În anul 2014 o știre senzațională din domeniul cosmologiei făcea prima pagină a multor publicații din lumea întreagă. Nu trecuse nici măcar un an de la acea știre și, spre dezamăgirea tuturor, s-a anunțat că totul a fost o greșeală, una mare de tot. În cele ce urmează vreau să vă reamintesc cele întâmplate, cum s-a trecut de la entuziasm la negare. Rândurile de mai jos au fost scrise în acele vremuri, aproape în timp real.

Probabil, asistăm la o adevărată revoluție în cosmologie. Este pentru prima oară când obținem indicii directe asupra unor fenomene care s-au produs imediat după Big Bang, iar aceste indicii ar putea deschide calea către Multivers. Este o poveste care se scrie acum, sub ochii noștri, și numai timpul ne va putea spune dacă entuziasmul nostru de acum este, sau nu este, justificat.

Agitația a început în momentul în care Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) a făcut un anunț scurt și misterios: ”CfA organizează o conferință de presă la ora 12:00 EDT (16:00 UTC), luni 17 martie, în cadrul căreia va fi anunțată o descoperire majoră”.

În comunicat nu se spunea nimic mai mult, ceea ce lăsa loc speculațiilor. Publicația britanică ”The Guardian” și-a folosit sursele și a dezvăluit că anunțul CfA este legat rezultate obținute cu ajutorul instrumentului instrumentului BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) instalat la Polul Sud. Cu ajutorul acestui instrument se pot obține indicii directe asupra undelor gravitaționale primordiale, cele care s-au produs în primele momente ale Big Bang-ului.

Nu pot să nu vă spun că atât anunțul, cât și zvonurile care i-au urmat, mi-au lăsat un gust oarecum amar. De mai multă vreme am senzația că știința intră în zona senzaționalismului ieftin. Se fac adesea anunțuri bombastice pentru a atrage, cu orice preț, atenția publicului.  Până și NASA a practicat această metodă. Știința nu are nevoie de așa ceva. Pentru ca rezultatele științei să ajungă în atența publicului este nevoie de o foarte bună popularizare, și nu de un senzaționalism de doi bani. Nu vreau să insist acum asupra acestui aspect. Probabil că îi voi dedica, altă dată, un articol separat.

Până una alta, misterul cu care era învăluit anunțul CfA și-a făcut efectul. Au urmat câteva zile de așteptare încordată până când, în ziua și la ora anunțată, a fost anunțată ”descoperirea majoră”. Deși zvonurile prezentate de The Guardian s-au adeverit întrutotul, anunțarea detectării undelor gravitaționale primordiale a reprezentat o surpriză de proporții. O să vedeți de ce. Mai am ceva de remarcat. Mie mi s-a părut că NASA a furat startul. Cu câteva minute înainte de anunțul CfA știam că nu mai este vorba despre un zvon. Jet Propulsion Laboratory (JPL), deja își lăuda instrumentul, BICEP2, care contribuise la marea descoperire.

Vă cer iertare. Vă mai țin un pic în suspans (sper că nu veți sări pagini pe motiv că deja cunoașteți șirul evenimentelor petrecute cu scurt timp în urmă). Înainte de a trece mai departe, să vedem ce sunt…

Undele gravitaționale

Conform teoriei generale a relativității, gravitația este rezultatul curbării spațiu-timpului în prezența unei mase. Acum să ne imaginăm un sistem alcătuit din două obiecte masive relativ apropiate (de exemplu, două stele neutronice), care se rotesc în jurul centrului comun de masă. Deformarea spațiu-timpului însoțește deplasarea fiecăreia dintre ele. În acest caz particular se mai întâmplă ceva. Perturbarea spațiu-timpului se propagă sub forma unor ”unde gravitaționale”. Este un fenomen asemănător cu valurile produse pe suprafața apei de către o navă care se deplasează cu viteză mare. Dacă, în cazul unei navei, amplitudinea valurilor este suficient de mare pentru ca ele să fie vizibile cu ochiul liber, în cazul undelor gravitaționale amplitudinea oscilațiilor spațiu-timpului este extraordinar de mică, este chiar mai mică decât diametrul unui proton. Din acest motiv ele sunt greu de detectat în mod direct, prin măsurarea deformațiilor spațiu-timpului.

Până în prezent (aceste rânduri erau scrise în marte 2014), existența undelor gravitaționale a putut fi confirmată numai indirect. În cazul de mai sus, în care vă rugam să vă imaginați două stele neutronice care se rotesc una în jurul centrului comun de masă, producerea de unde gravitaționale duce la scăderea energiei totale a sistemului. Asta face ca perioadele orbitale să scadă de-a lungul timpului cu o rată care poate fi calculată pe baza teoriei relativității. De la această idee au plecat Joseph Taylor și Russell Hulse, care în 1974 au identificat în galaxia noastră o asemenea pereche de stele neutronice, numită PSR 1913+16. Mai bine de un deceniu au urmărit, cu ajutorul undelor radio emise de cele două stele neutronice, variația perioadei obitale a celor două obiecte cerești. Observațiile au confirmat predicția teoretică. Acest rezultat a fost unul extrem de important pentru fizică și, din acest motiv, în 1993, cei doi cercetători au fost răsplătiți cu Premiul Nobel.

Vreau să subliniez, prin repetiție, un aspect important: în acest caz vorbim despre o confirmare indirectă a undelor gravitaționale. Pentru o confirmare, sau detectare, directă a lor ar trebui să putem măsura oscilațiile spațiu-timpului produse de undele gravitaționale. Așa cum vă spuneam mai devreme, amplitudinea acestor oscilații este extrem de mică și, pentru a le putea măsura, trebuie să împingem până la extrem tehnologia de care dispunem acum. În prezent se caută aceste unde gravitaționale cu ajutorul tehnicilor de interferometrie laser. Nu intru acum în detalii. Există mai multe observatoare de unde gravitaționale, dintre care cele mai importante sunt LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) în SUA, GEO 600 în Germania, Virgo în Italia și TAMA 300 în Japonia. Din păcate, nici unul dintre aceste observatoare de unde gravitaționale nu a oferit vreun rezultat concludent, până în 2014. Este extrem de dificil, poate este chiar imposibil, pentru observatoarele terestre să detecteze undele gravitaționale. Nu uitați, deformările spațiu-timpului pe care ar trebui să le poată măsura aceste interferometre laser sunt mai mici decât dimensiunea unui proton! Până și agitația termică din interiorul componetelor acestor interferometre produce oscilații mai ample decât cele care trebuie să detectate. Este ca și cum am încerca să identificăm o șoaptă slabă din fondul sonor produs de câteva zeci de picamere.

