Tot ce trebuie sa stiti despre energia intunecata

Efectul energiei întunecate. Credit: NASA

O buna perioada de timp au existat doua teorii principale cu privire la modul în care se va sfârsi Universul. Acestea au fost Big Freeze si Big Crunch. Pe scurt, Big Crunch (Marea implozie sau Marele colaps) sustine ca Universul se va opri în cele din expansiune si ar urma sa colapseze. Acest lucru ar duce la o implozie. Gânditi-va la aceasta ca la ceva complet opus evenimentului „Big Bang”. În esenta, acesta ar fi Big Crunch. Pe de alta parte, Big Freeze (Marele înghet, Moartea termica) sustine ca Universul si-ar continua expansiune pentru totdeauna pâna când acesta va deveni un pustiu înghetat. Aceasta teorie afirma ca stelele se vor îndeparta tot mai mult unele de altele, vor arde si (deoarece nu vor mai exista alte stele care sa se formeze) Universul va îngheta si va fi vesnic negru.

În prezent cunoastem ca expansiunea Universului nu încetineste. De fapt, expansiunea acestuia este accelerata. Dupa cum a descoperit Edwin Hubble, cu cât un obiect este mai departe de noi cu atât mai repede se îndeparteaza. În termeni simpli aceasta înseamna ca Universul este într-adevar în expansiune, iar acest lucru (la rândul sau) înseamna ca Universul se va sfârsi, probabil, sub forma unui pustiu înghetat, static. Cu toate acestea, acest lucru se poate schimba, daca se produce o inversare a efectului de expansiune generat de energia întunecata. Va suna confuz? Pentru a clarifica lucrurile, haideti sa aruncam o privire mai atenta asupra a ceea ce este energia întunecata.

Cum s-a descoperit ca Universul se extinde?

Expansiunea accelerata a Universului a fost descoperita atunci când astronomii au studiat supernovele de tipul 1a. Aceste explozii stelare joaca un rol esential pentru stabilirea distantei dintre doua corpuri ceresti, pentru ca toate exploziile supernovelor de tipul 1a sunt remarcabil de asemanatoare între ele în ceea ce priveste luminozitatea lor. Deci, daca stim cât de luminoasa ar trebui sa fie o stea, atunci putem compara luminozitatea sa aparenta cu luminozitatea sa proprie si vom obtine o valoare de încredere pentru cât de departe se afla un obiect anume fata de noi. Pentru a va face o idee mai buna cu privire la modul cum se poate face asta, gânditi-va la faruri. În marea lor majoritate, farurile auto au toate aceeasi luminozitate. În consecinta, daca farurile unei masini au doar 1/4 din luminozitatea unui alt autoturism, atunci înseamna ca acea masina se afla la o distanta de doua ori mai mare în comparatie cu masina de referinta.

Supernova de tipul 1a din imaginea de mai sus se afla în stânga, jos. Credit:High-Z Supernova Search Team, HST, NASA

În afara faptului ca ne ajuta sa facem aceste masuratori importante cu privire la distantele obiectelor din Univers, aceste explozii de supernova ne-au oferit posibilitatea de a previzualiza, de asemenea, una dintre cele mai ciudate observatii facute vreodata despre Univers. Pentru a masura distanta aproximativa la care se afla un obiect, cum ar fi o stea si pentru a stabili modul în care aceasta distanta se modifica în timp, astronomii analizeaza spectrul luminii emise de acel obiect. Oamenii de stiinta au fost capabili sa afirme ca Universul se afla într-o expansiune accelerata, deoarece pe masura ce undele electromagnetice se propaga pe o distanta incredibil de mare catre Pamânt (de ordinul miliardelor de ani-lumina distanta) Universul continua sa se extinda. Si pe masura ce acesta se extinde, el întinde aceste unde printr-un proces denumit „deplasare spre rosu” ( „rosu” deoarece cea mai mare lungime de unda se afla în portiunea rosie a spectrului electromagnetic). Cu cât sunt mai mult deplasate spre rosu undele electromagnetice cu atât mai rapid se produce expansiunea. Multi ani de observatii meticuloase (realizate de mai multi astronomi) au confirmat ca aceasta expansiune este în plina desfasurare si, mai mult, ea este accelerata. Aceasta deoarece, asa cum am mentionat anterior, cu cât un obiect se afla mai departe de noi cu atât spectrul sau este deplasat mai spre rosu si, în consecinta, cu atât mai repede se îndeparteaza acesta de noi.

De unde stim ca energia întunecata este reala?

Avem nevoie de energia întunecata, într-o forma sau alta, pentru a reconcilia geometria masurata a spatiului cu cantitatea totala de materie din Univers. Aceste masuratori au fost realizate cu ajutorul satelitului Planck si a misiunii Wilkenson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Observatiile satelitului cu privire la radiatia cosmica de fond (CMB-cosmic microwave background radiation) indica faptul ca Universul este plat din punct de vedere geometric sau ca este foarte apropiat de aceasta forma (N.t. Geometria Universului este determinata de rata de expansiune a acestuia si de forta gravitationala).

