La începutul anilor 1990, un lucru era destul de sigur cu privire la expansiunea universului. S-ar putea să aibă o densitate suficientă de energie pentru a opri expansiunea și a recolapsa, ar putea avea o densitate atât de mică de energie încât să nu se mai oprească, dar gravitația era sigur că va încetini expansiunea pe măsură ce timpul trece. Încetinirea nu a fost observată, dar, teoretic, universul trebuia să încetinească. Universul este plin de materie și forța atractivă a gravitației trage toate lucrurile împreună. Apoi a venit 1998 și observațiile Hubble Space Telescope despre supernovele foarte îndepărtate care au arătat că, cu mult timp în urmă, universul se extindea de fapt mai lent decât astăzi. Deci expansiunea universului nu a încetinit din cauza gravității, așa cum a crezut toată lumea, dimpotrivă, s-a accelerat. Nimeni nu se aștepta la asta, nimeni nu știa cum să explice. Dar trebuia să existe o cauză.
În cele din urmă, teoreticienii au venit cu trei tipuri de explicații. Poate că era rezultatul unei versiuni la care se renunțase demult a teoriei gravitației lui Einstein, care conținea ceea ce era numită „constanta cosmologică”. Poate că era ceva ciudat ca un fluid energetic care umplea spațiul. Poate că era ceva în neregulă cu teoria gravitației lui Einstein și o nouă teorie ar putea include un fel de câmp care creează această accelerație cosmică. Teoreticienii încă nu știu care este explicația corectă, dar au dat soluției un nume. Se numește energia întunecată.
Ce este energia întunecată?
Mai mult este necunoscut decât este cunoscut. Știm cât de multă energie întunecată există pentru că știm cum afectează expansiunea universului. Dar dincolo de asta, este un mister complet. Dar este un mister important. Se pare că aproximativ 68% din univers este o energie întunecată. Materia întunecată reprezintă aproximativ 27%. Restul – totul de pe Pământ, tot ceea ce sa întâmplat vreodată cu toate instrumentele noastre, cu toată materia normală – se ridică la mai puțin de 5% din univers. Dacă e să ne gândim la asta, poate că nu ar trebui să fie numită deloc „normală”, deoarece este doar o mică parte a universului.
(Energia întunecată a Universului – Expansiunea universului. Această diagramă arată schimbări în rata de expansiune de la nașterea universului cu 15 miliarde de ani în urmă. Cu cât curba este mai sus, cu atât viteza de expansiune este mai rapidă. Curba se schimbă considerabil cu aproximativ 7,5 miliarde de ani în urmă, când obiectele din univers au început să se depărteze ca o rată mai mare. Astronomii teoretizează că rata de expansiune mai mare se datorează unei forțe misterioase, întunecate, care separă galaxiile. Credit: NASA / STSci / Ann Feild)
O explicație pentru energia întunecată este că este o proprietate a spațiului. Albert Einstein a fost prima persoană care a realizat că spațiul gol nu înseamnă nimic. Spațiul are proprietăți uimitoare, multe dintre ele începând să fie înțelese. Prima proprietate pe care a descoperit-o Einstein este că este posibil să apară mai mult spațiu. Apoi, o versiune a teoriei gravitației lui Einstein, versiunea care conține o constantă cosmologică, face o a doua previziune: „spațiul gol” poate să posede propria sa energie. Deoarece această energie este o proprietate a spațiului în sine, nu ar fi diluată pe măsură ce spațiul se extinde. Pe mãsurã ce existã mai mult spațiu, ar apãrea mai multã energie în spațiu. Ca rezultat, această formă de energie ar face ca universul să se extindă mai rapid și mai rapid. Din păcate, nimeni nu înțelege de ce ar trebui să existe și constanta cosmologică, cu atât mai puțin de ce ar avea exact valoarea potrivită pentru a provoca accelerația observată a universului.