Din acest motiv, de mai multă vreme, se încearcă plasarea în spațiu a unui asemenea interferometru laser. Este vorba despre multamânatul (dacă vă place mai mult, multamânata) eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna), telescopul pentru undele gravitaționale. (Am avut fericita ocazie ca, în urmă cu ceva ani, să văd o machetă, în mărime naturală, a uneia dintre componentele acestui telescop pentru undele gravitaționale, care urma să fie supusă testelor de vibrații la ESTEC, Olanda.) Prezentat simplu, acesta va fi un interferometru de tip Michelson-Morley (oarecum asemănător cu cel folosit în faimosul experiment care infirmat existența unui sistemului de referință absolut din fizica newtoniană). Undeva, la 50 de milioane de kilometri de Terra, într-un loc foarte liniștit, din punct de vedere gravitațional, profitând de faptul că brațele interferometrului vor fi lungi de câteva milioane de kilometri, LISA ar trebui să fie un punct de plecare pentru un nou capitol al astronomiei: astronomia bazată pe observarea undelor gravitaționale. Din păcate eLISA nu va pleca în spațiu mai devreme de 2034…

LISA-waves
Proiectul eLISA

Ajunși la acest punct aș vrea să rețineți o idee scurtă (luați-o și ca pe o metaforă): cel mai bun instrument pentru detectarea undelor gravitaționale este cel mai uriaș instrument cu putință: Universul.

Gândiți-vă o clipă la această afirmație și, apoi, aduceți-vă aminte că am spus că anunțul din 17 martie al CfA se referea la un un anumit tip de unde gravitaționale. Era vorba despre…

Undele gravitaționale primordiale

Trebuie să recunosc. Atunci când v-am vorbit despre undele gravitaționale am folosit numai un anumit tip de exemple pentru a ilustra modul în care acestea se pot produce. Mă refeream mai devreme numai la sisteme aclătuite din două obiecte masive, care se rotesc în jurul centrului comun de masă. Un singur obiect ar putea produce unde gravitaționale? De exemplu, explozia unei stele, o supernovă, poate produce unde gravitaționale?

Răspunsul este afirmativ, câtă vreme explozia supernovei nu este perfect simetrică.

Deși nu este o analogie bună (merge doar ca figură de stil) cam același lucru s-a întâmplat și în momentul de început al Universului, în clipa declanșării Big bang-ului. Fluctuațiile spațiu-timpului produse atunci au generat așanumitele unde gravitaționale primordiale.

Acestea reprezintă o importanță greu de supraestimat pentru cosmologie. În prezent nu avem nici un mijloc prin care să observăm direct primele momente ale Universului. În schimb, dacă avem o cale prin care să detectăm undele gravitaționale primordiale, atunci am putea avea o imagine bună a Universului începutului. Cosmologia ar trece, în acest domeniu, dincolo de teorie. Ar deveni o știință observațională.

Sper că v-am ajutat măcar să vă faceți o idee despre importanța detectării și studierii undelor gravitaționale primordiale. Așa cum veți vedea mai încolo, voi sublinia în repetate rânduri acest aspect. Nu uitați, în acest dosar mi-am propus să vă prezint un rezultat științific excepțional.

Studierea undelor gravitaționale primordiale reprezintă un obiectiv prioritar pentru cosmologie dar cum să le detectăm? Întrebarea aceasta este firească și voi încerca să schițez un răspuns scurt.

Detectarea undelor gravitaționale primordiale

Cea mai veche lumină a Universului pe care putem să o observăm datează din vremea în care acesta avea ”numai” vreo 380.000 de ani. Este vorba despre fondul cosmologic de radiații cosmice, descoperit în anii 1960 de către Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson. Inițial acest fond cosmologic de radiații părea a fi perfect uniform, având o temperatură de circa 2,7K. Apoi, pe măsură ce instrumentele de observare s-au perfecționat, și, mai ales, pe baza măsurătorilor efectuate de către telescoapele spațiale Cobe, Wmap și Planck, s-au putut detecta fluctuații de temperatură, foarte mici, în acest fond cosmologic de radiații cosmice. Cu ajutorul informațiilor colectate până acum s-au putut stabili, cu o bună precizie, vârsta și ”rețeta” Universului. Dar acest fond cosmologic de radiații mai conține și un alt tip de informație, în afară de temperatură.

penzias wilson antenna
Acesta este instrumentul folosit de către Penzias și Wilson pentru descoperirea fondului cosmologic de radiații

Așa cum știți, lumina este o radiație electromagnetică. Ea are două componente: una electrică și una magnetică. Dacă nu știați, vă dau eu o informație: undele gravitaționale produc polarizarea luminii.

Da, aici avem o dificultate, ce această ”polarizare” a luminii? În mod normal, de exemplu în cazul luminii emise de un bec sau de o stea, oscilațiile câmpului electric și al celui magnetic, care alcătuiesc radiația electromagnetică, se produc pe mai multe direcții perpendiculare pe direcția de deplasare a undei. Vorbim de polarizare atunci când este favorizată numai o singură direcție de oscilație.

Recunosc, este o definiție seacă. Pentru a vă aduce într-o zonă mai familiară, pot să vă spun că lumina polarizată este folosită în cinematografele 3D. Pentru a realiza efectul stereoscopic, pe ecran sunt proiectate simultan, cu lumină polarizată, imaginile corespunzătoare ochiului stâng, respectiv ochiului drept. Pentru a le ”decodifica” dv. trebuie să purtați o pereche de ochelari, ai căror lentile sunt, de fapt, niște filtre de polarizare. Fiecare dintre acestea nu lasă să treacă decât lumina polarizată într-un anume fel, astfel încât să fie văzute numai imaginile corespunzătoare fiecărui ochi în parte. Pot să vă mai spun și că pescarii se folosesc cu succes de filtrele de polarizare. Lumina reflectată de suprafața apei îi împiedică să vadă peștii din râu. Pe de altă parte, se știe că lumina reflectată este polarizată. O pereche de ochelari dotată cu filtre de polarizare, care sunt opaci pentru lumina polarizată, această reflexie supărătoare dispare iar pescarul poate vedea ușor peștii din apă.

Acum, după această lungă paranteză, vă reamintesc ce spuneam mai devreme: undele gravitaționale primordiale produc polarizarea luminii. Astfel lumina care provine de la fondul cosmologic de radiații cosmice ar trebui să fie polarizată, dacă în timpul Big Bang-ului s-au generat unde gravitaționale. Din nou trebuie să fac o precizare, din aceea seacă. Atunci când vorbim de polarizarea luminii ar trebui să o despărțim în două componente, în două moduri de polarizare. Astfel avem ”modul E” corespunzător câmpului electric și ”modul B” corespunzător câmpului magnetic. Sunt nevoit să fac această precizare, deoarece ”modul E” de polarizare este rezultatul fluctuațiilor de temperatură în fondul cosmologic de radiații și numai ”modul B” este rezultatul undelor gravitaționale primordiale.

Altfel spus, pentru a detecta aceste unde gravitaționale generate în primele fracțiuni de clipă ale Universului, oamenii de știință trebuie să își îndrepte atenția asupra modului B de polarizare. Din păcate detectarea acestui mod de polarizare a luminii provenite din fondul cosmologic de radiații este foarte dificilă. Această lumină vine de la mare distanță și, pe traseul parcurs până la detectoarele noastre, ea mai poate suporta procese de polarizare în modul B și din alte cauze, cum ar fi lentilele gravitaționale. Pentru ca lucrurile să fie și mai complicate, distorsiunile suferite pe traseu pot face ca modul E de polarizare să fie confundat cu modul B…

Fără a mai lungi vorba, voi spune doar că cercetătorii au fost nevoiți să depună o muncă migăloasă pentru a elimina orice altă cauză, decât cea a prezenței undelor gravitaționale primordiale, pentru polarizarea modului B. Iar rezultatele obținute, și comunicate pe 17 martie 2014, par a fi foarte clare. Pentru prima oară am detectat undele gravitaționale primordiale, pentru prima oară avem informații directe asupra primelor fracțiuni de moment din istoria Universului. Aceste rezultate, cu siguranță, vor deschide un nou capitol în cosmologie. Dar despre asta voi vorbi mai încolo.