Toata materia despre care noi credem ca exista (pe baza datelor stiintifice si a concluziilor noastre) reprezinta doar aproximativ 30% din densitatea critica totala a Universului ce a fost stabilita pe baza observatiilor astronomice. Daca Universul ar fi fost geometric plat, asa cum o sugereaza observatiile bazate pe CMB, atunci densitatea critica a energiei si a materiei ar fi trebuit sa fie egale. Sapte ani de observatii realizate de WMAP si 2 ani de observatii sofisticate realizate de satelitul Planck constituie dovezi foarte puternice ale unui univers plat. Masuratorile curente ale satelitului Planck stabilesc ca materia barionica (atomii) reprezinta aproximativ 4% din Univers, materia întunecata 23% din Univers, iar energia întunecata reprezinta restul de 73% din Univers.

Distributia materiei si energiei în Univers. Credit: NASA

Mai mult, Wiggle Z (un studiu care s-a încheiat în anul 2011) a sustinut în continuare ipoteza energiei întunecate prin observatiile sale asupra structurilor cosmice la scara mare ale Universului (cum ar fi galaxiile, quasarii, clusterele de galaxii etc). Dupa ce a observat mai mult de 200.000 de galaxii (masurând deplasarile lor spre rosu si oscilatiile acustice barionice), studiul a stabilit ca Universul avea o vârsta de 7 miliarde de ani atunci când a început sa se extinda accelerat.

 Cum actioneaza energia întunecata?

Pe baza principiului intitulat „Briciul lui Occam” (care considera ca teoria cu cel mai mic numar de ipoteze este cea corecta), comunitatea stiintifica a sustinut constanta cosmologica a lui Einstein. Sau, cu alte cuvinte, densitatea de energie a vidului din spatiul gol, cel care exercita pretutindeni o presiune negativa, în cele din urma ajunge sa 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 asa-numitul „spatiu gol”, care este de fapt plin de particule virtuale care apar si dispar.

 Care este problema cu energia întunecata?

Cosmologii au prezis ca valoarea pentru constanta cosmologica ar trebui sa fie de 10^-120 unitati Planck si aceasta a fost denumita „cea mai proasta predictie din istoria fizicii”. Conform ecuatiei energiei întunecate, valoarea parametrului w (N.t. raportul dintre presiune si densitatea de energie) trebuie sa fie egala cu -1. Dar, în conformitate cu cele mai recente date obtinute cu ajutorul Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), aceasta valoare este, de fapt, de -1,186. Pan-STARRS a obtinut aceasta valoare utilizând atât datele proprii cât si datele observationale ale satelitului Planck (cel care a studiat 150 de supernove de tip 1a între anii 2009 si 2011).

„În cazul în care w are aceasta valoare, atunci înseamna ca cel mai simplu model teoretic utilizat pentru a explica energia întunecata este gresit”, a declarat Armin Rest din cadrul Space Telescope Science Institute (STScI) din Baltimore. Armin Rest este conducatorul echipei Pan-STARRS care a anuntat aceste rezultate pe site-ul de astrofizica arXiv în data de 22 octombrie 2013.

 Care este semnificatia acestui rezultat?

Cum putem explica diferenta dintre valoarea calculata si cea masurata pentru constanta cosmologica? S-ar putea crede ca aceste rezultate ar reprezenta erori de masura. Se cunoaste ca procesul de calibrare a telescoapelor, fizica ce descrie supernovele, precum si proprietatile galactice constituie surse importante de incertitudini. Toate acestea pot afecta valoarea constantei cosmologice. Mai multi astronomi au negat validitatea rezultatelor echipei Pan-STARRS. Julien Guy de la University Pierre and Marie Curie din Paris a declarat ca este posibil ca cercetatorii din echipa Pan-STARRS sa-si fi subestimat propriile erori sistematice prin ignorarea unei surse de incertitudine datorata curbelor de lumina ale supernovelor. Numerosi alti astronomi au analizat datele obtinute de echipa Pan-STARRS pentru a verifica daca pot gasi eventuale greseli în studiul elaborat de cercetatorii Pan-STARRS.

În ciuda acestui fapt, datele obtinute au rezultat în urma unei activitati foarte minutioase care a fost realizata de o echipa cu experienta si care exclude orice incertitudini de masura. Mai mult, acesta este cel de-al treilea studiu al boltii ceresti ale carui rezultate experimentale conduc la w=1, iar acest lucru atrage atentia cosmologilor de pretutindeni.

Ei bine, în cazul în care modelul constantei cosmologice este gresit, atunci trebuie sa cautam o alternativa pentru acesta. Aceasta este frumusesea stiintei. Ei nu-i pasa ce ne dorim noi sa fie adevarat: daca ceva nu este în conformitate cu observatiile atunci este gresit. Pur si simplu.

sursa: Everything You Need to Know About Dark Energy

Bogdan

Per aspera ad astra