Datele transmise de către telescoapele spațiale WMAP și Planck, aveau o misterioasă ciudățenie. Fotografiind Universul, așa cum arăta el la 380.000 de ani după Big Bang, ele au arătat prezența unei pete reci (cold spot) care, conform principiul cosmologic (el spune că Universul este omogen și izotrop) nu ar fi trebuit să existe. De-a lungul timpului s-au încercat mai multe explicații, care au căzut una după alta. În 2015, identificarea unui uriaș ”gol cosmic”, aflat pe direcția petei reci, oferea (sau părea că oferă) un răspuns. Totuși misterul rămâne intact: ce a produs acest gol cosmic?
Pata rece
Dați-mi voie să încep prin a vă reaminti câteva probleme pe care le-am abordat în detaliu în ultimii ani. Articolele complete le puteți găsi pe site-ul revistei noastre.
Timp de circa 380.000 de ani după Big Bang, Universul nostru a fost perfect opac. Era mult prea fierbinte, putând fi descris ca o plasmă formată din protoni, neutroni, electroni și fotoni. După trecerea celor 380.000 de ani, Universul s-a răcit suficient de mult și au început să se formeze primii atomi. Aproape dintr-o dată a devenit transparent. Fotonii din acea perioadă reprezintă prima lumină a Universului și alcătuiesc ceea ce se numește fondul cosmologic de radiații. Primii savanți care au enunțat ipoteza existenței acestuia au fost Ralph Alpher și Robert Herman. Aceștia. în 1948, plecând de la o idee a lui George Gamow, au calculat temperatura Universului în momentul în care a devenit transparent și, ținând seama de expansiunea Universului, au determinat valoarea acestei temperaturi pentru un observator din zilele noastre. Valoarea obținută de ei era de 5K, aproape de două ori mai mare decât cea determinată prin măsurătorile actuale, care este de circa 2,7K. Imprecizia calculului venea din valoarea inexactă, la acea vreme, a constantei Hubble, cu ajutorul căreia se determină viteza de expansiune a Universului în funcție de distanță.
În 1964, Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson descoperă, din pură întâmplare, semnalul provenit de la fondul cosmologic de radiații, conformând astfel ipoteza Alpher-Herman. Instrumentul folosit de cei doi, o antenă pentru microunde, nu avea o sensibilitate suficient de bună, așa că la acel timp fondul cosmologic de radiații părea a fi perfect uniform, având acceași temperatură. Aici apare o problemă: asta însemna că și materia era perfect uniform distribuită în Universul timpuriu. Dacă ar fi fost așa, atunci Universul prezentului ar fi trebuit să fie o supă rarefiată de atomi de hidrogen, heliu și litiu. O situație cumplit de tristă: din cauza acestei uniformități nu s-ar fi putut forma stelele și galaxiile. Din fericire lucrurile nu stau așa, o știe oricine. Dar problema rămânea în picioare. Erau necesare instrumente mai bune, mai precise, pentru a se măsura temperatura, mai bine zis, fluctuațiile de temperatură ale fondului cosmologic de radiații.
Primul dintre aceste instrumente a fost telescopul spațial COBE (Cosmic Background Explorer), care a fost lansat în noiembrie 1989. El a dezvăluit un Univers tânăr plin de mici fluctuații de temperatură. Cât de mici? Extrem de mici. Variațiile erau de numai de unu la 100.000 în raport cu media de 2,73K. Toate erau bune şi frumoase, dar nici harta realizată de COBE nu avea rezoluția și precizia pe care o doreau fizicienii. Așa că, în iunie 2001, a fost lansat WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), un nou telescop spațial dedicat observării Universului, așa cum era el la 380.000 de ani după Big Bang. Având o rezoluție de 30 de ori mai mare decât predecesorul său, WMAP a oferit o imagine mult mai detaliată a fondului cosmologic de radiații. Pe parcursul funcționării sale (WMAP a transmis date timp de ani ani) a transmis o cantitate uriașă de informații. Cu ajutoru lui s-a putut aduce dovada existența perioadei inflaționare din primele momente de existență a Universului, s-a putut demonstra că trăim într-un Univers euclidian etc.
