Echipa satelitului Planck a anunţat o serie de descoperiri importante după mai mult de un an de observaţii asupra radiaţiei cosmice de fond (Cosmic Microwave Background-CMB) sau a reziduurilor radioactive care persistă în universul nostru încă de la începutul timpului, imediat după Big Bang.
CMB este o umilă reamintire a locului de unde venim. Oh, sigur, Universul are acum o temperatură de 3 Kelvin peste zero absolut, dar el nu a fost întotdeauna aşa. Cu aproximativ 380.000 de ani după evenimentul Big Bang, Universul era de aproximativ 1.000 de ori mai mic decât este acum şi era, de asemenea, de aproximativ 1.000 de ori mai cald. La acea dată Universul era suficient de rece pentru a neutraliza toţi atomii, iar radiaţia rămasă a călătorit practic fără obstacole de atunci.
Credit imagine: ESA şi echipa Planck.
Astronomii studiază de mult timp această radiaţie. Şi de ce nu? Ea reprezintă cea mai bună şi cea mai directă modalitate prin care putem studia perioada de început a Universului.
Dar mai întâi să ne reamintim câteva noţiuni de bază.
De ce este important satelitul Planck?
În mai 2009 Agenţia Spaţială Europeană a lansat satelitul Planck pe orbită. Pe hârtie cel puţin, sarcina sa a fost similară satelitului WMAP care a fost lansat cu 8 ani mai devreme sau a satelitului COBE lansat în anul 1989: măsurarea şi cartografierea perturbaţiilor din radiaţia cosmică de fond.
Deşi radiaţia rămasă după Big Bang este aproape la fel în fiecare direcţie, nu este totuşi exact la fel. Există mici, aproape ridicol de mici, variaţii ale acesteia de la punct la altul aflat pe cer, variaţii de aproximativ 1 la 100.000. Dar aceste diferenţe mici înseamnă foarte mult.
Regiunile albastre din harta de mai sus corespund unor temperaturi uşor mai scăzute decât media, în timp ce regiunile roşii sunt puţin mai calde. Aceste zone corespunzătoare unor variaţii de temperatură au condus în cele din urmă la apariţia unor variaţii de masă în Univers, variaţii de masă pe care le vedem astăzi, incluzând toate structurile de mari dimensiuni (galaxii, roiuri de galaxii, etc.) pe care le observăm în jurul nostru.
V-aţi putea întreba, în mod corect, de ce am avut nevoie de încă un satelit. La urma urmei noi i-am avut deja pe COBE şi WMAP (care a funcţionat o perioadă dublă de timp faţă de cea estimată iniţial), plus o grămadă de baloane experimentale.
Cu toate acestea satelitul Planck oferă o serie întreagă de avantaje în comparaţie cu predecesorii săi. De exemplu, el are 9 canale de frecvenţă diferită, ceea ce-i conferă o sensibilitate fără precedent, fapt care a permis echipei Planck să poată elimina într-un mod eficient diversele tipuri de surse din prim-plan. Satelitul Planck poate măsura, de asemenea, structura radiaţiei cosmice de fond corespunzătoare unor valori unghiulare mici de pe cer. Pentru a vă face o idee, aţi putea lua toate punctele calde şi reci din imagine şi să realizaţi un spectru care să prezinte structura radiaţiei cosmice de fond pentru diverse scări unghiulare:
Credit: ESA, Planck. Din cadrul rezultatelor Planck 16: Parametrii cosmologici, Figura 1.
Dacă nu aţi mai văzut anterior o astfel de reprezentare trebuie să aveţi în vedere că valorile unghiulare mari (corespunzătoare unei mari părţi din cer) se află la stânga, în timp ce valorile unghiulare mici (corespunzătoare la ceva de genul unui arc de cerc de 4 minute) se află la dreapta. Curba roşie reprezintă modelul pur teoretic, în timp ce punctele albastre (cu barele de eroare aferente) arată valoarea medie a datelor. Se observă de aici că modelul teoretic se potriveşte cu datele experimentale.
