Cum a intervenit energia întunecată în formarea Universului şi cum aceasta îl poate distruge

Cu mult timp în urmă, când Universul avea doar 100.000 de ani – o masă în expansiune de particule şi radiaţie – a apărut un nou câmp de energie. Aceasta a acoperit spaţiul cu un anume tip de antigravitaţie cosmică, ducând la accelerarea expansiunii Universului, scrie New York Times.

Apoi, după alţi 100.000 de ani, noul câmp a dispărut, nelăsând altă urmă decât un Univers cu o dezvoltare mai rapidă. Astfel, un grup de cercetători de la Johns Hopkins University au emis teoria conform căreia existenţa acestui câmp explică o enigmă a astrofizicii: Universul pare să se extindă mai rapid decât ar trebui.

• Cât de periculos este să amânăm mersul la toaletă?
• Inteligența Artificială a declanșat o criză de fraudă academică în universități

Cosmosul se extinde cu circa 9% mai rapid decât prescrie teoria, această discrepanţă intrigând cercetătorii care cred că aceasta poate scoate la iveală ceva nou despre Univers.

„În ce punct vom putea spune că am descoperit un nou tip de fizică?”

Astfel, în ultimii ani, cercetătorii de la Johns Hopkins au încercat să găsească greşeli în teoria lor, până acum fără succes. La o conferinţă recentă în Chicago, Josh Frieman, un teoretician de la Fermi National Accelerator Laboratory din Batavia, Illinois, a întrebat „în ce punct vom putea spune că am descoperit un nou tip de fizică?”.

Unii cercetători spun că problema poate fi rezolvată prin postularea existenţei unor particule subatomice până acum necunoscute. Alţii, precum grupul de la Johns Hopkins, invocă existenţa unor câmpuri de energie.

Mai mult, există deja un câmp de forţă – numit energie întunecată – care face ca Universul să se extindă mai rapid. Iar un nou studiu sugerează că aceasta ar deveni mai densă şi mai puternică, ducând la un viitor în care atomii sunt dezintegraţi şi timpul se termină.

Până acum, nu există dovezi pentru multe dintre aceste idei. Dacă vreuna ar fi dovedită, savanţii ar trebui să rescrie povestea originii, a istoriei şi probabil a sorţii Universului.

Dilema constantei Hubble

Generaţii de astronomi au încercat să măsoare cosmosul. Problema este constanta Hubble, numită după Edwin Hubble, astronomul care în 1929 a descoperit că Universul se extinde.

Pe măsură ce spaţiul creşte, galaxiile se îndepărtează unele de altele. Cu cât sunt mai îndepărtate galaxiile unele de altele, cu atât distanţa dintre ele creşte mai repede. Constanta Hubble spune doar cu cât.

Dar pentru a calibra această constantă, astronomii se folosesc de obiecte şi fenomene, precum anumite stele variabile, a căror distanţă poate fi estimată prin luminozitate sau altă trăsătură şi exploziile de supernove. 

Până acum câteva decenii, astronomii nu puteau cădea de acord asupra valorii constantei Hubble: ceva între 50 şi 100 de kilometri per secundă per megaparsec (un parsec este 3,26 milioane de ani lumină). În 2001, o echipă care a folosit telescopul spaţial Hubble a susţinut că valoarea este 72. Pentru fiecare megaparsec mai departe de noi, o galaxie se deplasează cu 72 de km/s mai rapid.

Alţii au obţinut rezultate similare, îngustând imprecizia constantei Hubble la doar 2,4%. Dar noua precizie a adus noi probleme. Aceste rezultate sunt atât de bune încât nu se potrivesc cu rezultatele de la nava spaţială European Planck, care a calculat constanta Hubble la 67.

Discrepanţa poate fi interpretată ca diferenţele de observaţii dintre Planck şi oameni.

Planck este considerată standardul în cosmologie. A petrecut patru ani studiind supa cosmică a microundelor lăsate de la sfârşitul Big Bang-ului, când Universul avea doar 380.000 de ani. Dar nu a măsura constanta Hubble în mod direct, ci dintr-un model matematic bazat pe microunde. Altfel spus, constanta Hubble obţinută de Planck este bazată pe o imagine a Universului din prima sa etapă de existenţă. Valoarea clasică este derivată din ceea ce astrofizicienii numesc „măsurători locale”, realizată după câteva miliarde de ani de existenţă a cosmosului. Dacă acea imagine de început a Universului a lăsat sau a ascuns unele trăsături importante?

O abordare de conciliere a celor două imagini a fost adăugarea la Universul timpuriu a unei noi specii de particule subatomice, precum neutrinii. Cu aceştia, Universul s-ar extinde mai rapid şi nu ar afecta imaginea acestuia de la începuturile sale.

O abordare mai drastică, provenită de la grupul de la Johns Hopkins, postulează existenţa unor câmpuri de anergie anti-gravitaţională exotică. Ideea exploatează un aspect al teoriei stringurilor, adică „teoria totului”, încă nedovedită, care spune că realitatea este constituită din mici „corzi”.

Teoria stringurilor sugerează că spaţiul ar putea fi brăzdat cu câmpuri exotice de energie asociate cu particulele uşoare sau cu forţe încă nedescoperite. Acestea, împreună numindu-se chintesenţa, pot acţiona în opoziţie faţă de gravitaţie şi s-ar putea schimba în timp – pot apărea, se pot degrada sau îşi pot schimba efectul, sau chiar pot deveni de la forţe de respingere la forţe de atracţie.

