Frumusețea științei constă și în faptul că, pe măsură ce descifrăm mecanismele de bază al „funcționării” Universului, ne confruntăm cu mistere noi, care, la rândul lor, își așteaptă explicațiile cuvenite. Nu avem încotro. Ori de câte ori găsim un mister, suntem nevoiți să îl lămurim. Cred că aceasta este principala resursă care se află în spatele succesului, aproape incredibil, al științei.
În cazul Universului, ne confruntăm cu un mare mister. Numai circa 5% din el este alcătuit din materie obișnuită. Restul este reprezentat de energia și materia întunecată, care sunt două enigme fundamentale ce încă își așteaptă elucidarea.
Energia întunecată
Înainte de anul 1998 lucrurile păreau să fie clare. Universul nostru se află în expansiune, așa cum o demonstrase strălucit Edwin Hubble, încă din anii 1920. Privind către viitorul Universului, comunitatea științifică era în bună măsură de acord cu ipoteza conform căreia, sub acțiunea gravitației, această expansiune va încetini în timp, după care va începe un proces de contracție a Universului. Dar, așa cum se întâmplă adesea în știință, această ipoteză larg acceptată avea să primească o lovitură decisivă.
Pe la începutul anilor 1990, două echipe de cercetători au încercat să determine această încetinire a vitezei de expansiune a Universului. Prima echipă, numită Supernova Cosmology Project, era condusă de către Saul Perlmutter, de la Lawrence Berkeley National Laboratory, iar cea de-a doua, High-Z Supernova Search, era condusă de către Brian Schmidt, de la Australian National University și de către Adam Riess, de la Space Telescope Science Institute. Ambele echipe și-au îndreptat atenția către un anumit tip de supernove: cele de tip Ia.
Supernovele de acest tip sunt adevărate jaloane în Univers, cu ajutorul cărora pot fi deteminate distanțele până la galaxiile foarte îndepărtate. Ele se produc în sistemele stelare binare în care una dintre componente este o pitică albă, care atrage o parte din materia astrului companion. La un moment precis, atunci când masa piticei albe atinge 1,38 mase solare, aceasta „explodează” transformându-se într-o supernovă.
Aspectul cel mai interesant, legat de subiectul nostru, constă în faptul că luminozitatea lor este foarte bine determinată și aceste supernove pot fi luate ca surse etalon de lumină. Din momentul în care cunoaștem luminozitatea absolută a unui obiect este ușor să determinăm distanța până la el.
Acum cred că este ușor de înțeles de ce ambele echipe s-au bazat pe măsurători asupra supernovele de tip Ia. Cu ajutorul lor se pot măsura cu precizie distanțe în Univers. Dacă vom cupla aceste date cu viteza de îndepărtare de noi, măsurată pe baza deplasării spre roșu, putem evalua evoluția în timp a vitezei de expansiune a Universului.
În ianuarie 1998 echipa Supernova Cosmology Project a anunțat, în cadrul unei conferințe de presă organizate la Washington, că, în urma măsurătorilor asupra a 40 de supernove de tip Ia s-a ajuns la concluzia că asistăm la o expansiune a Universului accelerată. Un rezultat de-a dreptul surprinzător pentru acea vreme și, din acest motiv a fost primit cu o oarecare neîncredere.
În februarie 1998, cea de-a doua echipă, High-Z Supernova Search, a anunțat că a obținut rezultate similare cu cele date publicității în ianuarie de către Supernova Cosmology Project: asistăm la o expansiune accelerată a Universului. Din acest moment lucrurile au devenit clare și foarte greu de contestat.
Ceva, o forță teribil de misterioasă, face ca expansiunea Universului, în loc să încetinească (așa cum era de așteptat), este accelerată! Un adevărat cutremur în lumea cosmologilor, dar, așa cum se întâmplă mereu în știință, faptele au întâietate în fața unor idei puternic înrădăcinate în mintea oamenilor de știință.
