Universul a fost măsurat cu o precizie de un procent

Cercetătorii de la Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) au anunţat că s-a măsurat mărimea Universului cu o precizie de 1%. Acest lucru împreună cu viitoarele măsurători care vor fi efectuate cu această precizie reprezintă mijlocul prin care se speră să se stabilească natura energiei întunecate.

Aceasta este o reprezentare artistică a noului concept prin care se măsoară mărimea Universului. Sferele gri arată modelul „oscilaţiilor acustice barionice" din Universul timpuriu. Galaxiile de azi prezintă tendinţa de a se alinia pe aceste sfere (alinierea este mult exagerată în această imagine). Prin compararea mărimii acestor sfere (conturul alb) cu valorile lor prezise teoretic, astronomii pot determina cu o precizie de unu la sută la ce distanţă se află galaxiile respective.
Credit: Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory

„O precizie de unu la sută la scara Universului reprezintă cea mai exactă măsurătoare care a fost efectuată vreodată", declară David Schlegel, cercetător principal în cadrul BOSS, un membru al Physics Division din cadrul Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) al U.S. Department of Energy. „Acum douăzeci de ani astronomii se certau pe estimări care erau diferite între ele cu până la cincizeci la sută. În urmă cu cinci ani am redus această incertitudine la cinci la sută iar cu un an în urmă ea a ajuns la două procente. O precizie de unu la sută va reprezenta o valoare standard timp de o lungă perioadă de aici înainte".

BOSS reprezintă cel mai mare program de cercetare din cel de-al treilea studiu de observare al bolţii cereşti intitulat Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III). BOSS a folosit din anul 2009 telescopul Sloan Foundation Telescope al Apache Point Observatory din New Mexico pentru a înregistra cu o mare precizie spectrele a mai mult de un milion de galaxii având deplasări spre roşu cuprinse între 0,2 şi 0,7, ceea ce înseamnă că a privit în trecutul Universului până în urmă cu şase miliarde de ani. Schlegel declară: „Noi credem că baza de date a lui BOSS include mai multe valori ale deplasării spre roşu ale galaxiilor decât s-au obţinut cu toate celelalte telescoape din lume".

BOSS va continua să culeagă date până în luna iunie a anului 2014. Cu toate acestea, Martin White, un membru al Berkeley Lab, profesor de fizică şi astronomie la University of California din Berkeley şi preşedinte al echipei de cercetare BOSS declară ca „noi am efectuat analiza datelor acum deoarece avem deja 90 la sută din datele finale ale lui BOSS şi suntem extrem de încântaţi de rezultatele obţinute".

Oscilaţiile acustice barionice (Baryon acoustic oscillations-BAO) sunt reprezentate de grupări regulate de galaxii a căror mărime oferă o riglă „standard" pentru măsurarea evoluţiei structurii Universului. Măsurarea cu precizie a acestora ne permite să ne îmbunătăţim semnificativ cunoştinţele cu privire la unele caracteristici cosmologice fundamentale, inclusiv în ceea ce priveşte modul prin care energia întunecată provoacă expansiunea accelerată a Universului.

Împreună cu recentele măsurători ale radiaţiei cosmice de fond (CMB) şi prin măsurarea accelerării expansiunii Universului cu ajutorul supernovelor, rezultatele obţinute de BOSS sugerează că energia întunecată este o constantă cosmologică care nu variază în spaţiu sau în timp. Deşi este puţin probabil să existe o eroare în teoria relativităţii generale a lui Einstein, autorii analizei BOSS menţionează că „înţelegerea cauzelor fizice ale expansiunii accelerate a Universului rămâne una dintre problemele cele mai interesante din fizica modernă".

White spune că analiza BOSS a permis stabilirea valorii unor parametri cosmici şi „una dintre cele mai bune determinări care a fost efectuată vreodată pentru curbura spaţiului. Răspunsul este că acesta nu este curbat mult".

Forma unui Univers tridimensional „plat" este descrisă în mod corect de geometria euclidiană cu care suntem obişnuiţi din liceu: liniile paralele nu se intersectează şi suma unghiurilor într-un triunghi este de 180 de grade. Faptul că Universul se dovedeşte plat înseamnă că acesta a suferit un proces relativ îndelungat de inflaţie care a durat 10^-33 s sau mai mult după evenimentul Big Bang.

„Unul dintre motivele pentru care suntem interesaţi de acest lucru este acela că un univers plat are implicaţii profunde asupra faptului dacă Universul este infinit sau nu", spune Schlegel. „Aceasta înseamnă că, deşi nu putem afirma cu certitudine că Universul nu are o limită, este probabil ca Universul să se extindă pentru totdeauna. Rezultatele noastre sunt în concordanţă cu ideea unui univers infinit".

Analiza BOSS se bazează pe datele având numerele 10 şi 11 (DR 10 şi DR 11) ce au fost comunicate de SDSS-III şi ea a fost trimisă pentru publicare în Monthly Notices a Royal Astronomical Society. Analiza este disponibilă online.

Unde într-o mare de galaxii

Analiza BOSS cuprinde spectrele a 1.277.503 galaxii şi ea acoperă o regiune de 8.509 grade pătrate din bolta cerească vizibilă din emisfera nordică. Aceasta este cea mai întinsă regiune din Univers care a fost observată vreodată având această densitate de galaxii. La final BOSS va obţine spectrele de înaltă rezoluţie a 1,3 milioane de galaxii, plus 160.000 quasari şi mii de alte obiecte astronomice care acoperă o regiune de pe bolta cerească de 10.000 de grade pătrate.

