Frumusetea stiintei consta si în faptul ca, pe masura ce descifram mecanismele de baza ale „functionarii” Universului, ne confruntam cu mistere noi, care, la rândul lor, îsi asteapta explicatiile cuvenite. Nu avem încotro. Ori de câte ori gasim un mister, suntem nevoiti sa îl lamurim.
În cazul Universului, ne confruntam cu un mare mister. Numai circa 5% din el este alcatuit din materie obisnuita. Restul este reprezentat de energia si materia întunecata, care sunt doua enigme fundamentale ce înca îsi asteapta elucidarea.
Energia întunecata
Înainte de anul 1998 lucrurile pareau sa fie clare. Universul nostru se afla în expansiune, asa cum o demonstrase stralucit Edwin Hubble, înca din anii 1920. Privind catre viitorul Universului, comunitatea stiintifica era în buna masura de acord cu ipoteza conform careia, sub actiunea gravitatiei, aceasta expansiune va încetini în timp, dupa care va începe un proces de contractie al Universului. Dar, asa cum se întâmpla adesea în stiinta, aceasta ipoteza larg acceptata avea sa primeasca o lovitura decisiva.
Pe la începutul anilor 1990, doua echipe de cercetatori au încercat sa determine aceasta încetinire a vitezei de expansiune a Universului. Prima echipa, numita Supernova Cosmology Project, era condusa de catre Saul Perlmutter, de la Lawrence Berkeley National Laboratory, iar cea de-a doua, High-Z Supernova Search, era condusa de catre Brian Schmidt, de la Australian National University si de catre Adam Riess, de la Space Telescope Science Institute. Ambele echipe si-au îndreptat atentia catre un anumit tip de supernove: cele de tip Ia.
Supernovele de acest tip sunt adevarate jaloane în Univers, cu ajutorul carora pot fi deteminate distantele pâna la galaxiile foarte îndepartate. Ele se produc în sistemele stelare binare în care una dintre componente este o pitica alba, care atrage o parte din materia astrului companion. La un moment precis, atunci când masa piticei albe atinge 1,38 mase solare, aceasta „explodeaza” transformându-se într-o supernova.
Luminozitatea lor este foarte bine determinata si aceste supernove pot fi luate ca surse etalon de lumina. Din momentul în care cunoastem luminozitatea absoluta a unui obiect este usor sa determinam distanta pâna la el.
Acum cred ca este usor de înteles de ce ambele echipe s-au bazat pe masuratori asupra supernovelor de tip Ia. Cu ajutorul lor se pot masura cu precizie distante în Univers. Daca vom cupla aceste date cu viteza de îndepartare de noi, masurata pe baza deplasarii spre rosu, putem sti evolutia în timp a vitezei de expansiune a Universului.
În ianuarie 1998 echipa Supernova Cosmology Project a anuntat, în cadrul unei conferinte de presa organizate la Washington, ca, în urma masuratorilor asupra a 40 de supernove de tip Ia s-a ajuns la concluzia ca asistam la o expansiune a Universului accelerata.
În februarie 1998, cea de-a doua echipa, High-Z Supernova Search, a anuntat ca a obtinut rezultate similare cu cele date publicitatii în ianuarie de catre Supernova Cosmology Project: asistam la o expansiune accelerata a Universului. Din acest moment lucrurile au devenit clare si foarte greu de contestat.
Ceva, o forta teribil de misterioasa, face ca expansiunea Universului, în loc sa încetineasca (asa cum era de asteptat), este accelerata! Un adevarat cutremur în lumea cosmologilor.
Ipoteze contradictorii
Ar putea exista mai multe explicatii pentru aceasta comportare stranie a Universului. Prima ne este oferita de însusi Einstein. Desi am mai vorbit si cu alte ocazii despre ceea ce el considera ca a fost „cea mai mare greseala” a sa, cred ca este bine sa ne reamintim despre ce este vorba.