Acum vreau să mergem împreună în spatele scenei. Ne vom întoarce în timp, cu numai câțiva ani, pentru a sta alături de cercetătorii care au muncit pentru a face posibil acest rezultat extraordinar.

În spatele scenei

Vă propun să ne apropiem de oamenii care au făcut posibilă detectarea undelor gravitaționale primordiale. Voi profita copios de ceea ce au povestit principalii actori lui Adam Mann, editor de știință al revistei WIRED.

Povestea a început în 2001. Doi astrofizicieni, Jamie Bock și Brian Keating, jucau obișnuita partidă de tenis. În timpul acestui meci Keating îl convinge pe Bock de importanța unui experiment pentru studierea polarizării fondului cosmologic de radiații cosmice. În acea vreme Bock lucra la Jet Propulsion Laboratory (JPL) la dezvoltarea unor detectoare care, dacă ar fi fost instalate la Telescopul de la Polul Sud, ar fi putut detecta modul B de polarizare a fondului cosmologic de radiații. După această partidă de tenis, împreună cu fizicianul Andrew Lange, Bock a reunit o mică echipă de cercetători care și-au stabilit drept obiectiv realizarea unor detectoare pentru modul B de polarizare.

În 2006, la Telescopul de la Polul Sud, a fost instalată o primă versiune a detectorului BICEP1 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) care a funcționat până în 2008. Acest prim detector nu folosea tehnologiile pe care echipa lui Bock le dezvoltau la JPL, dar, prin măsurătorile efectuate, a deschis calea către BICEP2. Acesta din urmă a început să colecteze informații în 2010 și a funcționat până în 2012.

John Kovac, cosmolog la Universitatea Harvard: ”Încă de la început am avut indicii serioase, dar am avut mult de muncă pentru a separa semnalul util de zgomot.” Cercetătorii erau obligați să își tempereze entuziasmul inițial. Se aflau în fața unei descoperiri, care ar putea duce la obținerea unui Premiu Nobel, dar orice anunț grăbit ar fi putut duce spre o adevărată catastrofă. S-ar fi pierdut bunul cel mai prețios al unui om de știință: credibilitatea. Din acest motiv au păstrat discreție absolută și s-au concentrat asupra posibilelor surse de erori. Însuși instrumentul folosit ar fi putut produce semnale false.

Astronomul Christopher Sheehy, care s-a alăturat echipei BICEP2 în 2006: ”Am verificat și am răsverificat, am realizat și simulări de înaltă fidelitate. Eram forțați să evaluăm fiecare instrument până la cel mai mic nivel de detaliu.” Cercetătorii au profitat de măsurătorile realizate, între 2006 și 2008, cu BICEP1. Cele două detectoare foloseau tehnologii complet diferite, așa că era foarte puțin probabil ca ambele să aibă aceleași tipuri de erori instrumentale. S-a mers și mai departe, iar rezultatele obținute cu BICEP2 au fost comparate cu cele obținute cu detectorul Keck Array, un alt instrument folosit pentru detectarea modului B de polarizare, care a început să funcționeze, din 2011, la Telescopul de la Polul Sud. Astfel, după lungi și minuțioase analize au putut fi eliminate erorile instrumentale.

În aprilie 2013 echipa de cercetători s-a reunit, pentru trei zile, la Universitatea Harvard. Au fost zile pline. Rezultatele obținute au fost luate la tocat. Fiecare membru al echipei încerca să găsească explicații alternative pentru rezultatele obținute. În a doua zi a reuniunii echipei de cercetători a avut loc și atentatul din timpul maratonului de la Boston. Orașul a fost blocat complet și întrunirea care trebuia să se desfășoare în acea zi a fost anulată. Ceretătorii au fost nevoiți să poarte discuțiile prin telefon. Și nu au fost niște discuții liniștite. Bock: ”Unul credea că [rezultatele obținute sunt sigure] 80/20, altul că sunt 50/50. Dacă cineva spunea că semnalul nu este real era întrebat de ce crede asta. […] În cele din urmă ne-am dat seama că, la naiba, ar putea fi ceva real!” Dar, pentru certitudine, mai trebuiau efectuate teste suplimentare.

Discreția de până la acest moment a devenit brusc secretomanie. Nici un indiciu, nici un zvon, nu trebuia să scape către lumea exterioară. Ca în filmele de spionaj membri echipei și-au modificat parolele de acces la calculatoare, și-au schimbat adresele de e-mail prin care aveau loc transmiterea datelor și așa mai departe. În păstrarea secretului echipa avea un avantaj important. Era una foarte mică, fiind alcătuită din numai circa 50 de cercetători, dintre care numai vreo 20 reprezentau nucleul de analiză al rezultatelor. A urmat luarea la puricat a datelor obținute. O muncă migăloasă și epuizantă. În decembrie 2013 toți membri echipei au căzut de acord: da, rezultatele obținute sunt reale și reprezintă modul B de polarizare a luminii provenite din modul cosmologic de radiații. Acum urma pasul hotărâtor: trebuia convinsă și restul comunității științifice prin publicarea rezultator obținute.

Pe 12 martie 2014 a fost publicat anunțul CfA, care anunța o conferință de presă în ziua de luni, 17 martie, în cadrul căreia va fi anunțată o ”descoperire majoră”. Discreția încă mai învăluia rezultatele obținute de către BICEP2. Lumea restrânsă a cosmologilor a luat foc. Numai Alan Guth, cosmologul care a pus bazele teoriei inflației de la începutul Big Bang-ului (despre care vom vorbi mai încolo) a fost informat, cu două săptămâni înainte de anunțul CfA, despre rezultatele obținute. Această discreție a stârnit furie. Christopher Sheehy: ”Anunțul a stârnit mare interes și […] am primit 10 mesaje text furioase de la prieteni cosmologi. Era un bulgăre de zăpadă care a luat-o la vale […].”

Așa cum vă spuneam, The Guardian a avut niște surse și, pe 14 martie, deja anunța, la nivel de zvon, că BICEP2 a detectat undele gravitaționale primordiale.

./b_over_b_rect.eps
Polarizarea ”modului B” a radiației din fondul cosmologic reprezintă un indiciu pentru undele gravitaționale primordiale

A urmat ziua de 17 martie, care este posibil să devină o zi marcantă pentru istoria științei. S-a anunțat, de data aceasta oficial, că au fost detectate undele gravitaționale primordiale. Racțiile au fost pe măsura așteptărilor. Nici nu putea să fie altfel. Noile măsuratori duc la eliminarea unor teorii cosmologice (cum ar fi cea a Universului ciclic) și le întăresc pe altele. Din momentul anunțului și până acum am remarcat o efervesență nemaiîntâlnită în comunitatea astrofizicienilor. Dar despre asta, voi vorbi în următorul capitol.