Ipoteze contradictorii
Ar putea exista mai multe explicații pentru această comportare stranie a Universului. Prima ne este oferită de însuși Einstein. Deși am mai vorbit și cu alte ocazii despre ceea ce el considera că a fost „cea mai mare greșeală” a sa, cred că este bine să ne reamintim despre ce este vorba.
În 1915 Einstein publica o ecuație fundamentală pentru descrierea Universului și a evoluției sale. Numită tehnic, „ecuația de câmp”, aceasta descria gravitația ca fiind rezultatul curbării spațiu-timpului în prezența materiei și energiei. Atunci când Einstein a aplicat această ecuație la scara întregului Univers a obținut un rezultat cu care nu putea fi de acord. Universul acesteia era unul dinamic, în timp ce Einstein pleca de la ideea unui Univers staționar.
Pentru a face ca ecuația sa să descrie Universul pe care și-l imagina, Einstein a introdus, artificial, un termen suplimentar, care poartă numele de constantă cosmologică, notată cu lambda. Mai apoi, după ce ipoteza de la care plecase a fost infirmată prin observațiile lui Edwin Hubble, care demonstrau expansiunea Universului, Einstein avea să spună că această constantă lambda este „cea mai mare greșeală” a vieții lui.
Ei bine, concluziile observațiilor asupra supernovelor de tip Ia, care ne arată imaginea unui Univers aflat în expansiune accelerată, vin să arate că regretul lui Einstein era unul neîntemeiat. Constanta cosmologică, lambda, își merită locul în ecuația care descrie evoluția Universului. Putem interpreta această constantă ca fiind o proprietate a însuși spațiu-timpului. Este ceea ce se numește „energia vidului”, care se manifestă, la scara foarte mare a Universului, ca o forță antigravitațională.
Deoarece avem de-a face cu o proprietate intrinsecă a spațiu-timpului, densitatea de energie a vidului este constantă în timp și spațiu. Trebuie să mai remarcăm că datorită expansiunii Universului, datorită „diluării” materiei și energiei din Univers, forța gravitațională tinde să scadă. Din acest motiv, o dată cu trecerea timpului, contribuția energiei vidului (altfel spus: a constantei cosmologice lambda) la expansiunea Universului devine din ce în ce mai importantă. De aici rezultă fenomenul la care asistăm acum: o expansiune accelerată a Universului.
Toate bune și frumoase, numai că… din păcate nu s-a găsit, cel puțin deocamdată, o explicație pentru constanta cosmologică și nimeni nu a putut explica de ce aceasta are valoarea pe care o putem determina pe baza observațiilor. Această energie a vidului este tocmai „energia întunecată”, și reprezintă circa 68,3% din Univers.
Deși explicarea accelerării expansiunii Universului cu ajutorul constantei cosmologice este larg acceptată de către cosmologi, ea nu este singura posibilă. Există și alte ipoteze, vehiculate prin publicațiile științifice, dintre care voi aminti doar două.
Prima dintre ele poartă un nume aproape ezoteric: chintesență (quintessence). După filozofii Greciei antice, chintesența ar fi cel de-al cincelea și cel mai subtil element din care este alcătuită lumea, alături de pământ, aer, apă și foc. Din chintesență ar fi alcătuite corpurile cerești. În ipoteza prin care chitesența explică expansiunea accelerată a Universului aceasta ar fi reprezentată de un câmp cuantic ipotetic, care are o evoluție dinamică în timp.
Seamănă oarecum cu energia vidului despre care vă vorbeam mai sus, având ca efect, la scară mare, apariția unei forțe antigravitaționale, dar, spre deosebire de aceasta, câmpul produs de chintesență nu este constant, ci variază pe măsură ce ne îndepărtăm de Big Bang. O cale pentru a decide dacă ipoteza chintesenței este corectă ar fi determinarea vitezei de expansiune a Universului la diferite momente de timp după Big Bang, deoarece cele două ipoteze prezentate până acum oferă rezultate diferite.