Energia întunecată timpurie poate duce la noi explicaţii

Echipa s-a concentrat în particular asupra efectelor câmpurilor asociate cu particulele numite axioni. Dacă un astfel de câmp ar fi apărut când Universul avea doar 100.000 de ani, ar fi produs cantitatea de energie pentru a umple discrepanţa celor două constante Hubble. Cercetătorii au numit această forţă teoretică „energia întunecată timpurie”.

„Am fost surprins să văd cum funcţionează”, a precizat Marc Kamionkowski, cosmolog la Johns Hopkins care a participat la studiu. 

Deşi mulţi cercetători sunt de acord cu studiul, Lisa Randall de la Harvard a avut unele probleme legate de calculele celor de la Johns Hopkins. Aceasta, împreună cu o echipă de la Harvard lucrează cu o teorie similară, care, din punct de vedere matematic, este consistentă.

„Nu este prima dată când Universul se extinde atât de rapid”

Energia întunecată timpurie este o idee preferată de unii cosmologi pentru că indică o legătură între două episoade misterioase în istoria Universului. „Nu este prima dată când Universul se extinde atât de rapid”, a precizat Adam Riess de la Johns Hopkins.

Primul episod a avut loc atunci când Universul avea mai puţin de un trilion dintr-un trilion dintr-o secundă. În acel moment, a avut loc o expansiune violentă care a propulsat Big Bang-ul. „Inflaţia”, aşa cum a fost numită de cosmologul Alan Guth de la MIT, a organizat haosul iniţial în Universul mai ordonat pe care îl observăm astăzi. Nimeni nu ştie ce a declanşat inflaţia.

Al doilea episod are loc astăzi: expansiunea cosmică accelerează. Dar de ce? Problema a apărut în 1998, când două echipe de astrofizicieni şi-au pus problema dacă  gravitaţia colectivă a galaxiilor poate încetini expansiunea suficient de mult pentru ca, într-o zi, toată materia să înceapă să se apropie, în fenomenul numit Big Crunch.

Spre surprinderea lor, au descoperit opusul: expansiunea a accelerat sub influenţa unei forţe anti-gravitaţionale numită energie întunecată. Ambele echipe au câştigat Premiul Nobel.

Energia întunecată formează aproximativ 70% din energia masei Universului. Aceasta se comportă ca un factor cunoscut ca o constantă cosmologică, o forţă de respingere  pe care Einstein a introdus-o în ecuaţii acum în urmă cu un secol, gândindu-se că ar împiedica prăbuşirea Universului sub propria greutate. Ulterior, a abandonat ideea, poate prea devreme. Sub influenţa energiei întunecate, cosmosul se dublează în dimensiune la fiecare 10 miliarde de ani.

„Poate Universul face asta câteodată?”

Energia întunecată timpurie, forţa invocată de grupul de la Johns Hopkins, poate reprezenta al treilea episod de antigravitaţie care duce la accelerarea expansiunii Universului. Probabil toate cele trei episoade sunt manifestări diferite ale aceleiaşi tendinţă a Universului de a-şi schimba comportamentul. „Poate Universul face asta câteodată?”, se întreabă Riess.

Totuşi, dacă menţine ritmul, Universul poate ajunge în etapa de Big Rip, unde atomii şi particulele elementare se dezintegrează, în ce ar fi probabil cea mai mare catastrofă cosmică. 

Acest scenariu a fost prezentat în lucrarea lui Guido Risaliti de la Universitatea din Florenţa (Italia) şi a Elisabetei Lusso de la Unviversitatea Durham (din Anglia). În ultimii patru ani, au studiat istoria Universului, folosind cataclisme violente numite quasari ca indicatori de distanţă. 

Quasarii apar din găurile negre supermasive din centrul galaxiilor; sunt cele mai luminoase obiecte din natură şi pot fi văzute în mod clar în tot Universul. Nu sunt însă ideale, pentru că masele lor variază foarte mult. Totuşi, cercetătorii au identificat unele regularităţi în emisiile lor, permiţând cunoaşterea istoriei cosmosului de acum 12 miliarde de ani. Echipa a găsit că rata expansiunii Universului a deviat de la aşteptările în acel interval de timp.

O interpretare a rezultatelor este că energia întunecată nu este constantă, dar se schimbă, devine mai densă şi mai puternică în timp. Se întâmplă ca această creştere în energia întunecată să fie suficientă pentru a rezolva discrepanţa în măsurătorile constantei Hubble.

Vestea proastă este că, dacă modelul este bun, energia întunecată ar putea apărea în forma energiei fantomă. Existenţa sa ar presupune că lucrurile pot pierde energie prin creşterea vitezei. Pe măsură ce Universul se extinde, energia fantomă ar creşte fără limite, depăşind gravitaţia, ceea ce ar duce la ruperea stelelor şi planetelor şi apoi a atomilor.

Vă recomandăm să citiţi şi următoarele articole:

Cercetătorii au adus ”echilibrul în Univers”: o nouă teorie poate explica 95% din cosmosul ”care lipseşte”

Prima imagine cu materia întunecată din Univers? Fizicienii nu au o explicaţie pentru ce au văzut în centrul galaxiei noastre

Cercetătorii au reuşit să măsoare cantitatea de materie întunecată pe care o pierde Universul

Cercetătorii au creat un ceas atât de precis încât ar putea detecta materia întunecată