nimeni nu s-a aşteptat la aşa ceva, nimeni nu a ştiut cum să explice acest fenomen. Totuşi, ceva îl cauza.
În cele din urmă teoreticienii au venit cu trei tipuri de explicaţii. Poate că este rezultatul unei versiuni respinse cu mult timp în urmă a teoriei gravitaţiei a lui Einstein, cea care conţinea ceea ce se numea “constantă cosmologică”. Poate că este vorba despre un straniu fluid energetic ce umplea spaţiul. Poate că este ceva în neregulă cu teoria gravitaţiei a lui Einstein şi este nevoie de o nouă teorie ce ar include un fel de câmp care generează această acceleraţie cosmică. Teoreticienii încă nu ştiu care este explicaţia corectă, dar au dat soluţiei un nume. Acesta este “energie întunecată”.
Ce este energia întunecată?
Sunt mai multe lucruri necunoscute decât cele pe care le cunoaştem. Ştim câtă energie întunecată există deoarece ştim cât de mult afectează aceasta expansiunea Universului. Celelalte lucruri rămân un mister. Totuşi, este un mister important. Se dovedeşte că aproximativ 70% din Univers este constituit din energia întunecată. Materia întunecată reprezintă până la 25%. Restul – tot ceea ce există pe Pământ, tot ceea ce a fost vreodată observat de aparatura noastră, toată materia obişnuită – reprezintă până la 5% din Univers. Dacă ne gândim mai mult la acest lucru, poate că nici nu ar trebui numită materie “obişnuită” din moment ce reprezintă o fracţiune atât de mică din Univers.
Această diagramă arată schimbări în rata de expansiune a Universului începând cu apariţia lui de acum aproximativ 15 miliarde de ani. Cu cât devine mai plată curbura, cu atât creşte rata expansiunii. Curbura s-a modificat considerabil cu 7,5 miliarde de ani în urmă, când obiectele din Univers au început să se îndepărteze într-un ritm mai alert. Astronomii susţin că rapiditatea ratei de expansiune se datorează unei forţe misterioase, întunecate, care îndepărtează galaxiile.
O explicaţie a energiei întunecate este că reprezintă o proprietate a spaţiului. Albert Einstein a fost prima persoană care a realizat că vidul, spaţiul gol, nu este chiar gol. Spaţiul are proprietăţi uimitoare, dintre care multe de-abia încep a fi înţelese. Prima proprietate pe care Einstein a descoperit-o este aceea că este posibil ca şi mai mult spaţiu să apară, din nimic. Apoi, o versiune a teoriei gravitaţiei a lui Einstein, versiunea ce conţine constanta cosmologică, face încă o predicţie: spaţiul gol poate avea propria lui energie. Deoarece această energie este o proprietate a spaţiului însuşi, nu se va dilua odată cu expansiunea spațiului. Cu cât apare mai mult spaţiu, va apărea mai multă energie a spaţiului. Ca urmare, această formă de energie ar cauza o expansiune din ce în ce mai rapidă a Universului. Din păcate nimeni nu înţelege de ce constanta cosmologică ar trebui vreodată să ocupe un loc în teorie, şi chiar mai puţin se înțelege despre motivul pentru care ar trebui să aibă exact valoarea ce ar cauza acceleraţia observabilă a Universului.
O altă explicaţie despre cum spaţiul dobândeşte energie vine de la teoria cuantică a materiei. În această teorie, spaţiul gol (vidul) este de fapt încărcat cu particule temporare (virtuale) care se formează continuu şi apoi dispar. Dar când fizicienii au încercat să calculeze câtă energie ar genera acest mecanism, răspunsul a fost unul necorespunzător – foarte diferit de valoarea aşteptată. Numărul obţinut era de 10120 de ori prea mare. Asta înseamnă 1 urmat de 120 de zerouri. Este neplăcut să primeşti un răspuns atât de greşit. Aşadar misterul continuă.
Grupul de galaxii pitice Perseu. Aceste patru galaxii pitice sunt parte dintr-un grup de galaxii mici în inima tumultuoasă a centrului galaxiei Perseu ,care se află în apropiere. Galaxiile par netede şi simetrice, sugerând că nu au suferit distrugeri cauzate de atracția gravitațională a mediului dens al roiului de galaxii. Galaxiile mai mari din jurul lor sunt "sfâşiate" de atracția gravitațională a altor galaxii.
