În ultimele decenii astrofizica a evoluat extrem de rapid. În aceste decenii am acumulat cunoștințe noi, cu mult mai multe decât acumulasem în secolele care au urmat inventării lunetei de către Galilei. Instrumentele de astăzi ne permit să observăm fenomene astronomice pe care nici nu le puteam imagina către sfârșitul secolului trecut.
Aparent, astăzi cunoaștem atât de multe despre Univers, încât pare că nu mai avem decât de lămurit niște detalii. Din fericire lucrurile nu stau deloc așa. Cu aflăm mai multe despre Univers, cu atât în fața noastră apar noi mistere, din ce în ce mai profunde. La începutul lunii aprilie 2016 a fost anunțat rezultatul unei noi măsurători a vitezei de expansiune a Universului care ar putea să ne pună în fața unei noi enigme.
Pentru a păstra suspansul, se cade să vă spun mai încolo despre rezultatul oferit de noua măsurătoare. Acum vă voi spune doar că este vorba despre măsurarea vitezei de expansiune a universului din zilele noastre. Pentru a începe povestea trebuie să ne întoarcem în trecut, către începutul secolului XX.
Descoperirea expansiunii Universului
În vremea în care Einstein își publica lucrarea ”Ecuațiile de câmp ale gravitației” (Die Feldgleichungen der Gravitation), în care se puneau bazele Teoriei generale a relativității, lucrurile păreau oarecum simple. Universul era compus numai din Calea Lactee. Astronomii puteau vedea și alte galaxii, instrumentele le permiteau asta, dar ele erau catalogate ca fiind niște banale nebuloase.
Lucurile aveau să se schimbe curând. În 1919, astronomul american Edwin Hubble ajungea la observatorul astronomic Mount Wilson, tocmai în momentul în care era pus în funcțiune telescopul Hooker, care, cu oglinda sa de 2,5 m, era cel mai puternic telescop al vremii. El știa deja că anumite stele variabile, numite cefeide, pot fi folosite drept repere pentru măsurarea distanțelor din Univers. Există o relație între stralucirea acestor stele și perioada de variație a luminozității. Folosind această relație se poate calcula luminozitatea lor absolută.
Cunoscând luminozitatea absolută și măsurând luminozitatea lor, așa cum le vedem de pe Terra, se poate calcula cu ușurință distanța dintre noi și stelele cefeide. Acest raționament l-a aplicat și Hubble. A căutat niște stele cefeide din nebuloasa din Andromeda și a determinat distanța până la ele. Rezultatul, o distanță de 900.000 ani lumină, a fost cu totul surprinzător. Ea era prea mare pentru ca nebuloasa din Andromeda să aparțină Căii Lactee. (De fapt măsurătoarea lui Hubble nu era tocmai una precisă. Distanța dintre noi și galaxia Andromeda este mult mai mare: 2,5 milioane ani lumină)
Interesant este faptul că Hubble nu și-a anunțat descoperirea apelând la vreo publicație științifică, ci în New York Times, care în 23 noiembrie 1924 anunța pe numai 30 de linii dintr-o coloană de ziar că ”Nebuloasele spirale sunt sisteme stelare. Doctorul Hubbel confirmă că ele sunt insule din Univers similare cu a noastră.” Nu am greșit scriind ”Hubbel”, în articolul din ziarul american se strecurase această mică eroare.
Evident, această primă descoperire a lui Hubble a schimbat astronomia din temelii și l-ar fi inclus oricum în cărțile de istorie a științei. Dar Hubble nu s-a oprit aici. El și-a continuat observațiile și măsurătorile. De această dată nu era preocupat numai de distanțe, ci și de deplasarea spre roșu a liniilor spectrelor stelelor din galaxiile îndepărtate. Astfel a putut constata că deplasarea spre roșu este proporțională cu distanța. Astăzi știm că această deplasare spre roșu este produsă de efectul Doppler, dar inițial Hubble avea mari îndoieli că această deplasare spre roșu este rezultatul îndepărtării galaxiilor.
Într-o scrisoare, din 1931, către fizicianul de Sitter, Hubble scria că ”Folosesc termenul de viteză «aparentă» pentru a sublinia aspectele emirice ale corelației [dintre distanță și deplasarea spre roșu]. Cred că interpretarea trebuie să îți aparțină ție, și altor câtorva, care sunteți competenți să discutați acest subiect.” Ezitarea lui Hubble era consecința faptului că la acea vreme se mai propunea o explicație pentru deplasarea spre roșu, susținută mai ales de fizicianul și astronomul Fritz Zwicky (cel care în 1933 avea să introducă ipoteza materiei întunecate). Conform acesteia, deplasarea spre roșu a liniilor spectrale ar fi o consecință a ”îmbătrânirii” fotonilor care au de parcurs distanțe foarte mari. Pe de altă parte, astrofizicianul Georges Lemaître, încă din 1927, ajunsese la concluzia că avem de-a face cu o expansiune reală a Universului, și nu cu una aparentă.