Poarta către Multivers

Abia acum, după ce am conturat, cât de cât, datele problemei, dincolo de entuziasmul de care sunt cuprins, pot să pun în discuție cu adevărat importanța anunțului CfA din 17 martie 2014. Așa cum veți vedea, așa cum am spus-o și în articolul dedicat Multiversului, în numărul din iunie 2013 al revistei noastre, dacă în primele fracțiuni de clipă ale Universului a avut loc procesul numit inflație, atunci este foarte probabil ca Universul nostru să fie doar o foarte mică parte a ceva misterios și colosal: Multiversul. Vă spun de pe acum, și voi detalia pe parcus, detectarea undelor gravitaționale primordiale reprezintă o confirmare a perioadei inflaționare a Big Bang-ului.

multivers1

Probleme cu Big Bang-ul clasic

Prin anii 1980 aveam un model frumos al perioadei de început a Universului. Nu puteam merge cu modelul mai înapoi în timp față de momentul în care Universul nostru avea o vârstă de 10 la puterea minus 43 secunde (adică zero virgulă patruzecișitrei de zerouri urmat de unu), dar, dincolo de acest moment, se putea scrie o cronologie a Universului. Există o carte frumoasă, apărută și în limba română, intitulată ”Primele trei minute ale Universului”, scrisă de Stephen Weinberg, pe care o puteți găsi pe la anticariate (sau, dacă aveți răbdare să o căutați, o puteți descărca de pe Internet), în care sunt detaliate întâmplările care au dominat începutul Universului. Lucrurile păreau clare.

Numai că, încet, încet, pe măsură ce se acumulau observații ale fondului cosmologic de radiații, începeau să apară întrebări, care nu își puteau găsi răspunsul în modelul cosmologic standard al Big Bang-ului. Universul era prea omogen. Imaginați-vă că împărțiți Universul cunoscut în cuburi cu latura de câteva sute de milioane de ani lumină. În oricare dintre aceste cuburi veți găsi, cu o foarte bună aproximație, aceeași cantitate de materie, același număr de galaxii. Practic, cuburile noastre, imaginare, de Univers sunt identice. Lucrurile devin și mai dramatice, atunci când ne îndreptăm privirile către temperatura fondului cosmologic de radiații. Acesta este foarte uniform, abaterile de la valoarea medie fiind doar de 1/100.000.

Alan Guth, unul dintre întemeietorii teoriei inflației, descrie astfel problema uniformității Universului. ”În anumite circumstanțe, această uniformitate poate fi ușor de explicat, dacă a existat un timp suficient de lung pentru a se uniformiza temperatura. Dar, în teoria clasică a Big Bang-ului Universul [în fazele sale inițiale], a evoluat prea repede pentru a lăsa timp temperaturii să se uniformizeze. De dragul discuției, să presupunem că [la începuturile sale] Universul era populat cu mici creature purpurii, fiecare fiind echipată cu un cuptor și un frigider. [Să mai presupunem că] aceste creaturi își dedică viața uniformizării temperaturii din Univers. Aceste creaturi ar fi trebuit să poată comunica între ele cu o viteză de 100 de ori mai mare decât cea a luminii, pentru a fi capabile să uniformizeze temperatura Universului, așa cum o vedem noi la 380.000 de ani după Big Bang. […] În modelul clasic al Big Bang-ului […] uniformitatea temperaturii este postulată ca atare și nu ne este dată ca o consecință a vreunui proces fizic.”

O a doua problemă legată de modelul clasic al Big Bang-ului poartă numele de ”problema planeității” (flatness problem). Aici sunt necesare câteva mici precizări. În cosmologie este definită o anumită valoare a densității medii a Universului, care poarte numele de densitate critică. Dacă Universul are o denistate medie mai mare decât cea critică, atunci, la un moment dat, forța gravitațională va deveni suficient de puternică pentru ca el să înceapă să se contracte. În acest caz, geometria Universului, la scară mare, este una sferică (una în care suma unghiurilor unui triunghi este mai mare de 180 grade). Dacă densitatea medie a Universului este mai mică decât cea critică, atunci expansiunea Universului continuă la infinit (în acest caz geometria Universului este una hiperbolică, în care suma unghiurilor unui triunghi este mai mică de 180 de grade). În cosmologie este folosit un parametru numit omega, care reprezintă raportul dintre densitatea Universului și densitatea critică. În cazul în care densitatea medie a Universului este egală cu cea critică (adică, în cazul în care omega este egal cu unu), atunci trăim într-un Univers euclidian (în care suma unghiurilor unui triunghi este egală cu 180 de grade).  Valoarea parametrului omega pentru Universul nostru este dificil de determinat, iar măsurătorile actuale o plasează undeva între 0,1 și 2.

990006_2048
Geometria universului în funcție de parametrul omega

Să îi dăm din nou cuvântul lui Alan Guth. ”Pare un ecart foarte mare dar, dacă luăm în considerare evoluția Universului, ajungem la o constatare spectaculoasă. Omega egal cu unu este un punct de echilibru instabil în evoluția cosmologică, asemănător cu un creion care stă vertical, sprijinit pe vârful său. Sintagma «punct de echilibru» implică faptul că, dacă parametrul omega este strict egal cu unitatea, el va rămâne veșnic egal cu unu, întocmai ca un creion agățat de unul dintre capetele sale. Cuvântul instabil ne arată că orice deviere de la acest punct de echilibru se va amplifica imediat. Dacă în Universul timpuriu parametrul omega ar fi fost doar puțin mai mare decât unu, atunci omega ar fi crescut rapid către infinit. Dacă el ar fi fost doar puțin mai mic decât unu, atunci omega ar fi scăzut rapid către zero. Pentru ca omega să fie astăzi foarte aproape de unu, el trebuia să fie și mai aproape de valoarea unitară la începutul Universului. De exemplu, să ne apropiem la o secundă după Big Bang, moment în care a început nucleosinteza. Pentru ca omega să aibă valoarea determinată în zilele noastre, el ar fi trebuit să fie egal cu unu, cu o precizie de 0,000.000.000.000.001!”

Din nou, modelul clasic de Big Bang se află în dificultate. El nu poate decât să postuleze această constatare, nu poate oferi un fenomen fizic prin care valoarea parametrului omega din Universul timpuriu să fie atât de bine ajustată. Repet, o foarte mică variație a acestui parametru în timpul Big Bang-ului ar fi dus la imposibilitatea existenței Universului nostru, așa cum îl știm.

Inflația

Am prezentat două dintre problemele cu care se confruntă modelul cosmologic clasic al Big Bang-ului. Ar exista două căi de soluționare pentru ele. Avem varianta comodă, rezolvându-le prin postulare. Adică le lăsăm la nivelul unor enunțuri axiomatice, care nu mai au nevoie de dezvoltări suplimentare. Cea de-a doua cale de soluționare este mult mai dificilă: trebuie identificate fenomenele fizice care să justifice constatările rezultate în urma observațiilor.

Cred că este evident, oamenii de știință vor prefera întotdeauna acastă a doua, și mai dificilă, cale.

Mergând pe această a doua cale a fost elaborată teoria inflației, care introduce un set de fenomene fizice pentru rezolvarea problemelor mai sus enunțate. Nu vreau să fac acum o istorie a teoriei inflației, voi spune doar că părinții ei sunt rusul Erast Gliner, care în 1965 a propus un prim model al inflației (nu a prea fost luat în serios la vremea aceea) și Alan Guth.