Dar toate aceste informații, care confirmau teoria standard a cosmologiei, erau însoțite de o mare enigmă. Pe direcția constelației Eridanus (în românește, constelația Râul) se găsea o uriașă zonă cu temperatură mai mică decât era de așteptat pentru fondul cosmologic de radiații. Aceasta este ceea ce numim ”pata rece”. Așa cum vă spuneam încă de la începutul acestui text existența petei reci vine să infirme principiul cosmologic, care spune că Universul este omogen și izotrop. La scurt timp după descoperirea ei au început să fie elaborate ipoteze care să îi explice prezența. Una dintre ele lua în calcul ideea conform căreia pata rece ar reprezenta punctul de ciocnire dintre Universul nostru și un univers paralel. Dar toate ipotezele enunțate aveau un mare cusur: era foarte posibil ca pata rece să fie o iluzie generată de erorile sistematice de măsurare.
Oamenii de știință aveau nevoie de un instrument și mai performant decât WMAP. Acesta a fost telescopul spațial Planck, construit de ESA. Acesta a fost lansat în luna mai, 2009 și a transmis date timp de aproape patru ani. Având o rezoluție de 2,5 mai mare decât cea a telescopului spațial WMAP, Planck ne-a oferit o hartă extrem de detaliată a fondului cosmologic de radiații. Surpinzător sau nu, pata rece nu a dispărut. Ea a rămas la coordonatele determinate de către WMAP. De data aceasta nu se mai putea vorbi despre o iluzie. Pata rece era misterioasă, e drept, dar perfect reală.
Care să fie explicația existenței ei? Din nou au fost lansate mai multe ipoteze, din nou a fost adus în discuție universul paralel. Bună parte dintre acestea erau mai degrabă speculații matematice, care nu permiteau o confirmare independentă. Dar exista o ipoteză care putea fi verificată prim măsurători astrofizice. Conform acesteia, între noi și pata rece ar exista un uriaș ”gol cosmic”, care ar afecta fotonii proveniți din fondul cosmologic de radiații. Să vedem despre ce este vorba.
Marele gol
Mai înainte de a vorbi despre acest mare gol, vreau să vă spun cum afectează lumina absența materiei. În fizică este cunoscut efectul Sachs-Wolfe, descris de cei doi încă din 1967. Voi încerca să îl descriu cât mai simplu cu putință. Imaginați-vă o particulă care pătrunde într-un spațiu gol, o zonă care este practic lipsită de materie. Imediat după ce a depășit frontiera golului ea va începe să pierdă din energia cinetică sub acțiunea gravitațională a materiei care se află în spatele ei. După ce a trecut de jumătatea golului ea începe să își recapete din energia cinetică, sub acțiunea gravitațională a materiei care se află în fața ei. Este ca și cum particula ar urca un deal: pe panta crescătoare va fi încetinită și, după trecerea culmii dealului, va începe o accelerare treptată. Același lucru se întâmplă și cu fotonii, cu un mic amendament. Viteza lor în vid este constantă, nu putem vorbi despre o variație de viteză. Ei își vor modifica energia, care este direct proporțională cu temperatura. Atunci când un foton intră într-un asemenea gol își va pierde energia, se va ”răci”, după care își va recăpăta energia, ”încălzindu-se”. Pentru o evaluare completă a comportării fotonului în timp ce străbate spațiul gol trebuie să mai ținem seama că Universul nostru se află în expansiune accelerată. Dacă luăm în considerare acest aspect vom constata, în analogia descrisă mai sus, că pe panta descendentă a dealului fotonul nu își va recăpăta întreaga energie pierdută pe panta descendent. Altfel spus, la ieșirea din spațiul gol fotonul va fi mai ”rece” decât la intrare.
Efectul Sachs-Wolfe ar putea explica foarte bine prezența petei reci în fondul cosmologic de radiații. Acum trebuie să vă mai spun ceva. Efectul Sachs-Wolfe este extrem de slab. Pentru ca pe harta fondului cosmologic de radiații să apară pata rece este nevoie nu de un simplu spațiu gol, ci unul de-a dreptul uriaș, cu dimensiuni de ordinul miliardelor de ani lumină.
