Subiectul golurilor din Univers l-am mai abordat în revista noastră, în articolul ”Marele gol”, din ediția din martie 2017. Între timp am aflat lucruri noi și complet neașteptate despre acest subiect. Pe scurt, studierea golurilor din Univers ar putea să ne ajute să găsim răspunsuri la probleme fundamentale din cosmologie.
Poate să pară ciudată afirmația de mai devreme, având în vedere faptul că aceste goluri cosmice, așa cum sugerează numele, sunt zone în care densitatea materiei este extrem de mică. Ele au, de obicei, diametre cuprinse între de 30 și 330 milioane de ani lumină. Au fost descoperite pentru prima dată în 1978 de către Stephen Gregory și Laird A. Thompson, care s-au folosit date obținute la Observatorul Național Kitt Peak, SUA.
Câteva exemple
Cel mai apropiat gol de Sistemul Solar este Golul Local. El are un diametru de 150 milioane de ani lumină și se află la marginea grupului nostru local de galaxii. Se crede că centrul Vidului Local se află la cel puțin 75 de milioane de ani lumină de Pământ.
Cel mai mare gol cosmic identificat până acum este Golul Bootes, care a fost descoperit în 1981, și care se află pe direcția constelației cu același nume. Are un diametru de 250 până la 330 milioane de ani lumină. În interiorul său au fost descoperite 60 de galaxii, care formează un soi de tub care străbate golul. Pentru a vă imagina uriașa dimensiune a Golului Bootes vă reamintesc că cea mai apropiată galaxie de noi este Andromeda și se află la circa 2,5 milioane de ani lumină distanță de noi, ceea ce reprezintă doar aproximativ 1% din diametrul Golului Bootes. Putem să ne imaginăm și altfel marele obiect. Vizualizați o sferă cu diametrul Golului Bootes în care vom găsi câte o galaxie la fiecare 10 milioane de ani lumină (remarcați că am ales o valoare de patru ori mai mare decât distanța dintre noi și galaxia Andromeda). Dacă facem calculele, constatăm că acolo ar trebui să se afle circa 2.000 de galaxii…
Un alt gol cosmic remarcabil este Supergolul Eridanus. Despre el v-am povestit în articolul din 2017. Este cea mai mare structură cosmică cunoscută și are o formă alungită, asemănătoare unui trabuc, cu lungimea de cel puțin 500 milioane de ani lumină. A fost descoperit după ce harta fondului cosmologic de radiații realizată de către telescopul spațial Plank a indicat o zonă rece pe direcția constelației Eridanus. Vă reamintesc că harta fondului cosmologic de radiații reprezintă imaginea Universului așa cum arăta el la 380.000 de ani de la Big Bang. Cercetări ulterioare au confirmat existența acestei, cu adevărat gigantice, structuri cosmice.
De ce există golurile cosmice?
Universul observabil nu seamănă cu o brânză cremă, cu materia distribuită uniform, ci mai degrabă cu un cașcaval șvaițer, o chestie plină de goluri. Pentru a fi ceva mai apropiat de realitate, trebuie spus că Universul, așa cum arăta el la 380.000 de ani după Big Bang, semăna foarte bine cu o brânză cremă, în timp ce, în prezent, seamănă vag cu un cașcaval şvaiţer. Galaxiile și grupurile de galaxii se grupează de-a lungul unor filamente lungi, care alcătuiesc o uriașă rețea cosmică. Aceste caracteristici reprezintă provocări serioase pentru realizarea de modele matematice capabile să descrie formarea structurilor la scară mare în Universul cunoscut.
Avem de-a face cu o întrebare fundamentală: care sunt mecanismele care au făcut ca universul să evolueze de la ceva similar cu brânza cremă la ceva asemănător (chiar dacă vag) cu un cașcaval Șvaițer? Avem mai multe ipoteze. Nu voi vorbi acum despre ele.