În 1915 Einstein publica o ecuatie fundamentala pentru descrierea Universului si a evolutiei sale. Numita tehnic, „ecuatia de câmp”, aceasta descria gravitatia ca fiind rezultatul curbarii spatiu-timpului în prezenta materiei si energiei. Atunci când Einstein a aplicat aceasta ecuatie la scara întregului Univers a obtinut un rezultat cu care nu putea fi de acord. Universul acesteia era unul dinamic, în timp ce Einstein pleca de la ideea unui Univers stationar.
Pentru a face ca ecuatia sa sa descrie Universul pe care si-l imagina, Einstein a introdus, artificial, un termen suplimentar, care poarta numele de constanta cosmologica, notata cu lambda. Mai apoi, dupa ce ipoteza de la care plecase a fost infirmata prin observatiile lui Edwin Hubble, care demonstrau expansiunea Universului, Einstein avea sa spuna ca aceasta constanta lambda este „cea mai mare greseala” a vietii lui.
Ei bine, concluziile observatiilor asupra supernovelor de tip Ia, care ne arata imaginea unui Univers aflat în expansiune accelerata, vin sa arate ca regretul lui Einstein era unul neîntemeiat. Constanta cosmologica, lambda, îsi merita locul în ecuatia care descrie evolutia Universului. Putem interpreta aceasta constanta ca fiind o proprietate a însusi spatiu-timpului. Este ceea ce se numeste „energia vidului”, care se manifesta, la scara foarte mare a Universului, ca o forta antigravitationala.
Deoarece avem de-a face cu o proprietate intrinseca a spatiu-timpului, densitatea de energie a vidului este constanta în timp si spatiu. Trebuie sa mai remarcam ca datorita expansiunii Universului, datorita „diluarii” materiei si energiei din Univers, forta gravitationala tinde sa scada. Din acest motiv, o data cu trecerea timpului, contributia energiei vidului (altfel spus: a constantei cosmologice lambda) la expansiunea Universului devine din ce în ce mai importanta. De aici rezulta fenomenul la care asistam acum: o expansiune accelerata a Universului.
Toate bune si frumoase, numai ca… din pacate nu s-a gasit, cel putin deocamdata, o explicatie pentru constanta cosmologica si nimeni nu a putut explica de ce aceasta are valoarea pe care o putem determina pe baza observatiilor. Aceasta energie a vidului este tocmai „energia întunecata”, si reprezinta circa 68,3% din Univers.
Desi explicarea accelerarii expansiunii Universului cu ajutorul constantei cosmologice este larg acceptata de catre cosmologi, ea nu este singura posibila. Exista si alte ipoteze.
Prima dintre ele poarta un nume aproape ezoteric: chintesenta (quintessence). Dupa filozofii Greciei antice, chintesenta ar fi cel de-al cincelea si cel mai subtil element din care este alcatuita lumea, alaturi de pamânt, aer, apa si foc. Din chintesenta ar fi alcatuite corpurile ceresti. În ipoteza prin care chitesenta explica expansiunea accelerata a Universului aceasta ar fi reprezentata de un câmp cuantic ipotetic, care are o evolutie dinamica în timp.
Seamana oarecum cu energia vidului având ca efect, la scara mare, aparitia unei forte antigravitationale, dar, spre deosebire de aceasta, câmpul produs de chintesenta nu este constant, ci variaza pe masura ce ne îndepartam de Big Bang. O cale pentru a decide daca ipoteza chintesentei este corecta ar fi determinarea vitezei de expansiune a Universului la diferite momente de timp dupa Big Bang, deoarece cele doua ipoteze prezentate pâna acum ofera rezultate diferite.
O alta ipoteza pentru expansiunea accelerata a Universului este una radicala. Ea pleaca de la ideea conform careia teoria gravitatiei propusa de Einstein nu ar fi chiar una corecta. Eventual, ar trebui avut în vedere un spatiu-timp cu dimensiuni suplimentare. Aceasta ipoteza nu ar afecta numai expansiunea Universului, ci si structura sa. Din acest motiv ipoteza poate fi testata.