Încă o explicaţie a energiei întunecate este posibilitatea de a fi un nou tip de lichid energetic dinamic sau câmp, ceva ce ar umple tot spaţiul, dar ceva al cărui efect asupra expansiunii Universului este opus faţă de ceea ce materia şi energia normală produc. Unii teoreticienii au numit asta “chintesenţă”, după cel de-al cincilea element al filozofilor greci. Dar dacă chintesenţa este răspunsul, noi încă nu ştim cum este aceasta, cu ce interacţionează sau de ce există. Astfel că misterul continuă.
O ultimă posibilitate este ca teoria gravitaţiei a lui Einstein să nu fie corectă. Acest lucru nu numai că ar afecta expansiunea Universului, dar de asemenea ar mai afecta şi modul în care se comportă materia obişnuită din galaxii şi roiuri de galaxii. Acest fapt ar asigura o modalitate de a decide dacă soluţia către problema energiei întunecate este o nouă teorie a gravitaţiei sau nu: am putea observa cum galaxiile există împreună în roiuri de galaxii. Dar dacă se dovedeşte că este nevoie de o nouă teorie a gravitaţiei, ce fel de teorie ar fi aceasta? Cum ar descrie în mod corect mişcarea corpurilor din Sistemul Solar, precum teoria lui Einstein este binecunoscut că face, şi în acelaşi timp să ne ofere predicţiile teoretice deosebite despre Univers de care avem nevoie? Există teorii-candidat, dar nici una nu este convingătoare. Prin urmare misterul continuă.
Pentru a decide între teoriile-candidat pentru a explica natura energiei întunecate – o proprietate a spaţiului, un nou lichid dinamic sau o nouă teorie a gravitaţiei – avem nevoie de cât mai multe şi mai corecte date şi observaţii experimentale.
Ce este materia întunecată?
Prin fixarea unui model teoretic al structurii Universului, combinând seria de observaţii cosmologice, savanţii au propus combinaţia ce am descris-o mai sus: ~70% energie întunecată, ~25% materie întunecată, ~5% materie obişnuită. Ce este materia întunecată?
Una dintre cele mai complicate şi dramatice ciocniri între roiurile de galaxii văzute vreodată este surprinsă în această imagine nouă compozită a lui Abell 2744. Albastrul reprezintă harta concentraţiei totale de masă (în cea mai mare parte materie întunecată).
Suntem mult mai siguri despre ceea ce materia întunecată nu este decât despre ceea ce ea este. În primul rând este întunecată, însemnând că nu se afla în compoziţia stelelor şi a planetelor pe care le vedem. Observaţiile au arătat că este mult prea puţină materie vizibilă în Univers pentru a reprezenta acel 25% impus de observaţii. În al doilea rând nu se găseşte nici sub formă de nori întunecaţi de materie obișnuită, alcătuită din particule numite barioni. Ştim asta deoarece am putea detecta nori barionici prin absorbţia radiaţiilor când trec prin preajma noastră. În al treilea rând, materia întunecată nu este antimaterie, deoarece nu vedem acele raze gama unice care sunt produse când antimateria şi materia se anihilează. În cele din urmă putem exclude găurile negre, mari, de mărimea galaxiilor bazându-ne pe cât de multe lentile gravitaţionale vedem. Concentraţiile mari de materie curbează lumina ce trece prin apropierea lor chiar şi de la obiecte mult mai îndepărtate, dar nu vedem suficiente fenomene de lentilă pentru a putea sugera că asemenea obiecte alcătuiesc procentele de 25% ce revin materiei întunecate.
Totuşi, la acest moment încă mai există câteva posibilităţi viabile privind natura materiei întunecate. Materia barionică încă ar mai putea alcătui materia întunecată dacă ar fi toată fixată în pitice maro sau în bucăţi mici şi dense de elemente grele. Aceste posibilităţi sunt cunoscute ca obiecte masive compacte de tip halou sau MACHOs. Dar cea mai comună perspectivă este aceea că materia întunecată nu este deloc barionică, ci că este alcătuită din alte particule mai exotice precum axionii sau WIMPS (particule masive cu interacţiune slabă).
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Dark Energy, Dark Matter, publicat de science.nasa.gov.
Traducere: Anamaria Spătaru