Problema este că majoritatea cercetătorilor și-au concentrat atenția asupra zonelor populate cu galaxii și doar puțini au fost preocupați de problema golurilor cosmice. Era ceva firesc câtă vreme erau cunoscute puține goluri cosmice, ceea ce făcea imposibilă o analiză statistică a lor. Eram într-o situație similară cu cea din anii 1990, când au fost descoperite primele exoplanete. Au fost identificate foarte puține la început, apoi, după ce a intrat în funcțiune telescopul spațial Kepler, în 2009, am asistat la o adevărată revoluție în descoperirea planetelor extrasolare. În prezent suntem într-un moment similar.
Noi instrumente pentru identificarea golurilor cosmice
De-a lungul timpului, așa cum era firesc, astrofizicienii au avut la dispoziție instrumente din ce în ce mai perfecționate pentru identificarea și măsurarea golurilor cosmice. În prezent asistăm la o revoluție în care este prezentă și Uniunea Europeană prin Consiliul European pentru Cercetare (European Research Council, ERC) care finanțează generos studii fundamentale. În ceea ce privește subiectul nostru, este vorba despre COSMOBEST, un program destinat cercetării golurilor cosmice.
Mai departe voi cita dintr-un articol semnat de Alice Pisani, cercetătoare la Universitatea Princeton, care explică, pentru noi profanii, despre ce este vorba.
”COSMOBEST este un proiect finanțat de European Research Council (ERC), care are în vedere studierea golurilor cosmice. Acestea sunt zone al Universului în care densitatea materiei este foarte scăzută, spațiul fiind aproape gol. Aceste regiuni sunt imense și se pot întinde de la zeci până la sute de ani lumină. Până de curând ele erau în zona umbrită a cercetărilor cosmologice deoarece aveam puține observații. Studierea acestor giganți cosmici cere o analiză statistică pe un număr mare de goluri cosmice, care nu posibilă până de curând, când am început să avem la dispoziție misiuni capabile să realizeze cartografierea cu precizie a Universului. În acest context asistăm asistăm la o dezvoltare exponențială a cercetărilor privitoare la golurile cosmice care se bazează pe sonda Euclid, DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) și LSST (Legacy Survey of Space and Time de la observatorul Vera Rubin) . Toate aceste instrumente vor fi coordonate prin programul COSMOBEST, pentru a fi studiate golurile cosmice. Avalanşa de date noi ne va permite să caracterizăm cu mare precizie golurile cosmice în domeniul optic și să impunem constrângeri mai stricte ale modelelor cosmologice și să elucidăm mistere cum ar fi natura energiei întunecate sau masa neutrinilor.”
Înainte de a vă spune câte ceva despre instrumentele de mai sus, vreau să vă reamintesc că astrofizicienii nu pot măsura direct distanțele mari din Univers. În schimb ei pot deduce valoarea lor prin măsurarea deplasării spre roșu a liniilor spectrale, care este rezultatul expansiunii Universului. Cu cât această deplasare spre roșu este mai mare, cu atât obiectul observat se află mai departe de noi.
Instrumentele amintite de Alice Pisani aparțin ultimei generații de dispozitive cu care este cartografiat Universul. Astfel telescopul spațial Euclid, al ESA, Euclid este conceput pentru a explora evoluția Universului întunecat. Va realiza o hartă 3D a Universului prin observarea a miliarde de galaxii, situate până la distanțe de 10 miliarde de ani lumină, acoperind mai mul mult de o treime din bolta cerească.
În timp ce energia întunecată accelerează expansiunea Universului, materia întunecată guvernează creșterea structurilor cosmice, dar oamenii de știință nu știu prea multe despre ce sunt de fapt energia întunecată și materia întunecată. Observând evoluția Universului în ultimele 10 miliarde de ani, sonda Euclid va dezvălui modul în care s-a extins și cum s-a format structura la scară mare a Universului de-a lungul istoriei cosmice și, mai apoi, astrofizicienii vor potea deduce proprietățile energiei întunecate, ale materiei întunecate și ale gravitației.
Sonda Euclid a fost lansată pe 1 iulie 2023, de la Cape Canaveral și în prezent se află în punctul Lagrange 2, loc în care gravitația Soarelui și Pământului se anulează reciproc. Instrumentul spectroscopic pentru energia întunecată (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) este amplasat la sol, la o altitudine de 2.100 m pe Kitt Peak, Arizona, SUA, va fi folosit în următorii ani pentru a măsura poziția a 35 de milioane de galaxii și a 2,4 milioane de quasari situați pe o suprafață echivalentă cu o treime din cea a bolții cerești.