O altă ipoteză pentru expansiunea accelerată a Universului este una radicală. Ea pleacă de la ideea conform căreia teoria gravitației propusă de Einstein nu ar fi chiar una corectă. Eventual, ar trebui avut în vedere un spațiu-timp cu dimensiuni suplimentare. Această ipoteză nu ar afecta numai expansiunea Universului, ci și structura sa. Din acest motiv ipoteza poate fi testată.
Ar trebui să fie descoperite structuri, la scară mare, în Univers, a căror dinamică să nu poată fi explicată pe baza teoriei gravitației 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 distribuției și mișcărilor galaxiilor din Universul timpuriu.
Este ușor de remarcat, tocmai din cele câteva ipoteze pe care le-am prezentat, că ne aflăm în fața unui mister fundamental. Știm că expansiunea accelerată a Universului este una accelerată, dar nu știm de ce este așa, și nu altfel. Știm că Universul este alcătuit în proporție de 68,3% din energie întunecată, dar nu știm ce este această energie întunecată
Dar acesta nu este singurul mister fundamental al Universului. Mai există unul, la fel de profund.
Materia întunecată
În anul 1933, astronomul elvețian Fritz Zwicky, care în acea vreme lucra la Caltech, SUA, făcea o descoperire importantă. El studia dinamica roiului de galaxii Coma. A estimat mai întâi masa galaxiilor din roi, pe baza luminozității lor. Apoi a mai efectuat o evaluare a masei totale a roiului, de data aceasta pe baza mișcărilor galaxiilor aflate în vecinătatea sa.
Atunci când a comparat cele două rezultate, a avut o mare surpriză. Masa determinată pe baza luminozității galaxiilor din roi era de circa 400 de ori mai mică decât cea determinată pe baza mișcărilor galaxiilor din vecinătatea roiului. Discrepanța dintre cele două rezultate era mult prea mare pentru a putea fi atribuită unor simple erori de măsurare.
Zwicky a presupus că există o formă invizibilă de materie, „dunkle Materie” – materie întunecată. Astăzi, pe baza observațiilor realizate de către telescopul spațial Planck, se estimează că materia întunecată reprezintă circa 26,8% din Univers, în timp ce materia obișnuită reprezintă numai 4,9%.
Din ce este alcătuită această materie întunecată? Nu știm, deocamdată. Despre ea putem spune că nu interacționează decât gravitațional cu materia obișnuită. Și ar mai trebui să spun ceva: materia întunecată nu este… întunecată, ci, mai degrabă, perfect transparentă. Ea nu absoarbe fotonii. Ca și în cazul energiei întunecate, există mai multe ipoteze prin care se încearcă explicarea ei.
Câteva ipoteze de lucru
Dintre toate, cea mai populară în rândul fizicienilor se referă la WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, particule masive cu interacțiune slabă). Acestea sunt particule care posedă masă, dar care, cu excepția interacțiunii gravitaționale, nu interacționează, decât foarte puțin cu materia obișnuită.
Ipoteza este atrăgătoare, deoarece este legată de o altă ipoteză importantă din fizică, cea a supersimetriei. Pe scurt, supersimetria vorbește despre parteneri ipotetici, ai particulelor elementare cunoscute. Astftel, fiecare fermion are ca partener un nou bozon și fiecare bozon are ca partener un nou fermion. Partenerii bozoni ai fermionilor sunt numiți punând un „s” în fața numelui fermionului (avem astfel selectron, scuark etc.). Pentru partenerii fermioni ai bozonilor, se adaugă sufixul „ino” (fotino, gluino etc).
Se crede că unul dintre acești parteneri supersimetrici ar putea fi un foarte bun candidat pentru WIMPs. Pentru a se verifica această ipoteză, încă din anii ’80 au fost realizate detectoare cu ajutorul cărora să fie surprinse extrem de rarele momente în care o particulă WIMP interacționează cu materia obișnuită. Până în prezent nu a fost obținut nici un rezultat. Mai mult decât atât, spre sfârșitul anului 2013, echipa de cercetători de la Large Underground Xenon, LUX, cel mai sensibil detector de particule WIMPs, a anunțat că nu a detectat nici un semn al materiei întunecate.