Agenţia Spaţială Europeană (ESA) a făcut un anunţ public cu privire la datele şi rezultatele obţinute după o perioadă de 15 luni de observaţii. În principal, ei au ajustat valorile a diverşi parametri cosmologici până când curba roşie de mai sus s-a suprapus peste punctele albastre cât mai mult posibil. Mai mult, ei au ajustat aceste valori pentru a include şi informaţiile obţinute cu ajutorul satelitului WMAP şi a altor măsurători cosmologice.
Este de remarcat în mod special că ei au evidenţiat existenţa unei cantităţi de materie întunecată (materie ascunsă în roiuri şi galaxii) un pic mai mare şi ceva mai puţină energie întunecată (cea care ar provoca accelerarea expansiunii Universului) decât se credea anterior.
Credit: Planck şi ESA.
Diagrama „Înainte de Planck" este de fapt ceea ce s-a găsit cu ajutorul satelitului WMAP şi printr-o mulţime de alte măsurători, în timp ce diagrama „După Planck" a fost obţinută cu ajutorul noilor date recepţionate de la satelitul Planck.
Dar acest studiu reprezintă mai mult decât găsirea unei reţete cosmice care este uşor diferită faţă de cea pe care o credeam anterior. De asemenea, noi am constatat că expansiunea Universului este puţin mai lentă decât am crezut anterior. Numărul pe care îl folosesc cosmologii pentru a descrie expansiunea Universului este cunoscut sub numele de "constanta Hubble" şi practic descrie cât de repede par a se îndepărta galaxiile faţă de noi.
În loc de valoarea de 71 km/s/Megaparsec obţinută de satelitul WMAP, satelitul Planck a găsit o valoare de 67 km/s/Megaparsec. Aceasta este o diferenţă relativ mică, deşi unii astronomi cred că discrepanţa dintre noua valoare şi valorile obţinute anterior, prin alte măsurători independente ale vitezei de expansiune a Universului, este mult prea mare.
În ambele cazuri puteţi considera că vârsta Universului este aceeaşi, de aproximativ 13,8 miliarde de ani.
Cred că acum ar trebui să răspund la câteva întrebări pe care anticipez că mi le-aţi pune:
Ar trebui să ne sperie aceste diferenţe?
Nu.
Mai multă materie întunecată reprezintă un lucru remarcabil, corect?
Deşi este un lucru interesant să obţinem valori actualizate ale parametrilor cosmologici, trebuie să ne reamintim că toate acestea sunt estimări şi că există întotdeauna o marjă de eroare în ceea ce priveşte valorile obţinute. În acest caz, diferenţele dintre aceste rezultate şi cele obţinute de WMAP sunt ceva de ordinul sigma 2, sau cam aşa ceva, ceea ce este doar un alt mod de a spune că ne aşteptăm la diferenţe în jur de 5%. Interesant, ele ar mai putea varia puţin, dar nu este nimic îngrijorător în asta.
Ce altceva s-a mai anunţat în afară de nişte numere?
Echipa Planck a mai anunţat câteva lucruri care cred că merită să fie menţionate (cu un comentariu din partea mea):
„... S-a stabilit cu precizie că numărul de neutrini este 3".
Modelul standard al fizicii include 3 tipuri diferite de neutrini: neutrinul electronic, neutrinul miuonic şi neutrinul tauonic. Dar există întotdeauna posibilitatea să poată exista mai multe tipuri. Ceea ce satelitul Planck ne spune (cu o mai mare precizie decât înainte) este că dacă mai există cumva o altă specie de neutrin, aceasta este masivă.
„Spaţiul-timp se dovedeşte a fi plat cu o precizie de 0,1%".
Ce este interesant în ceea ce priveşte Universul este că, la o scară tot mai mare, acesta ar putea fi curbat. Dar pentru a măsura curbura spaţiului trebuie să studiem obiectele cele mai îndepărtate din Univers, inclusiv radiaţia ce provine de la Big Bang. Satelitul Planck practic ne arată că Universul într-adevăr pare a fi plat. Ceea ce este grozav! Şi, de asemenea, deloc surprinzător având în vedere modelul standard al inflaţiei cosmice.