Ar trebui sa fie descoperite structuri, la scara mare, în Univers, a caror dinamica sa nu poata fi explicata pe baza teoriei gravitatiei a lui Einstein. În acest sens, la Telescopul Foarte Mare (Very Large Telescope, VLT) al ESO (European Southern Observatory) de la Paranal, Chile, s-a lansat un program amplu de cercetare, care are drept obiectiv determinarea distributiei si miscarilor galaxiilor din Universul timpuriu.
Deci ne aflam în fata unui mister fundamental. Stim ca expansiunea accelerata a Universului este una accelerata, dar nu stim de ce este asa, si nu altfel. Stim ca Universul este alcatuit în proportie de 68,3% din energie întunecata, dar nu stim ce este aceasta energie întunecata
Dar acesta nu este singurul mister fundamental al Universului.
Materia întunecata
În anul 1933, astronomul elvetian Fritz Zwicky, care în acea vreme lucra la Caltech, SUA, facea o descoperire importanta. El studia dinamica roiului de galaxii Coma. A estimat mai întâi masa galaxiilor din roi, pe baza luminozitatii lor. Apoi a mai efectuat o evaluare a masei totale a roiului, de data aceasta pe baza miscarilor galaxiilor aflate în vecinatatea sa.
Atunci când a comparat cele doua rezultate, a avut o mare surpriza. Masa determinata pe baza luminozitatii galaxiilor din roi era de circa 400 de ori mai mica decât cea determinata pe baza miscarilor galaxiilor din vecinatatea roiului. Discrepanta dintre cele doua rezultate era mult prea mare pentru a putea fi atribuita unor simple erori de masurare.
Zwicky a presupus ca exista o forma invizibila de materie, „dunkle Materie” – materie întunecata. Astazi, pe baza observatiilor realizate de catre telescopul spatial Planck, se estimeaza ca materia întunecata reprezinta circa 26,8% din Univers, în timp ce materia obisnuita reprezinta numai 4,9%.
Din ce este alcatuita aceasta materie întunecata? Nu stim, deocamdata. Despre ea putem spune ca nu interactioneaza decât gravitational cu materia obisnuita. Si ar mai trebui sa spun ceva: materia întunecata nu este… întunecata, ci, mai degraba, perfect transparenta. Ea nu absoarbe fotonii. Ca si în cazul energiei întunecate, exista mai multe ipoteze prin care se încearca explicarea ei.
Câteva ipoteze de lucru
Dintre toate, cea mai populara în rândul fizicienilor se refera la WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, particule masive cu interactiune slaba). Acestea sunt particule care poseda masa, dar care, cu exceptia interactiunii gravitationale, nu interactioneaza, decât foarte putin cu materia obisnuita.
Ipoteza este atragatoare, deoarece este legata de o alta ipoteza importanta din fizica, cea a supersimetriei. Pe scurt, supersimetria vorbeste despre parteneri ipotetici, ai particulelor elementare cunoscute. Astftel, fiecare fermion are ca partener un nou bozon si fiecare bozon are ca partener un nou fermion. Partenerii bozoni ai fermionilor sunt numiti punând un „s” în fata numelui fermionului (avem astfel selectron, scuark etc.). Pentru partenerii fermioni ai bozonilor, se adauga sufixul „ino” (fotino, gluino etc).
Se crede ca unul dintre acesti parteneri supersimetrici ar putea fi un foarte bun candidat pentru WIMPs. Pentru a se verifica aceasta ipoteza, înca din anii ’80 au fost realizate detectoare cu ajutorul carora sa fie surprinse extrem de rarele momente în care o particula WIMP interactioneaza cu materia obisnuita. Pâna în prezent nu a fost obtinut nici un rezultat. Mai mult decât atât, spre sfârsitul anului 2013, echipa de cercetatori de la Large Underground Xenon, LUX, cel mai sensibil detector de particule WIMPs, a anuntat ca nu a detectat nici un semn al materiei întunecate.