În anunțul dat publicității s-a arătat că astfel au putut fi eliminate mai mult de jumătate dintre modelele referitoare la WIMPs, dar că se impune continuarea căutării, pentru a fi verificate modelele rămase. Se speră că în următorii cinci, până la zece ani, vom avea un răspuns clar, pozitiv sau negativ, referitor la WIMPs. Dar dacă WIMPs nu ar reprezenta explicația pentru materia întunecată, unde am mai putea căuta?
Un alt candidat este reprezentat de axioni, care au o masă mult mai mică decât WIMPs și care interacționează mult mai puțin 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 că și pentru căutarea axionilor se întreprind cercetătri asidue.
Cel mai important experiment pentru detectarea lor este Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), care a fost inițiat încă din 1995. Până acum nu a fost obținut nici un indiciu, dar se speră că până la finalul acestui deceniu vom avea un răspuns privitor la existența, sau inexistența lor.
Există și alți candidați pentru materia întunecată, unii foarte exotici. De exemplu, se poate presupune că materia întunecată este reprezentată de găurile negre primordiale. Acestea nu s-au format prin colapsul gravitațional al stelelor masive, ci în condițiile extreme de la începutul Universului. Au fost întreprinse mai multe căutări, pentru detectarea acestor găuri negre primordiale, dar nici una nu a dat un rezultat pozitiv.
Cea mai recentă a fost realizată de către o echipă de cercetători de la Universitatea California, condusă de către astrofizicianul Kim Griest, s-a folosit de datele transmise de către telescopul spațial Kepler. Acest telescop a fost proiectat pentru a detecta planete extrasolare prin măsurarea variației de luminozitate a unei stele, atunci când o planetă trece prin fața sa.
Telescopul spațial Kepler monitorizează simultan circa 150.000 de stele. Atunci când o ipotetică gaură neagră primordială trece prin fața unei stele, se produce efectul de lentilă gravitațională, care, în acest caz, s-ar manifesta printr-o creștere bruscă a luminozității stelei. Concluzia acestei căutări? Nu a fost identificată nicio gaură neagră primordială. Deocamdată putem elimina ipoteza găurilor negre primordiale, drept candidat pentru materia întuncată, cel puțin pentru cele care au o masă mai mare de 5% din masa Lunii. Dar ipoteza lor rămâne încă valabilă în așteptarea unor instrumente mai sensibile.
Un alt candidat exotic pentru materia întunecată este reprezentat de o formă extremă a materiei, care ar forma ipotetice stele alcătuite din cuarci. Acestea nu emit lumină, în schimb exercită forță de atracție gravitațională. Nici pentru ele nu avem decât ipoteze teoretice, neînsoțite de confirmări.
Mai există o posibilitate pentru materia întunecată. Una de-a dreptul neliniștitoare. Ar fi posibil ca aceasta să fie alcătuită dintr-o formă de materie imposibil de detectat cu metodele imaginabile astăzi, o materie care nu interacționează decât strict gravitațional cu materia obișnuită. În acest caz, orice tentativă de căutare a ei ar fi sortită eșecului.
CONCLUZIE
Am trecut rapid în revistă doar două dintre marile mistere care își așteaptă dezlegarea de către știință. Deși nu știm ce reprezintă materia și energia întunecate, știm că ele există. Avem dovezi clare pentru ele. Așa cum spuneam la începutul acestui text, tocmai dezlegarea misterelor profunde ale lumii reprezintă cel mai important motor pentru știință. Am convingerea că vom avea răspunsuri în anii și deceniile viitoare. Iar, atunci când le vom căpăta, sunt sigur, vom asista la o adevărată revoluție în știință.