„Nu am găsit nicio dovadă, considerând nivelul actual de analiză, pentru... existenţa unei forme dinamice de energie întunecată şi nici a unor variaţii în timp ale constantei structurii fine".
Energia întunecată este misterioasă şi cea mai mare parte a misterului ei provine din faptul că nu ştim cu adevărat de unde provine sau de ce se comportă aşa cum constatăm. Dar satelitul Planck ne spune ceva important: pe baza a ceea ce ştim până în prezent este într-adevăr constantă, fiind similară „constantei cosmologice" pe care Einstein a introdus-o în ecuaţiile sale. De asemenea, în ciuda unor afirmaţii contrare, parametrii fizici par să fie constanţi în Univers.
„... am găsit dovezi pentru unele variaţii de izotropie pentru I joase. În special, am găsit un deficit evident de energie cu privire la cel mai exact model CDM pentru I cuprinse între 20 şi 30".
Nu vă faceţi griji cu privire la terminologia utilizată aici. Aceste „I joase" înseamnă doar că, într-adevăr, există unele variaţii la o scară mare. Noi ne-am aştepta ca Universul să fie extrem de neted şi la o scară mare, dar se pare că, până şi după ce scădem semnalul aşteptat, încă mai avem variaţii suplimentare (şi, de asemenea, zone reci care au fost de altfel observate de WMAP).
Structura CMB la o scară mare nu se potriveşte la fel de bine cu cea teoretică. O emisferă prezintă mai multe perturbaţii decât cealaltă. Echipa Planck mai are de lucru în legătură cu acest aspect, dar ei au reuşit să arate un fapt foarte real şi anume ca proprietăţile Universului timpuriu trebuie să reprezinte cauza existenţei acestor discrepanţe.
Aspectul pe care trebuie să-l aveţi în vedere pentru a înţelege asta este următorul: cosmologii se bazează în mare parte pe principiul cosmologic care afirmă că Universul este identic în toate direcţiile, statistic vorbind. Se pare că acesta totuşi nu este aşa, deşi efectul este destul de mic. Întrebarea este dacă acest efect reprezintă doar un zgomot aleator, un efect de care noi nu am ţinut cont sau reprezintă o fizică complet nouă. Problema cu care ne confruntăm este aceea că noi avem doar un singur Univers în care putem efectua asemenea experimente.
„Prima detecţie cu un grad ridicat de certitudine (sigma 42) a legăturii dintre lentilele CMB şi fundalul cosmic în infraroşu ne permite să determinăm mai precis viteza de formare a stelelor cu deplasări mari spre roşu".
Acest lucru şi câteva consecinţe ale sale ne permit să definim mult mai exact perioadele cosmice în care apăreau primele stele. Acest lucru este foarte interesant deoarece aceste stele au ionizat gazul din apropierea lor şi noi putem măsura această ionizare. Desigur, şansa de a vedea aceste stele în mod direct este zero.
„Prima detecţie cu un grad ridicat de certitudine (sigma 2,5) a efectului integrat Sachs-Wolfe, prin intermediul legăturii acestuia cu fenomenul de lentilă detectat de Planck, ne oferă dovezi independente pentru Omega_Lambda=0,7".
Acesta este un lucru foarte important. Efectul integrat Sachs-Wolfe practic măsoară diferenţa dintre deplasarea spre albastru a fotonilor din fundalul de microunde atunci când aceştia se apropie de roiurile galactice din calea lor şi deplasarea spre roşu pe care o manifestă atunci când se îndepărtează de acestea. Ei au măsurat, de fapt, creşterea globală a structurilor cosmice după o perioadă finită de timp. Deoarece creşterea structurilor este prezisă în mod direct de cosmologie, aceasta poate fi o modalitate foarte solidă prin care se pot verifica modelele teoretice.
Toate acestea reprezintă un set de observaţii minunate care sugerează că am reuşit să ajungem la o imagine relativ corectă cu privire la modul în care funcţionează Universul nostru, dar care şi lasă fără răspuns o serie întreagă de întrebări.
Traducere de Cristian-George Podariu după the-planck-satellite-discovers-extra-dark-matter-in-the.