Pentru a vă descrie procesul inflației cred că este nimerit să mă folosesc de cuvintele lui Alan Guth, care, după anunțul CfA, a dat un interviu pentru MIT News. O să vedeți de ce.

Alan Guth: ”De obicei descriu inflația ca pe o teoria a «Bang»-ului din Big Bang.” (Trebuie să recunosc, este un început de explicație foarte plastic!) ”[…] În forma sa inițială teoria Big Bang-ului nu era o teorie a «Bang»-ului. […] Universul era deja foarte dens și fierbinte și deja era în expansiune cu o viteză fantastică. Teoria descria cum expansiunea a dus la răcirea Universului și cum expansiunea a fost încetinită de către forța de atracție gravitațională. [Teoria] inflației propune un mecanism prin care expansiunea Universului a fost declanșată de formă de gravitație repulsivă. Conform lui Newton, gravitația este pur și simplu o forță de atracție. Imaginea s-a schimbat o dată cu Einstein și cu teoria generală a relativității. Aceasta descrie gravitația ca pe o distorsiune a spațiu-timpului, ceea ce lasă loc pentru o formă repulsivă a gravitației. Teoria modernă a fizicii particulelor elementare sugerează că la energii foarte mari ar trebui să existe forme de materie care creează gravitație repulsivă. La rândul ei, [teoria] inflației spune că cel puțin o zonă foarte mică din universul timpuriu era umplută cu un tip de materie care producea gravitație repulsivă. Această zonă inițială era incredibil de mică, mai mică de 10 la puterea -24 cm, adică de circa 100 de miliarde de ori mai mică decât un proton. Aceasta început o expansiune exponențială, sub influența gravitației repulsive, dublâdu-și dimensiunea la fiecare 10 la puterea -37 secunde. Pentru a descrie corect Universul nostru, au fost necesare cel puțin 80 de dublări de dimensiune, iar zona inițială de Univers a ajuns să aibă acum o dimensiune de circa un centimetru.

În timpul acestei perioade de expansiune exponențială orice material obișnuit s-ar fi diluat, densitatea sa scăzând până aproape de zero. În cazul nostru s-a întâmplat ceva complet diferit. Materia care produce gravitație repulsivă își menține densitatea, oricât de mare ar fi expansiunea! […] La un anumit moment inflația a luat sfârșit, deoarece materia care producea gravitația repulsivă a devenit metastabilă și s-a dezintegrat în particule obișnuite, producând acea supă fierbinte de particule care reprezintă punctul de plecare a Big Bang-ului convențional. […]”

inflatie

Multivers

Așa cum vă povesteam cu o altă ocazie,  teoria inflației (mai bine zis: teoriile inflațiilor, pentru că sunt foarte multe) implică existența unei structuri mai mari, Multiversul, din care Universul nostru reprezintă doar o parte. Din nou voi apela la citate. Sper să nu vă supărați pe mine, dar vreau acum să dau direct cuvântul oamenilor de știință care și-au dedicat o bună parte din carieră pentru a elabora această fantastică teorie a inflației.

Andrei Linde, profesor la Universitatea Stanford: ”În cele mai multe modele ale inflației, dacă inflația a avut loc, atunci există și Multiversul. Putem crea modele ale inflației care nu implică multiversul, dar este extrem de dificil. Fiecare experiment care dovedește existența inflației [aici Linde face referire la anunțul CfA din 17 martie] ne sugerează că Multiversul este ceva real.”

Alan Guth, profesor la MIT: ”Este greu de construit modele ale inflației care să nu conducă la Multivers. Nu este imposibil [să creezi modele care nu conduc la Multivers] și de aceea cred că ar trebui dezvoltate cercetări în acest sens. Dar cele mai multe modele ale inflației duc către Multivers și orice dovadă a inflației ne împinge spre luarea în serios a ideii Multiversului.”

Max Tegmark, profesor la MIT: ”Rezultatele obținute de BICEP2 au produs neliniște în rândul celor care contestă existența Multiversului. Asta din cauză că Alex Vilenkin, Andrei Linde, Alan Guth și alți au arătat că spațiul în care se produce inflația nu este numai infinit ci și uniform umplut cu materie care formează un număr infinit de galaxii. Asta înseamnă că nu mai contează cât de puțin probabil ar fi să existe o copie perfectă a galaxiei noastre, aceasta poate exista. […] Asta înseamnă că ar trebui să existe duplicate ale tale, în spațiu, departe de tine și că aceste duplicate trăiesc fiecare variante diferite ale vieții tale.”

Sean Carroll, profesor la Caltech: ”La scurt timp după ce Guth a propus modelul inflației, Alexander Vilenkin și Andrei Linde au arătat că procesul inflației poate dura la nesfârșit. În loc ca energia inflatonului [aceasta este o particulă elementară ipotetică, din care ar fi alcătuită acea materie care produce gravitație repulsivă, despre care ne vorbea Alan Guth] se convertește în particule obișnuite numai în anumite zone ale universului [Multiversului] producând Big Bang-uri localizate. Oriunde se produce inflația apar universuri separate, probabil într-un număr infinit.”

Acum, o dată ce am ajuns la acest punct, vreau să repet ceea ce am spus de mai multe ori pe parcursul acestui dosar: rezultatele obținute de BICEP2 și comunicate pe 17 martie de CfA, care confirmă existența undelor gravitaționale primordiale, reprezintă o dovadă puternică în favoarea existenței perioadei inflaționare. Modelele inflației primesc astfel un sprijin foarte puternic.

Am spus ”modele ale inflației”? Asta am spus. Asta înseamnă că există mai multe teorii ale inflației? Da, din păcate, da, există multe teorii ale inflației. Aici este o mare problemă. Dar, vedeți dumneavostră, tocmai detectarea undelor gravitaționale primordiale a dus la un enunț entuziasmat al lui Max Tegmark…

”Marea curățenie de primăvară!”

Chiar este vorba despre o mare curățenie de primăvară. Judecați și dv.: mai bine de 90% dintre modelele inflaționare au fost eliminate, deoarece nu se suprapun pe observațiile realizate de BICEP2! În schimb se suprapun foarte bine cu modelul ”inflației haotice” propus de Andrei Linde în urmă cu vreo 30 de ani. În modelul lui Linde, inflația continuă la nesfârșit, oprindu-se doar în zone limitate din spațiu. Așa cum explica însuși Linde, într-un interviu realizat de revista La Recherche, ”[…] Universuri-bule se creează perpetuu. Nu trebuie să considerăm începutul Universului nostru ca pe un moment al singularității Big Bang-ului, ceea ce îi încurcă pe fizicieni, ci momentul inflației însăși. Universul [Multiversul, C.R.], în ansamblul său, nu are nici început, nici sfârșit, și este infinit, deoarece bulele se crează fără încetare. Aceasta este inflația eternă.” Dați-mi voie să precizez: până pe 17 martie 2014 se considera că teoria inflației haotice este imposibil de testat! Acum avem un puternic sprijin pentru ea.