Ca și în cazul sondei Euclid, datele colectate de DESI vor fi folosite pentru a crea o hartă 3D a unui volum uriaș de Univers care se întinde până la 11 miliarde de ani lumină. Această hartă îi va ajuta pe astrofizicieni să măsoare variația vitezei de expansiune a Universului la momente diferite de timp.
DESI va colecta aceste informații cu ajutorul telescopului Mayall, care are oglinda principală cu un diametru de patru metri. În planul focal se află 5.000 de fibre optice. Fiecare dintre ele vor transporta fiecare lumina unei galaxii sau a unui quasar către unul dintre cele zece spectrografe ale lui DESI. Cele 500 de spectre produse de fiecare spectrograf vor fi citite de trei camere, fiecare constând dintr-un sistem optică și un detector CCD răcit într-un criostat pentru a putea fi realizate observații și în domeniul infraroșului apropiat. În mai puțin de două minute, fibrele optice pot fi reorientate către noi ținte de observat.
LSST (Legacy Survey of Space and Time de la observatorul Vera Rubin), este în faza finală de construcție pe vârful El Peñón de pe muntele Cerro Pachón, la o altitudine de 2.682 în provincia Coquimbo, din nordul statului Chile. Observatorul este echipat cu telescopul Simonyi Survey, care are oglinda principală cu un diametru de 8,4 metri și care folosește un design special cu trei oglinzi, ceea ce duce la obținerea unui câmp vizual excepțional de larg și are capacitatea de a observa întreaga boltă cerească în doar trei nopți. Observatorul Vera Rubin va produce aproximativ 20 de terabytes de date în fiecare noapte, de-a lungul celor 10 ani programați pentru cartografierea bolţii cerești. Până la finalul programului va genera un volum enorm de date: circa 60 petaocteți! Majoritatea astronomilor care vor folosi acest instrument nu îl vor vedea direct. În schimb, ei vor putea accesa datele colectate folosind un portal online numit Rubin Science Platform. Nu vor avea nevoie de echipamente scumpe sau putere mare de calcul, ci doar de un browser de internet. Mai trebuie subliniat faptul că, având un câmp de vedere atât de mare, telescopul observatorului Vera Rubin nu va fi îndreptat asupra unui anume obiect ceresc, ci va colecta informații referitoare la o mare suprafață a cerului nocturn.
Mai trebuie să vă spun și cine a fost Vera Rubin, cea a cărui nume este purtat de către observatorul despre care tocmai vi l-am prezentat pe scurt. Vera Florence Cooper Rubin (23 iulie 1928 – 25 decembrie 2016) a fost o astronomă americană care a realizat lucrări de pionierat în analiza vitezei de rotație a galaxiilor. Ea a descoperit discrepanța dintre viteza unghiulară prezisă și cea observată. Astfel Vera Rubin a contribuit la deschiderea unui nou capitol al cosmologiei, care implică existența materiei întunecate.
Golurile cosmice și dezvoltarea cosmologiei
Pentru unii dintre cosmologi, cum ar fi Alice Pisani (care a fost printre autorii lucrării Cosmic voids: a novel probe to shed light on our Universe, pe care am găsit-o pe site-ul arXiv), aceste goluri cosmice ne-ar putea ajuta să rezolvăm unele dintre marile probleme ale cosmologiei. Am înțeles de acolo că regiunile din Univers în care au densități scăzute sunt mult mai ”liniștite” decât zonele în care avem densități mari. Deci ele, golurile cosmice, sunt mai ușor de modelat, în comparație ci filamentele care compun rețeaua cosmică.
Modelarea evoluției acestora din urmă impun folosirea unor chestii ce țin mai degrabă de ceea ce am putea numi mișcări haotice. Știm că la scară mare Universul se află în expansiune, totuși în interiorul filamentelor apar mișcări care infirmă tendința generală. De exemplu, vecina noastră, galaxia Andromeda nu se îndepărtează de noi ci, dimpotrivă, se va ciocni, mai bine zis, va fuziona cu Calea Lactee.