Undele ce se prezintă sub forma unor variaţii periodice de densitate din materia vizibilă (mai pe scurt „barioni") se răspândesc prin Univers precum picăturile de ploaie pe suprafaţa unui lac. Aglomerările galactice regulate sunt o consecinţă directă a undele de presiune care s-au deplasat prin plasma fierbinte din Universul timpuriu şi care a fost atât de fierbinte şi de dens încât particulele de lumină (fotonii) şi particulele de materie, inclusiv protonii şi electronii, erau legate între ele. Materia întunecată invizibilă a făcut parte, de asemenea, din acest amestec de particule.

Cu toate acestea, după 380.000 de ani de la momentul Big Bang temperatura acestui amestec de particule aflat în expansiune a scăzut suficient de mult pentru ca fotonii să se elibereze astfel încât Universul a devenit transparent. Universul prezenta radiaţii intense şi în cei 13,4 miliarde de ani care au urmat el a continuat să se răcească până s-a ajuns la radiaţia cosmică de fond omniprezentă de azi.

Variaţiile de temperatură din CMB care s-au manifestat periodic în densitatea undelor originale au fost măsurate de satelitul Planck al European Space Agency cu cea mai mare precizie de până acum. Aceeaşi periodicitate se constată şi în modul în care se grupează galaxiile şi care a fost observat prin intermediul BOSS. Un semnal BAO evidenţiază, de asemenea, distribuţia materiei întunecate.

Modul în care au avut loc aceste grupări regulate de materie în cadrul diferitelor ere cosmice, începând cu CMB, ne permite să observăm istoria expansiunii Universului. Beth Reid, un colaborator al BOSS de la Berkeley Lab a utilizat două coordonate cereşti ale galaxiilor şi deplasarea lor spre roşu pentru a crea hărţi 3-D pentru densitatea galaxiilor din spaţiu.

„Din variaţiile de densitate ale galaxiilor din regiunea la care ne uităm noi extragem rigla standard BAO", declară ea. „Pentru a putea compara diferitele regiuni ale cerului în condiţii similare noi trebuie mai întâi să anulăm variaţiile provocate de efectele atmosferice sau de către alte cauze care pot afecta modul în care observăm cerul cu telescopul nostru". Rezultatele depind în mod crucial de măsurătorile precise ale deplasării spre roşu care dezvăluie poziţiile galaxiilor în spaţiu şi timp. Dar galaxiile nu se mişcă întotdeauna într-un mod previzibil.

„Atracţia gravitaţională reciprocă dintre galaxii se manifestă atunci când acestea se află unele în apropierea altora şi din această cauză ne este mai dificil să măsurăm structurile cosmice la o scară mare", spune Schlegel. „Datorită mişcării lor ciudate este dificil să putem obţine o formulă pentru creşterea globală a atracţiei gravitaţionale".

Cu toate acestea, declară Reid, „avem un model foarte bun cu privire la modul în care arată aceste abateri. Densitatea galaxiilor ne arată unde există concentraţii de materie şi unde avem viteze specifice determinate de efectul net produs de toate variaţiile de densitate".

„Datele BOSS sunt uimitoare", afirmă Martin White, „dar au mai fost multe de făcut înainte de a putea efectua analiza acestora". S-au aplicat diferiţi algoritmi complicaţi de calculator pentru a reconcilia incertitudinile inerente. „Am realizat mii de modele computerizate pentru diferite universuri pe care apoi le-am studiat cu ajutorul lui BOSS şi le-am analizat pentru a răspunde la întrebări de tipul "Ce ar fi dacă...?"

Verificând cât de bine se pot pot analiza aceste universuri model cu algoritmii propuşi şi pe baza cataloagelor de galaxii obţinute în mod teoretic, echipa BOSS a fost capabilă să evalueze şi să ajusteze aceşti algoritmi atunci când ei au fost aplicaţi asupra datelor reale obţinute de BOSS.

National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), aflat la Berkeley Lab a avut sarcina de a obţine şi de a analiza aceste universuri model. White a declarat următoarele: „NERSC a alocat resurse de calcul pentru noi pentru a ne ajuta să finalizăm rapid analiza datelor, înainte de termenele planificate. Ei au oferit un loc de întâlnire virtual în care membrii din cadrul colaborării noastre, aflaţi în întreaga lume, s-au putut întâlni pe o platformă comună având toate datele şi resursele de calcul necesare pentru a-şi efectua cercetările".

BOSS a oferit până acum cea mai exactă calibrare ce a fost efectuată vreodată pentru rigla standard BAO. Expansiunea Universului pe durata epocilor cosmice a fost măsurată cu o precizie fără precedent începând cu mai mult de şase miliarde de ani în urmă atunci când expansiunea s-a încetinii şi a început perioada de expansiune accelerată a Universului. Chiar dacă noile rezultate BOSS sunt atât de precise ele reprezintă doar un început. Un studiu mai cuprinzător al bolţii cereşti şi o rezoluţie mai bună la scara cosmică sunt esenţiale pentru înţelegerea energiei întunecate.

Viitorul Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), care se bazează pe un parteneriat internaţional ce cuprinde aproape 50 instituţii şi care este condus de Berkeley Lab, va permite telescopului Mayall din cadrul Kitt Peak National Observatory din Arizona să cartografieze peste 20 de milioane de galaxii şi mai mult de trei milioane de quasari care ocupă 14.000 grade pătrate din emisfera nordică. DESI va utiliza date pe care BOSS nu le poate obţine şi ne va ajuta să cunoaştem mai bine istoria expansiunii Universului de la prima apariţie a radiaţiei cosmice de fond până în zilele noastre.

Între timp BOSS va continua să fie instrumentul de bază pentru cartografierea Universului până în luna iunie 2014 atunci când este prevăzut termenul de finalizare a activităţii sale.