Fiind vorba despre o mare curățenie de primăvară, pot să vă spun că au fost eliminate și alte modele care încercau să explice problemele Big Bang-ului clasic pe alte căi decât prin modelul inflației. Unul dintre acestea este modelul branelor, propus de teoria stringurilor. Conform acestui model Universul nostru este o ”brană” 4-dimensională, care ”plutește” într-un spațiu 5-dimenisonal. În acest spațiu 5-dimensional există mai multe asemenea universuri (brane) 4-dimensionale. În momentul ciocnirii a două brane (a două universuri) se produce Big Bang-ul. Am supersimplificat modelul branelor, dar pot să vă spun că acesta rezolvă problemele Big Bang-ului clasic. Acum știm că acest model are un mic cusur: în urma ciocnirii a două brane nu se produc unde gravitaționale. Cum ele au fost detectate, înseamnă că acest model poate fi abandonat cu succes.

multiverse2

Rezultatele obținute cu ajutorul detectorului BICEP2 îi ajută și pe cei care se ocupă cu teoria stringurilor. Încercarea de a folosi teoria stringurilor în cosmologie a dus la modele inflaționare care generează unde gravitaționale, dar acestea au o energie mult mai mică decât cea observată cu BICEP2. Asta înseamnă că și teoreticienii stringurilor au oarece probleme și că vor fi obligați să își revizuiască drastic modelele.

Și pentru a încheia, provizoriu, lista teoriilor care ar trebui revizuite vă voi spune că și multe dintre modelele care încearcă să explice materia întunecată (despre ea v-am vorbit în numărul din ianuarie 2014 al revistei noastre). Una dintre explicațiile propuse pentru materia întunecată se bazează pe ipoteza conform căreia aceasta este alcătuită din niște particule ipotetice, numite axioni, care interacționează numai gravitațional cu materia obișnuită. Ei bine, modelele bazate pe axioni impun ca procesul inflației să se desfășoare la niveluri de energie mult mai scăzute decât cele observate de BICEP2. Deși nu sunt eliminate toate, așa cum spunea fizicianul David Marsh, cercetător la Perimeter Institute: ”o clasă particulară de axioni ar putea reprezenta numai o mică parte din materia întunecată”.

Sunt entuziast, bănuiesc că și dv sunteți. Trebuie să revenim iute cu picioarele pe Pământ. Să nu uităm: există oricând posibilitatea unor erori. Poate că cercetătorii s-au grăbit cu anunțul, poate că nu au luat în seamă toți factorii care ar putea altera rezultatele. Să nu uităm anul 2011, când cercetătorii anunțau descoperirea neutrinilor care se deplasau mai iute decât lumina, pentru ca mai apoi să aflăm că a fost vorba despre o eroare de măsurare.

Din acest motiv este bine să prezint, pe scurt, câteva…

Obiecții

Cosmologul Neil Turok, director al Institutul Perimeter, își exprima neîncrederea în noile rezultate, deoarce, în opinia sa, există o mare discrepanță între rezultatele comunicate de către echipa BICEP2 și cele transmise de telescoapele spațiale WMAP și Planck. Pentru el noile rezultate nu sunt deloc convingătoare, fiind necesare analize suplimentare pentru a valida rezultatele și concluziile echipei BICEP2.

Pe de altă parte fizicienii James Dent, Lawrence Krauss, și Harsh Mathur au transmis către revista Physcal Review Letters un articol în care arătau că rezultatele comunicate de BICEP2 sugerază că undele gravitaționale primordiale detectate au fost generate mai târziu, în timpul Big Bangu-lui, și că ele nu reprezintă o dovadă pentru inflație.

Concluzie de etapă

La momentul în care închei acest text entuziasmul din ziua de 17 martie 2014 mi-a rămas neștirbit. Probabil că am trăit în direct unul dintre cele mai mari momente ale științei. Desigur, îmi rămâne un dram de prudență, doar un dram. Pentru a căpăta certitudinea, așa cum se întâmplă în știință, avem nevoie de confirmări suplimentare. Acum aștept cu nerăbdare al doilea set de date ale telescopului spațial Planck, care, așa cum știți, a măsurat, cu o precizie nemaiîntâlnită până în prezent, fondul cosmologic de radiații. În primul rând de aici aștept confirmarea, sau infirmarea, comunicatului CfA. Așa cum spunea Neil Turok (care, așa cum ați văzut, este un contestatar al rezultatelor echipei BICEP2), ”Cel mai important lucru în știință este faptul că nu contează cât de mulți sunt cei care sunt împotriva ta. Știința nu este un concurs de popularitate. În cele din urmă înving numai ideile corecte.”

Nu mai avem mult de așteptat, vom vedea relativ repede confirmări, sau infirmări, ale observațiilor legate de detectarea undelor gravitaționale primordiale și, implicit, confirmări, sau infirmări, ale teoriei inflației și Multiversului. Pe mine să mă iertați, dar acum, exact în această clipă, îndrăznesc să am mare încredere în Multivers.

O controversă în lumea științei

În ziua 17 martie 2014 o știre făcea înconjurul lumii. Știrea era atât de importantă, încât revista noastră i-a dedicat un întreg dosar. Probabil că v-ați dat seama despre ce știre era vorba: echipa BICEP2, de la Polul Sud, anunța detectarea undelor gravitaționale primordiale. Acest rezultat marca un moment în dezvoltarea cosmologiei, pe care nu m-am sfiit să îl etichetez ca fiind o adevărată revoluție. Au trecut câteva luni de atunci, iar lucrurile nu mai sunt deloc clare. Voi încerca să vă spun povestea acestor luni agitate pentru cei de la BICEP2, pentru că ea este foarte instructivă. Ea ilustrează modul în care funcționează știința.

Atunci când scriam dosarul din numărul aprilie 2014 al revistei noastre, entuziasmul meu era umbrit doar de modul, oarecum senzaționalist, de anunțare a rezultatelor obținute de către echipa BICEP2. Dacă mai țineți minte, totul a început cu un comunicat scurt, sec și misterios, al Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) în care se anunța că pe 17 martie se va anunța o descoperire majoră. Nu se specifica nimic altceva, în schimb unele informații au apărut ”pe surse”. Totul îmi părea un soi de regie, care avea drept scop creșterea vizibilității evenimentului din 17 martie. Nu cred că era nevoie de așa ceva: rezultatele ce urmau a fi anunțate erau extraordinare și nimic mai mult. Partea cu senzaționalul cade în responsabilitatea mass media. Oamenii de știință nu ar trebui să fie evaluați în funcție de audiență (criteriul acesta funcționează, poate, pentru jurnaliști), ci în funcție de valoarea științifică a rezultatelor obținute. Iar rezultatele comunicate pe 17 martie erau, cu adevărat, extrem de valoroase, deoarece ne aduceau informații despre primele fracțiuni de moment ale Universului.

În ceea ce privește aceste rezultate nu voi spune mai mult decât că ele confirmau existența undelor gravitaționale primordiale și că aduceau o dovadă directă pentru perioada numită inflație, imediat după începutul Big Bang-ului. Mai mult decât atât, confirmând inflația, rezultatele obținute de către echipa BICEP2 ofereau indicii pentru existența Multiversului. Vedeți? În numai câteva rânduri am putut prezenta consecințele senzaționale ale anunțului din 17 martie…

Primele îndoieli (1)

Imediat după anunț, pe fondul entuziasmului generalizat, au început să apară primele dubii. Pe 18 martie, site-ul Physics World consemna declarația  fizicianului Neil Turok, director al reputatului Perimeter Institute for Theoretical Physics. Neil Turok nu este un fizician oarecare, ci unul cu contribuții majore în fizica teoretică, iar cuvintele lui nu au cum să fie ignorate.