În cele din urmă lucrurile s-au clarificat. Ecuațiile teoriei generale a relativității arătau, așa cum descoperise fizicianul rus Alexander Friedman, că, în funcție de densitatea medie a Universului, acesta se poate afla în expansiune. Despre Friedman și confruntarea lui cu Einstein (care o vreme a fost convins că Universul este staționar) am scris mai detaliat cu o altă ocazie, așa că nu mai insist acum asupra acestui subiect.
Pe baza datelor obținute de Hubble s-a calculat și viteza de expansiune a universului care era de 500 km/s/Mpc (Mpc este prescurtarea de la megaparsec, un parsec este egal cu circa 3,6 ani lumină). Valoarea este vreo șase ori mai mare față de valoarea determinată în zilele noastre, când avem instrumente și metode de măsurare mult mai precise decât cele care îi erau accesibile lui Hubble în primele decenii ale secolului XX.
Consecința descoperiri expansiunii Universului a fost una fundamentală pentru cosmologie. Ea implica logic existența unui început al Universului. Prima ipoteză în acest sens a fost enunțată în 1931 de către astrofizicianul Georges Lemaître, care considera că Universul s-a născut dintr-un atom primordial care s-a dezintegrat.
Vom face acum un salt peste timp, lung de câteva decenii. În 1998, lucrurile păreau foarte clare. Modelele cosmologice păreau bine fundamentate și se suprapuneau satisfăcător cu măsurătorile. Existau numai niște ”mici” probleme, legate de evoluția viitoare a Universului, dar majoritatea cosmologilor era de acord că expansiunea universului va încetini, va ajunge la zero, pentru ca mai apoi să înceapă un proces de contracție, în urma căreia Universul va reveni în starea inițială după care va urma un nou Big Bang. Numai că în acel an, 1998, un nou set de măsurători ale expansiunii Universului avea să tulbure lumea cosmologiei. Ele arătau că expansiunea Universului, în loc să încetinească, este accelerată!
Două echipe de cercetători, ”Supernova Cosmology Project”, condusă de către Saul Perlmutter, de la Lawrence Berkeley National Laboratory și ”High-Z Supernova Search”, condusă de către Brian Schmidt, de la Australian National University și de către Adam Riess, de la Space Telescope Science Institute au folosit, în locul cefeidelor, drept surse etalon de lumină supernovele tip Ia. Acestea 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, care pot fi folosite pentru evaluarea distanțelor până la galaxiile foarte îndepărtate de noi. Ambele echipe au ajuns la același rezultat: Universul se află într-un proces de expansiune accelerată. Care să fie explicația acestei expansiuni? Cea mai populară ipoteză este legată de așanumita ”energie întunecată”, despre care voi vorbi ceva mai încolo.
Se poate remarca foarte ușor: descoperirea expansiunii Universului și măsurarea vitezei ei a adus cu sine adevărate revoluții în cosmologie, pe măsură ce rezultatele deveneau tot mai precise. Din acest motiv astrofizicienii sunt extrem de interesați să realizeze noi și noi măsurători. Ele ne pot ajuta să ne înțelegem mai bine Universul.
Acum vom sări din nou câteva decenii, pentru a ajunge la motivul care m-a făcut să scriu acest articol.
Un rezultat neașteptat
În practică există două metode pentru măsurarea vitezei actuale de expansiune a Universului. Prima dintre ele este una directă și folosește surse standard de lumină (cum sunt cefeidele și supernovele de tip Ia). Cea de-a doua este indirectă și se bazează pe folosirea datelor colectate asupra fondului cosmologic de radiații, sau, mai pe înțelesul tuturor, pe studierea fotonilor care vin la noi din primele momente în care Universul a devenit transparent, la 380.000 de ani după Big Bang.
Cele mai precise valori au fost obținute cu ajutorul telescopului spațial Planck. Folosind aceste date putem determina viteza de expansiune a Universului în orice moment din istoria sa. Până în aprilie 2016, pentru prezentul Universului, valorile obținute prin cele două metode păreau să fie identice. Exista o oarecare discrepanță între rezultate, dar ea putea fi pusă pe seama marjei de eroare, așa că nu avea cum să deranjeze prea tare.
Dar știți dumneavoastră, eu o repet mereu: oamenii de știință nu prea vor să lase ca incertudinea, oricât de mică ar fi ea, să plutească asupra teoriilor lor, chiar dacă sunt acceptate de o majoritate confortabilă. Banuiesc că acesta a fost motivul care l-a îndemnat pe Adam Riess, împreună cu echipa sa de la Space Telescope Science Institute să dorească să realizeze măsurători mai precise asupra vitezei actuale de expansiune a Universului. Practic și-a propus să scadă marja de eroare de la 3,3% până la 2,4%.
După ce a prelucrat datele colectate de către telescopul spațial Hubble, referitoare la stele cefeide din 18 galaxii, rezultatul obținut a fost 73,02 ± 1,79 km/s/Mpc. Valoarea calculată pe baza observațiilor realizate de către telescopul spațial Planck este 67,27 ± 0,66 km/s/Mpc. Vă reamintesc că această din urmă valoare se bazează pe analiza datelor privitoare la Universul timpuriu, în vremea în care el avea vârsta de numai 380.000 de ani. Puteți remarca foarte ușor că oricum am alege valorile în interiorul marjei de eroare, nu mai există suprapuneri între cele două rezultate. Ceva nu este în regulă. Ne aflăm în fața unui mister.