În anuntul dat publicitatii s-a aratat ca astfel au putut fi eliminate mai mult de jumatate dintre modelele referitoare la WIMPs, dar ca se impune continuarea cautarii, pentru a fi verificate modelele ramase. Se spera ca în urmatorii cinci, pâna la zece ani, vom avea un raspuns clar, pozitiv sau negativ, referitor la WIMPs. Dar daca WIMPs nu ar reprezenta explicatia pentru materia întunecata, unde am mai putea cauta?
Un alt candidat este reprezentat de axioni, care au o masa mult mai mica decât WIMPs si care interactioneaza mult mai putin cu materia decât acestea. Nu voi intra în detalii referitoare la aceste particule ipotetice, subiectul este mult prea dificil pentru a fi expediat în doar câteva paragrafe. Voi spune doar ca si pentru cautarea axionilor se întreprind cercetatri asidue.
Cel mai important experiment pentru detectarea lor este Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), care a fost initiat înca din 1995. Pâna acum nu a fost obtinut nici un indiciu, dar se spera ca pâna la finalul acestui deceniu vom avea un raspuns privitor la existenta, sau inexistenta lor.
Exista si alti candidati pentru materia întunecata, unii foarte exotici. De exemplu, se poate presupune ca materia întunecata este reprezentata de gaurile negre primordiale. Acestea nu s-au format prin colapsul gravitational al stelelor masive, ci în conditiile extreme de la începutul Universului. Au fost întreprinse mai multe cautari, pentru detectarea acestor gauri negre primordiale, dar nici una nu a dat un rezultat pozitiv.
Cea mai recenta a fost realizata de catre o echipa de cercetatori de la Universitatea California, condusa de catre astrofizicianul Kim Griest, s-a folosit de datele transmise de catre telescopul spatial Kepler. Acest telescop a fost proiectat pentru a detecta planete extrasolare prin masurarea variatiei de luminozitate a unei stele, atunci când o planeta trece prin fata sa.
Telescopul spatial Kepler monitorizeaza simultan circa 150.000 de stele. Atunci când o ipotetica gaura neagra primordiala trece prin fata unei stele, se produce efectul de lentila gravitationala, care, în acest caz, s-ar manifesta printr-o crestere brusca a luminozitatii stelei. Concluzia acestei cautari? Nu a fost identificata nicio gaura neagra primordiala. Deocamdata putem elimina ipoteza gaurilor negre primordiale, drept candidat pentru materia întuncata, cel putin pentru cele care au o masa mai mare de 5% din masa Lunii. Dar ipoteza lor ramâne înca valabila în asteptarea unor instrumente mai sensibile.
Un alt candidat exotic pentru materia întunecata este reprezentat de o forma extrema a materiei, care ar forma ipotetice stele alcatuite din cuarci. Acestea nu emit lumina, în schimb exercita forta de atractie gravitationala. Nici pentru ele nu avem decât ipoteze teoretice, neînsotite de confirmari.
Mai exista o posibilitate pentru materia întunecata. Una de-a dreptul nelinistitoare. Ar fi posibil ca aceasta sa fie alcatuita dintr-o forma de materie imposibil de detectat cu metodele imaginabile astazi, o materie care nu interactioneaza decât strict gravitational cu materia obisnuita. În acest caz, orice tentativa de cautare a ei ar fi sortita esecului.
CONCLUZIE
Am trecut rapid în revista doar doua dintre marile mistere care îsi asteapta dezlegarea de catre stiinta. Desi nu stim ce reprezinta materia si energia întunecate, stim ca ele exista. Avem dovezi clare pentru ele.
In viitor am convingerea ca vom gasi raspunsuri la aceste intrebari. Atunci vom asista la o adevarata revolutie in stiinta.
Energia întunecat? ?i materia întunecat?: misterele Universului