Aici este nevoie de o mică paranteză, pentru a contura una dintre contribuțiile lui Turok din domeniul cosmologiei. El, împreună cu Paul J. Steinhardt, profesor la Universitatea Stanford, a propus modelul ciclic al Universului. Acest model pleacă de la trei presupuneri: Big Bang-ul nu este începutul timpului, ci o tranziție de la o fază anterioară a evoluției Universului; evoluția Universului este ciclică; evenimentele care au modelat structura Universului la scară largă s-au produs în timpul fazei de contracție lentă înainte de Big Bang, și nu sunt rezultatul expansiunii rapide (inflației) de după Big Bang. Aici este de remarcat faptul că aceste presupuneri vin să contrazică teoria inflației (expansiunea extrem de rapidă imediat după Big Bang, despre care am vorbit în dosarul din numărul din aprilie al revistei noastre). Plecând de la aceste considerente și folosind teoria M-branelor, cei doi, Turok și Steinhardt, propun un model ciclic al evoluției Universului. Am introdus în fraza anterioară o sintagmă pe care am folosit-o mai rar, M-brană, așa că mai trebuie să introduc și o explicație. Teoria M-branelor, sau, mai simplu Teoria M (o generalizare a teoriei stringurilor) consideră că Universul nostru este ”scufundat” într-un spațiu cu mai multe dimensiuni. Universul nostru este o 3-brană, o structură cu trei dimensiuni spațiale. Analogia ar fi o coală de hârtie, care este o 2-brană, care este ”scufundată” într-un spațiu tridimensional. Toate particulele elementare cunoscute, cu excepția gravitonului, nu se pot deplasa decât în interiorul 3-branei care este Universul nostru. Mai departe, în spațiul ci patru dimensiuni spațiale în care se află 3-brana Universului nostru, mai există o altă 3-brană, un univers paralel. Distanța dintre cele două brane este extrem de mică și, din când în când, cele două 3-brane se ciocnesc. Big Bang-ul este tocmai acest eveniment: ciocnirea celor două 3-brane. Conform acestui model, structura actuală a Universului este dependentă de evenimente care s-au produs înaintea actualului ciclu al Universului. Această teorie, bine fundamentată matematic, ar putea rezolva problemele care au dus la enunțarea teoriei inflației. Am încheiat paranteza.

Detectarea undelor gravitaționale primordiale de către BICEP2, confirmă teoria inflației și elimină teoria Universului ciclic a lui Turok și Steinhardt. Din acest motiv sunt de înțeles dubiile lui Turok. Așa cum spuneam mai devreme, pe site-ul Physics World, el se arăta sceptic față de rezultatele care fuseseră anunțate cu numai o zi mai devreme. ”Dacă… și aici este un mare dacă, ar fi o dovadă spectaculoasă pentru ceea ce s-a întâmplat la Big Bang”, începea Turok. Apoi și-a exprimat îndoiala. Rezultatele obținute de către BICEP2 nu sunt în concordanță cu datele anterioare, obținute cu ajutorul telescoapelor spațiale WMAP și Planck. Apoi: ”Cred că, dacă, atât rezultatele acestea [cele obținute de BICEP2], cât și cele obținute de Planck, sunt corecte, atunci am avea o dovadă clară împotriva inflaței!” Neil Turok nu avea încredere în datele obținute de BICEP2. Acesta este amplasat la Polul Sud, pentru a evita contaminarea rezultatelor de către vaporii de apă din atmosfera terestră, totuși rămâne un ”zgomot” care nu poate fi neglijat. De asemenea, semnalul poate fi contaminat de praful din galaxia noastră și de efectul de lentilă gravitațională produs de roiurile de galaxii, prin care au trecut fotonii din fondul cosmologic de radiații. Turok remarca faptul că echipa BICEP2 a corectat rezultatele pentru efectul produs de praful din galaxie cu un nivel de semnificație statistică de 2,3 sigma.

Sunt nevoit să deschid din nou o foarte scurtă paranteză. Oamenii de știință folosesc un prametru statistic numit semnificație statistică, sigma, prin care evaluează încrederea în rezultatele obținute. Nu voi spune acum cum se calculează acest parametru, dar e bine de știut că un 2,3 sigma semnifică un rezultat pe care poți să îl iei în calcul ca pe un indiciu, dar în care nu poți avea deplină încredere, pentru că există o șansă din 98 ca rezultatul să fie greșit… Altfel spus, acel 2,3 sigma pentru corecția efectelor produse de către praful din galaxie reprezintă o valoare prea mică pentru a avea suficientă încredere că această corecție a fost evaluată corect.

Turok: ”Așa cum spunea Carl Sagan, afirmațiile extraordinare au nevoie de dovezi extraordinare. Acum nu avem aceste dovezi extraordinare. […] Sunt un umil teoretician, este sarcina [fizicienilor] experimentaliști să analizeze și să replice rezultatele… vor mai trece luni și ani pentru a fi făcute toate verificările, dar cred că, realtiv curând, vom avea un prim răspuns [la obiecțiile mele].”

Primele îndoieli (2)

În aceeași zi, 18 martie 2014, tot pe site-ul Physics World, astrofizicianul Peter Coles, de la Universitatea din Sussex, Marea Britanie făcea apel la prudență: ”Mie mi se pare foarte posibil ca polarizarea semnalului în [modurile] E și B [modul B de polarizare reprezenta dovada detectării undelor gravitaționale primordiale] să nu aibă o origine cosmologică. Avem niște rezultate foarte interesante, dar cred că trebuie să mai așteptăm până când vor fi efectuate noi măsurători, cu alte instrumente.” Și, pentru că trăiește într-o societate democratică, Peter Coles a lansat un sondaj pe propriul său blog. Sondajul conține trei întrebări:

Rezultatele obținute de BICEP2 sunt:

  1. O dovadă clară a inflației (7,89% – 49 voturi).
  2. S-au detectat unde gravitaționale dar nu avem dovada inflației. (19,48% – 121 voturi)
  3. Nu s-au detectat unde gravitaționale. (10,31% – 64 voturi)
  4. Este prea devreme să putem afirma ceva. (62,32% – 387 voturi)

În paraneteză am trecut rezultatele sondajului, așa cum erau ele în ziua de 10 iulie 2014. De la data lansării întrebărilor din sondaj s-au întâmplat câteva lucruri. Despre unele dintre ele voi vorbi în continuare.

Bucla galactică

Pe 7 aprilie 2014, trei cercetători (Hao Liu, Philipp Mertsch și Subir Sarkar) postau pe baza de date arXiv, preprintul unei lucrări intitulate: ”Fingerprints of Galactic Loop I on the Cosmic Microwave Background” (Amprentele buclei galactice [de tip] I în fondul cosmologic de radiații). Lucrarea a fost acceptată spre publicare de către revista Astrophysical Journal Letters. Titlul lucrării poartă o undă stranietate (buclă galactică!?), câtă vreme nu se parcurge lucrarea celor trei astrofizicieni.