(Nucleul materiei întunecate sfidează explicația. Această imagine prezintă distribuția materiei întunecate, a galaxiilor și a gazelor fierbinți în nucleul clusterului Abell 520 al galaxiilor care fuzionează. Rezultatul ar putea reprezenta o provocare pentru teoriile de bază ale materiei întunecate. Credit: NASA)
O altă explicație pentru modul în care spațiul capătă energie provine din teoria cuantică a materiei. În această teorie, „spațiul gol” este de fapt plin de particule temporare („virtuale”) care se formează continuu și apoi dispar. Dar când fizicienii au încercat să calculeze cât de multă energie ar da spațiu gol, răspunsul a ieșit greșit – greșit de mult. Numărul a ieșit de 10120 de ori prea mare. E un 1 cu 120 de zerouri după el. E greu să ai un răspuns atât de prost. Deci misterul continuă.
O altă explicație pentru energia întunecată este aceea că este un nou tip de fluid sau câmp de energie dinamică, ceva care umple tot spațiul, dar ceva al cărui efect asupra expansiunii universului este opus celui al materiei și al energiei normale. Unii teoreticieni au numit aceasta „chintesență”, după al cincilea element al filozofilor greci. Dar dacă chintesența este răspunsul, încă nu știm ce înseamnă, cu ce interacționează sau de ce există. Deci misterul continuă.
O ultimă posibilitate este că teoria gravitației lui Einstein nu este corectă. Aceasta ar afecta nu numai expansiunea universului, dar ar afecta și modul în care se comporta materia normală din galaxii și grupurile de galaxii. Acest fapt ar oferi o modalitate de a decide dacă soluția la problema energiei întunecate este sau nu o nouă teorie a gravitației: am putea observa cum galaxiile se reunesc în grupuri. Dar dacă se dovedește că este necesară o nouă teorie a gravitației, ce fel de teorie ar fi aceasta? Cum ar putea descrie în mod corect mișcarea corpurilor din Sistemul Solar, așa cum este cunoscut faptul că teoria lui Einstein face și ne dă încă predicția diferită pentru universul de care avem nevoie? Există teorii candidate, dar niciuna nu este convingătoare. Deci misterul continuă.
Lucrul de care este nevoie pentru a decide între posibilitățile de energie întunecată – o proprietate a spațiului, un fluid dinamic nou sau o nouă teorie a gravitației – sunt mai multe date, și mai bune.
Ce este materia întunecată?
(Abell 2744: Clusterul Pandorei a fost dezvăluit. Una dintre cele mai complicate și dramatice coliziuni dintre grupările de galaxii văzute vreodată este captată în această nouă imagine compusă a lui Abell 2744. Albastrul arată o hartă a concentrației totale de masă (cea mai mare parte a materiei întunecate). Credit: NASA)
Prin potrivirea unui model teoretic al compoziției universului cu setul combinat de observații cosmologice, oamenii de știință au venit cu compoziția pe care am descris-o mai sus, energie întunecată de ~ 68%, ~ 27% materie întunecată, ~ 5% materie normală. Ce este materia întunecată?
Suntem mult mai siguri ce nu este materia întunecată decât ceea ce este. În primul rând, este întunecată, ceea ce înseamnă că nu este sub forma de stele și planete pe care le vedem. Observațiile arată că în univers există prea puțină materie vizibilă pentru a compensa 27% din observații. În al doilea rând, nu este sub forma unor nori întunecați de materie normală, materie constituită din particule numite barioni. Știm acest lucru pentru că am putea detecta norii barionici prin absorbția lor de radiații care trece prin ele. În al treilea rând, materia întunecată nu este antimaterie, deoarece nu vedem razele gamma unice produse atunci când antimateria se anihilează cu materia. În cele din urmă, putem exclude găurile negre de dimensiuni mari de ordinul galaxiilor pe baza numărului de lentile gravitaționale pe care le vedem. Concentrații mari de materie care curbează lumina care trece pe lângă ele ca obiecte îndepărtate, dar nu vedem destule evenimente de lentilă care să sugereze că astfel de obiecte ar trebui să contribuie la materia întunecată de 25%.
Totuși, în acest moment, există încă câteva posibilități viabile pentru materia întunecată. Materia barionică ar putea încă să compună materia întunecată dacă ar fi legată cu stele pitice maro sau cu bucăți mici, dense de elemente grele. Aceste posibilități sunt cunoscute sub denumirea de obiecte halo compacte masive sau „MACHO”. Dar cea mai obișnuită viziune este că materia întunecată nu este deloc barionică, ci că este alcătuită din alte particule mai exotice, cum ar fi axioni sau WIMPS (particulele massive care interacționează slab).
Lasă un răspuns