Căutarea
Deși ar putea să pară o chestie relativ simplă, nu este chiar un lucru ușor să identifici un gol uriaș în Univers. Până de curând cele mai multe hărți astronomice erau de fapt reprezentări bidimensioanale ale coordonatelor galaxiilor. Gândiți-vă la stelele care alătuiesc o constelație. Ele par grupate, dar de fapt se află la distanțe diferite față de noi. Același lucru se întâmpa și cu hărțile în care apăreau galaxiile. Pentru a identifica golurile din Univers avem nevoie să cunoștem și distanțele până la galaxii.
Destul de repede după apariția primelor informații referitoare la existența petei reci, omenii de știință au încercat să verifice ipoteza conform căreia pata rece este o iluzie rezultată în urma efectului Sachs-Wolfe, pe care l-am descris mai sus. O primă încercare a fost făcută, în 2007, de către o echipă de cercetători condusă de către Lawrence Rudnick de Universitatea Minnesota. Ei s-au folosit catalogul NRAO VLA Sky Survey. Acest catalog cuprinde galaxiile observate cu ajutorul rețelei de radiotelescoape Karl G. Jansky Very Large Array, din New Mexico, alcătuită din 27 de radiotelescoape, care, prin tehnici interferometrice, se comportă, din punctul de vedere al rezoluției, ca o singură antenă cu diametrul de 36 km. Deși catalogul nu conținea valorile distanțelor, se știa că cele mai multe galaxii conținute în el se află la o distanță foarte mare de noi. Pe baza informațiilor disponibile echipa lui Rudnick a presupus că, pe direcția petei reci, ar putea exista un gol uriaș, aflat la o distanță de circa 11 miliarde de ani lumină.
Din păcate aveam o ipoteză un pic cam forțată, care nu era sprijinită de date concrete. Cercetări ulterioare au arătat că marele gol căutat nu poate fi plasat la distanța prezisă de Rudnick și echipa sa. De exemplu, în articolul ”Galaxy counts on the CMB cold spot” (Numărarea galaxiilor [pe direcția] petei reci din fondul cosmologic de radiații), semnat de către astrofizicienii Benjamin R. Granett, István Szapudi și Mark C. Neyrinck și publicat în mai 2010 în Astrophysical Journal se arăta că nu au fost găsite indicii clare pentru existența unui gol uriaș la distanța sugerată de cercetările lui Rudnick. Pentru a ajunge la această concluzie cercetătorii s-au folosit de datele obținute cu ajutorul telescopului Canada-Franța-Hawaii (Canada-France-Hawaii Telescope, CFHT) care erau mult mai detaliate decât cele din catalogul NRAO VLA Sky Survey folosit de Rudnick. Asta permitea o mai bună numărare a galaxiilor aflate pe direcția petei reci. Vă imaginați că lucrurile s-au oprit aici, ajungându-se la o concluzie finală. Nici vorbă de așa ceva. Ipoteza existenței unui mare gol era una foarte probabilă și, din acest motiv, se impuneau măsurători suplimentare, în care să fie determinată și distanța până la galaxiile observate.
În anul 2010 a fost declanșat un nou program de căutare a marelui gol. De această dată intstrumentul principal a fost telescopul PS1, care făcea parte din sistemul Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System). Acest telescop are o oglindă cu diametrul de 1,8 m și este amplasat pe vârful vulcanic Haleakala, din Hawaii și are drept obiectiv principal identificarea obiectelor care se mișcă pe cer, cum ar fi asteroizii și cometele. În principiu, Pan-STARRS face parte din rețeaua de avertizare a pentru potențialele pericole legate de obiectele cerești care trec prin apropierea planetei noastre. Pentru a își îndeplini misiunea telescopul este echipat cu o cameră foto digitală, capabilă să obțină imagini cu rezoluția de 1,4 megapixeli. Caracteristicile telescopului PS1 îl fac extrem de util și pentru al doilea obiectiv al său: cartografierea Universului vizibil din Hawaii. Evident, tocmai acest de-al doilea obiectiv îl tranformă într-un instrument prețios pentru căutarea marelui gol. Deşi era atât de preţios, el nu avea alocat un timp de observare special pentru identificarea marelui gol. Datele importante pentru căutarea lui ajungeau cu țârâita la cercetători. Iată ce scria István Szapudi, unul dintre descoperitorii marelui gol, în ediția din august, 2016, a revistei Scientific American: ”Am încercat să îl conving pe Nick Kaiser, conducătorul programului Pan-STARRS, să cartografieze zona petei reci, înainte de orice altceva, atunci când instrumentul va fi pus în funcțiune [în 2010]. Asta nu s-a întâmplat […] iar datele le-am primit cu picătura.”