Pe scurt, autorii propun un mecanism care ar duce la contaminarea rezultatelor obținute BICEP2. Galaxia noastră posedă un câmp magnetic. Atunci când particulele încărcate electric interacționează cu acest câmp magnetic, ele se mișcă pe o traiectorie spiralată de-a lungul acestor linii de câmp magnetic. Atunci când o particulă încărcată se mișcă pe o traiectorie spiralată (sau circulară) sunt emise unde radio, cunoscute și sub numele de radiații sincrotron. Drept rezultat, de-a lungul liniilor de câmp magnetic sunt emise unde radio. Cum acestea au o formă oarecum asemănătoare unei bucle, rezultă o ”buclă radio”. (Acum cred că ați înțeles partea cu bucla galactică de tip I din titlul lucrării.) Atunci când au calculat frecvența a acestor unde radio autorii au constatat că o parte din spectrul emis se află în zona microundelor, tocmai pe frecvența fondului cosmologic de radiații. Și, în plus, aceste emisii au un mod de polarizare B foarte asemănător cu cel detectat de BICEP2. Cu alte cuvinte, ”buclele radio” galactice ar fi putut contamina grav rezultatele anunțate pe 17 martie.

Praful galactic

În ziua de 12 mai 2014 pe blogul Résonaances al fizicianului Adam Falkowski, cercetător la CERN a fost postat un articol în care se arăta că cercetătorii de la BICEP2 au subestimat puternic efectul produs de către praful din galaxia noastră. Vă mai amintiți că același reproș îl făcea și Neil Turok. Falkowski: ”BICEP2 a efectuat observații numai pe frecvența de 150 GHz, o frecvență foarte potrivită pentru a studia fondul cosmologic de radiații, dar mai puțin nimerită pentru a studia polarizarea produsă de praful [galactic] și radiația sincrotron. Pentru aceasta din urmă se pot trage concluzii mai bune prin folosirea unor frecvențe mai înalte și prin combinarea hărților realizate pe frecvențe diferite pentru a separa componenta fondului cosmologic de radiații de componenta galactică. Deși zona de cer studiată de BICEP2 este îndepărtată de planul galactic, datele recente publicate de Planck, pe frecvența de 353 GHz, demonstrează că ar putea exista emisii semnificative [produse de praful galactic și radiația sincrotron] în zona studiată [de BICEP2] (în lucrarea prezentaă de cei de la BICEP2 această zonă este mascată și nu se pot trage concluzii cantitative). Îndată ce a fost făcut anunțul de către BICEP2, toată lumea și-a îndreptat atenția asupra măsurătorilor de precizie ale fondului galactic. Zvonurile care sosesc din tabăra [telescopului spațial] Planck, nu sunt deloc încurajatoare deoarece ele nu confirmă existența semnalului în modul B [de polarizare]. Se pare că experții pot arăta acum cu degetul ceea ce este greșit în anunțul BICEP2.”

Trebuie să menționez că zona de cer aleasă pentru observare de către echipa BICEP2 era departe de planul galactic, tocmai deoarece se plecase de la ideea că acolo se află mai puțin praf galactic, iar influența lui în semnalul măsurat a fost evaluată la 20%. O valoare mult prea mică, susține Falkowski, ”Se zvonește că echipa BICEP2 și-a recunoscut greșeala.”.

Reacția inițială

Această ultimă frază din postarea lui Falkowski i-a înfuriat pe cei de la BICEP2.

În acceași zi Clement Pryke, unul dintre conducătorii echipei BICEP2, afirma, pentru site-ul revistei Science că ”Este total fals. Echipa BICEP2 nu revizuiește și nici nu retrage lucrarea, care acum se află pe serverul de preprinturi arXiv.”

La două zile după postarea de pe blogul Résonaances, John Kovac, unul dintre membri echipei BICEP2, declara, pentru New Scientist, că nimeni nu a recunoscut nimic: ”Am încercat să facem o treabă cât mai bună și am făcut publice toate informațiile de care dispunem și, de asemenea, am prezentat din timp și incertitudinile. Suntem mulțumiți de abordarea noastră.”.

Au urmat mai multe conferințe științifice în care s-au dezbătut cu aprindere problemele legate de factorii perturbatori care nu au fost luați în seamă, sau au fost subevaluați, atunci când s-a comunicat detectarea undelor gravitaționale primordiale. Așa este în știință, punctele de vedere contradictorii sunt dezbătute cu argumente.

Reacția finală

Pe 19 iunie 2014, în Physical Review Letters, a fost publicat articolul științific al echipei BICEP2. Acesta era așteptat cu nerăbdare de toată lumea, pentru că el conținea punctul de vedere final al descoperitorilor undelor gravitaționale primordiale. În rezumatul articolului se arăta că pe baza ”hărților realizate de WMAP, pe frecvența de 23 GHz, am constatat că [fondul] sincrotron galactic are o contribuție neglijabilă în semnalul detectat.” Am putea spune că echipa BICEP2 a rămas convinsă că rezultatele anunțate pe 17 martie sunt cele corecte. Numai că în rezumat mai există o frază, extrem de importantă: ”Totuși, aceste modele nu sunt complet satisfăcătoare și nu se poate exclude posibilitatea ca emisiile prafului galactic să fie suficient de intense pentru a explica semnalul [detectat].”

Echipa BICEP2 rămâne pe poziții, consideră în continuare că semnalul detectat reprezintă o dovadă pentru undele gravitaționale primordiale, dar nu poate exclude posibilitatea ca datele viitoare să îi modifice concluziile. Probabil că în toamna acestui an, atunci când echipa telescopului spațial Planck va oferi date mai bune despre praful din galaxia noastră, vom avea măcar un indiciu pentru confirmarea, sau infirmarea, concluziilor echipei BICEP2. Este puțin probabil ca acestea să capete o confirmare definitivă, pentru aceasta fiind necesare măsurători mai bune, pe mai multe frecvențe. Deja la Polul Sud a început o serie nouă de măsurători, realizate cu un instrument mai performant: Keck Array. Acesta efectuează măsurători pe două frecvențe (100 și 150 GHz).

Concluzie de etapă

Șirul de evenimente care au urmat anunțului din 17 martie ilustrează foarte bine felul în care funcționează știința. Nimic nu este acceptat fără o dezbatere deschisă, aș zice bărbătească. Iar în dezbaterea aceasta nu contează nici renumele, nici farmecul personal al participanților. Nimeni nu acuză vreo conspirație sau vreo reticență în fața noului. Totul se bazează pe argumente susținute de dovezi. Asta este știința, un loc al dezbaterilor care au drept scop obținerea un model teoretic al Naturii, cât mai apropiat de realitate.

Planck_view_of_BICEP2_field_node_full_image_2
Aceasta este harta emisiilor radio produse de praful interstelar, realizată de telescopul spațial Planck, care a demonstrat că semnalul recepționat de BICEP2 nu are origine cosmologică.

Concluzie finală

În cele din urmă lucrurile s-au lămurit definitiv, pe 30 ianuarie 2015, o dată cu publicarea unui nou set de observații realizate cu telescopul spațial Planck. Semnalul detectat de BICEP 2 nu confirmă existența undelor gravitaționale primordiale, el fiind produs de praful interstelar din galaxia noastră. Asta nu marchează sfârșitul căutării indiciilor pentru undele gravitaționale primordiale, ci doar momentul corectării unei mari erori.

Comentați pe Facebook