În schimb golurile cosmice sunt dominate de energia întunecată, care este ”vinovată” de expansiunea Universului, ceea ce le transformă în candidate ideale pentru studiul acestei misterioase energii…
Golurile cosmice îi pot ajuta pe astrofizicieni să lumineze (dacă putem spune așa) o altă mare enigmă, cea a materiei întunecate. În interiorul lor vom găsi mai puțină materie întunecată decât în filamentele rețelei cosmice, totuși ea există. Și spre deosebire de rețeaua cosmică în care, așa cum am scris mai devreme, unde avem de-a face cu un haos zgomotos, interiorul golurilor cosmice este suficient de calm, încât am putea detecta misterioasa materie întunecată. Desigur, nu direct deoarece particulele de materie întunecată nu absorb și nu emit lumină. Dar, foarte probabil, atunci când se ciocnesc două particule de materie întunecată, ele se dezintegrează rezultând o izbucnire de radiații gamma. Un telescop spațial capabil să ”vadă” în zona radiațiilor gamma ar putea detecta acest semnal, rezultat în urma dezintegrărilor particulelor de materie întunecată.
Tot golurile cosmice ar putea fi folosite și pentru lămurirea unor probleme legate de natura neutrinilor. Neutrinii sunt particule elementare care interacționează extrem de slab cu materia obișnuită. Imaginați-vă că ați trimite un fascicul de neutrini printr-o placă de plumb groasă de u an lumină. Aproape jumătate dintre ei vor reuși să o străbată. Nu voi intra în detalii, dar vă voi spune că avem trei tipuri de neutrini: neutrinul electronic, neutrinul miuonic și neutrinul taonic. Fizicienii nu știu, deocamdată, dacă aceste trei tipuri de neutrini au aceiași masă și care ar fi valoarea ei. Sper că nu vă plictisesc dacă voi repeta faptul că golurile cosmice sunt zone în care densitatea materiei obișnuite și cea a materiei întunecate este extrem de mică. Totuși în interiorul lor vom găsi la fel de mulți neutrini ca și în zonele în care densitatea materiei este mai mare.
Deși golurile cosmice conțin foarte mulți neutrini, ei se află doar în trecere pe acolo. Dacă însumăm gravitația lor vom constata că, deși fiecare dintre ei au o masă extrem de mică, golurile cosmice ar crește mai lent decât în absența neutrinilor. Comparând dimensiunile medii ale golurilor cosmice din diferite momente ale evoluției Universului se poate deduce masa neutrinilor.
Și tot ele, golurile cosmice, ar putea fi folosite pentru a vedea dacă Teoria Generală a Relativității funcționează la fel la scările mari din Univers.
În 2021, în revista Reviews of modern physics era publicat articolul Novel Probes Project: Tests of gravity on astrophysical scales. Aici pe mai bine de 100 de pagini sunt prezentate metode prin care poate fi testată Teoria generală a relativității la scara mare a Universului. Printre ele un loc important îl reprezintă studierea golurilor cosmice. De exemplu poate fi măsurat efectul foarte slab de lentilă gravitațională generat de golurile cosmice. Din păcate, spun autorii studiului, pentru a fi eliminate incertitudinile, este nevoie să fie măsurate un număr foarte mare de goluri cosmice. O altă metodă ar fi studierea evoluției lor în timp. Mai sunt prezentate și alte metode, asupra cărora nu voi insista acum, pentru ca ar trebui să intru în prea multe detalii tehnice și mă tem că v-aș plictisi.
Încheiere
Golurile cosmice, reprezintă în prezent adevărate laboratoare cosmice în care pot fi testate cele mai profunde teorii cosmologice. În următorii 10 ani astrofizicienii vor avea la dispoziție o bază de date în care să se găsească sute de mii de goluri cosmice, pe care le vor folosi pentru a înțelege mai bine mecanismele care guvernează Universul. Este ciudat pentru noi că studierea zonelor în care nu există mai nimic poate duce la dezlegarea unor mistere profunde.