Explicații posibile
Presupunând că noile rezultate sunt corecte, atunci modelul cosmologic actual va trebui să sufere modificări serioase. Din nefericire, în lucrarea ”A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant”, postată Reiss și echipa sa, pe 6 aprilie în baza de date online arXiv, nu ni se propune nici o ipoteză care ar putea să explice discrepanța dintre cele două rezultate. Se afirmă doar că ”o explicație plauzibilă ar putea implica o sursă suplimentară de radiație întunecată în Universul timpuriu.”
Acum o să mă întrebați ce este această ”radiație întunecată”. Vă mărturisesc că acum este prima oară când aud de acest concept. Așa cum îmi place mie, am început să mă documentez asupra acestui subiect. Nu am găsit mare lucru, în afară de o sumedenie de articole extrem de tehnice și, implicit, foarte greu de digerat. Deocamdată pot să vă spun doar ce se scrie în ciotul (stub) de pe wikipedia:
”la fel cum fotonii mediază interacțiuni în Modelul Standard [al mecanicii cuantice], se presupune că radiația întunecată mediază interacțiuni dintre particulele de materie întunecată. Similar cu particulele de materie întunecată, radiația întunecată nu interacționează cu particulele din Modelul Standard. […] Un candidat posibil pentru radiația întunecată ar putea fi neutrinul steril.”
Am mai găsit o definiție și într-un articol semnat de Marco Drewes, cercetător la Universitatea Tehnică din Munchen: ”Termenul «radiație întunecată» se referă la particule din Universul timpuriu care nu interacționează, sau interacționează foarte slab, cu particulele din Modelul Standard la temperaturi mai mici de 2 Mev [circa 23 miliarde grade Celsius].”
Complicat, nu-i așa? Să ne oprim un pic asupra acestui neutrin steril, la care face referire și Marco Drewes în articolul său drept candidat pentru radiația întunecată. De fapt, în mai toate articolele de specialitate pe care le-am consultat pentru a mă documenta, neutrinul steril era considerat drept candidat principal pentru enigmatica energie întunecată. În numărul din noiembrie 2015 al revistei noastre, atunci când vă prezentam laureații Premiului Nobel pentru fizică, am vorbit pe larg despre neutrini.
Vă spuneam atunci că neutrinii sunt niște particule elementare neutre din punct de vedere electric și care interacționează foarte slab cu materia. În Modelul Standard avem trei tipuri (trei arome) de neutrini: neutrinul electronic, neutrinul tauonic și neutrinul miuonic, care ar trebui să aibă masa zero. Numai că descoperirile care au fost răsplătite cu Premiul Nobel anul trecut au demonstrat că fenomenul de oscilație a neutrinilor (prin care neutrinii se transformă dintr-un tip într-altul) implică o masă, foarte mică, pentru neutrini.
Cum se produce acest proces de oscilație a neutrinilor? Una dintre ipoteze impune introducerea unui nou tip de neutrin, neutrinul steril, care nu interacționează decât gravitațional cu materia, ceea ce îl face extrem de dificil de detectat. Nu vreau să complic foarte mult lucrurile, dar vă pot spune că neutrinul steril nu face parte din Modelul Standard și că de vreo două decenii încoace s-au găsit doar indicii, dar niciunul nu a putut dovedi existența lui. Totuși căutarea continuă, deoarece neutrinul steril pare a fi cea mai bună explicație pentru masa neutrinilor. Și mai este ceva de spus. Observaţiile realizate cu telescopul spațial Planck permit un ”recensământ” atât al neutrinilor din Modelul Standard, cât și ai neutrinilor sterili, deoarece aceștia afectează fondul cosmologic de radiații. Ultimele rezultate, publicate în 2015, nu susțin existența neutrinilor sterili…
Poate că trebuie identificate și alte mecanisme pentru radiația întunecată. Poate că există și alte mecanisme, cum ar fi niște proprietăți fizice ale materiei întunecate, care să explice necondordanța dintre măsurătorile realizate de Reiss și echipa lui.
Sau… este posibil ca cefeidele să nu fie chiar niște surse etalon de lumină. Nu știm încă răspunsul.
Concluzie
Ați remarcat, în partea istorică a acestui text, că măsurarea expansiunii Universului a dus la rezultate care au obligat la schimbarea modelelor cosmologice acceptate la un anumit moment. Este foarte posibil ca și acum să ne aflăm în fața unui eveniment similar. Din acest motiv îndrăznesc să că este foarte posibil să ne aflăm în preajma acelui moment magic, în care datele ne obligă să declanșăm o nouă schimbare în modelul cosmologic acceptat în prezent. Din acest motiv îmi place atât de mult știința.
Drumul ei către adevăr este ca o carte care se rescrie în permanență, o carte mereu nouă, o carte mereu fascinantă.