În așeptarea colectării datelor, Szapudi ia legătură cu András Kovács, prospăt absolvent al Univeristății Eötvös Loránd din Budapesta, pe care îl roagă să analizeze catalogul de galaxii realizat pe baza datelor transmise de către telescopul spațial Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE). Kovács trebuia să identifice zonele lipsite de galaxii, care ar putea oferi indicii despre existența golurilor cosmice. Nu a trebuit să aștepte foarte mult. Kovács a identificat mai multe zone în care galaxiile erau foarte rare, una dintre ele fiind chiar pe direcția petei reci. Deoarece galaxiile din catalogul WISE sunt mult mai apropiate de Terra decât cele din catalogul NVSS, se putea presupune că golul uriaș ar trebui să se afle relativ aproape de noi.
Pentru a verifica această presupunere (care era enunțată și în lucrarea din Astrophysical Journal amintită mai sus), Szapudi a combinat datele disponibile din cataloagele Pan-STARRS și WISE, la care le-a adăugat pe cele cuprinse în catalogul programului Two Micron All Sky Survey (2MASS). În acest moment avea la dispoziție o hartă bidimensională a galaxiilor aflate pe direcția petei reci. Pentru a putea merge mai departe era nevoie, așa cum spuneam mai devreme, să determine și distanțele. Din păcate nu avea la dispoziție analizele spectrale cu ajutorul cărora să le poată calcula. Vă reamintesc că, din cauza expansiunii Universului, cu cât este mai îndepărtată o galaxie, cu atât avem o deplasare mai mare spre roșu a spectrului emis de ele. Neavând la dispoziție măsurători precise ale deplasării spre roșu, Szapudi a folosit o metodă aproximativă: a comparat culorile galaxiilor din cele trei cataloage cu cele din vecinătatea Terrei. Imediat după parcurgerea acestui pas a putut identifica existența unui gol uriaș, aflat la numai trei miliarde de ani lumină distanță, acolo unde era foarte greu de descoperit. A urmat apoi etapa analizei amănunțite a tuturor informațiilor disponibile. În cele din urmă ele au confirmat existența unui gol uriaș, cu diametrul de 1,8 miliarde de ani lumină, al cărui centru se află la 3 miliarde de ani lumină distanță. Rezultatele obținute au fost publicate în aprilie 2015, sub titlul ”Detection of a supervoid aligned with the cold spot of the cosmic microwave background” (Detectarea unui gol urial aliniat cu pata rece din fondul cosmologic de radiații), în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Acum vă puteți imagina că lucrurile au devenit clare și că avem o bună explicație pentru existența petei reci: un gol uriaș afectează fotonii proveniți din fondul cosmologic de radiații, prin efectul Sachs-Wolfe. Nu este chiar așa, încă nu avem un răspuns definitiv la problema petei reci. Uriașul gol descoperit este de cel puțin două ori mai mic decât cel care ar putea explica întrutotul existența ei… Mai trebuie făcuți mulți pași pentru elucidarea enigmei. În primul rând avem nevoie de o hartă 3D a Universului.
Concluzie
Cei care își imaginau că astrofizica are un romantism intrisec nu sunt foarte departe de adevăr. Romantismul există, dar numai în concluziile studiilor științifice, în măsura în care le poți decripta mesajul. Pentru a ajunge la aceste concluzii adesea este nevoie de o muncă de contabil. Unul care numără stelele și galaxiile din Univers.
