Misterele energiei întunecate

În primele decenii ale secolului trecut, o serie de rezultate semnificative din fizică şi astrofizică s-au dovedit a fi convergente spre o ipoteză care a bulversat întreaga lume ştiinţifică. Pe de o parte, Einstein reuşea, prin Relativitatea Generală, o descriere mult mai bună a gravitaţiei decât vechea teorie oferită de Newton. Noua teorie păstra valabilitatea rezultatelor lui Newton, dar făcea, în acelaşi timp, predicţii de-a dreptul contra-intuitive conform cărora spaţiul şi timpul se modifică în prezenţa unor densităţi mari de masă.

O serie de observaţii ce au urmat acestei descoperiri au dovedit că, într-adevăr, spaţiul se curbează şi timpul trece mai încet în vecinătatea corpurilor dense. Pe de altă parte, observaţii remarcabile ale astrofizicianului Hubble au arătat că semnalele luminoase receptate pe Pământ, din toate direcţiile, de la galaxiile îndepărtate, oferă indicii că galaxiile se îndepărtează de noi. Această mişcare a galaxiilor din întreg cosmosul observabil ameninţa să schimbe vechea imagine a Universului static, prezentă de secole în gândirea ştiinţifică.

Greşeala lui Einstein

S-a dovedit apoi că Relativitatea Generală nu este altceva decât o teorie ce descrie un Univers în expansiune. La început, Einstein însuşi nu a crezut acest lucru, ajustându-şi propria teorie pentru a fi compatibilă cu modelul acceptat de el şi de oamenii de ştiinţă din vremea lui, un Univers static şi etern. Ajustarea a constat de fapt, într-un adaos: el a introdus în ecuaţia câmpului un termen în plus (constanta cosmologică) care să păstreze Universul etern şi infinit. Însă, descoperirea lui Hubble, conform căreia galaxiile ce apar pe cer în toate direcţiile se îndepărtează de Pământ, avea să fie una dintre cele mai bune dovezi ale expansiunii.

Relativitatea Restrânsă prevăzuse deja o viteză limită pentru propagarea undelor electromagnetice. Se putea înţelege deci că semnalele luminoase de la galaxiile îndepărtate dau mărturie despre starea lor aşa cum era ea în trecut. Or, Hubble a arătat, pe baza radiaţiilor emise de galaxii, că ele se îndepărtează de noi, că această mişcare este valabilă şi în trecut. Potrivit interpretării date de el, pe măsură ce galaxiile se află mai departe de Pământ, adică într-un trecut mai îndepărtat, se îndepărtează tot mai rapid. Mişcarea aceasta a galaxiilor din Univers, valabilă în diverse etape din trecutul său, a fost, de fapt, una dintre cele mai bune dovezi ale faptului că Universul este în expansiune. Descoperirea lui Hubble l-a determinat pe Einstein să-şi revizuiască ecuaţia Relativităţii Generale, scoţând constanta cosmologică.

Noutăţi neaşteptate: expansiunea accelerată a Universului

Formularea noi teorii despre expansiunea Universului a fost urmată, timp de jumătate de secol, de numeroase observaţii şi misiuni spaţiale complexe, menite să-i verifice predicţiile. Toate datele au confirmat modelul cosmologic al expansiunii Universului, acesta fiind considerat de mulţi ca fiind cea mai mare descoperire a secolului al XX-lea.

În ultimii ani însă, odată cu îmbunătăţirea rezoluţiei telescoapelor aflate în spaţiul cosmic, s-au putut face observaţii şi asupra unor semnale luminoase foarte îndepărtate. Într-un mod cu totul neaşteptat, o anumită clasă de supernove (I-a, de 4 miliarde de ori mai luminoase decât Soarele) ce explodează la marginea Universului observabil a oferit indicii noi!

Datorită luminozităţii lor extraordinare, supernovele reprezintă cele mai bune „candele“ pentru măsurători precise în astronomia extragalactică. Pe baza semnalelor provenite de la ele, începând cu 1988 au apărut primele indicii care păreau să sugereze că expansiunea Universului este accelerată. Radiaţia provenită de la supernove evidenţiază o anumită schimbare în rata expansiunii Universului, care pare să fi început o deplasare accelerată, cel mai probabil în ultimele 7 miliarde de ani.

Energia întunecată. Mai multe ipoteze

Descoperirea a fost neaşteptată, pentru că teoria gravitaţiei în formularea lui Einstein, şi cu atât mai puţin cea făcută de Newton nu corelau în nici un fel cu o astfel de expansiune. Câtă vreme în Univers singura interacţiune ce acţionează la distanţe foarte mari, care poate influenţa mişcarea de expansiune, este gravitaţia şi cum ea acţionează ca o frână permanentă a înaintării Universului, mişcarea accelerată este inexplicabilă. Dimpotrivă, era de aşteptat ca expansiunea să fie încetinită tot mai mult de gravitaţie. Comportamentul acesta straniu a fost pus în seama unei energii necunoscute, numită energia întunecată.

S-au încercat mai multe ipoteze pentru explicarea naturii ei. Una dintre soluţii propunea o îmbunătăţire a descrierii gravitaţiei, în baza ideii că ea ar putea slăbi în intensitate la distanţe foarte mari. O altă soluţie propunea existenţa unei energii necunoscute până acum, un alt câmp fundamental al Universului, pe lângă cele cunoscute deja. (Este vorba despre interacţiunea nucleară tare ce ţine nucleele atomilor în stare legată, interacţiunea slabă prezentă în dezintegrarea beta, interacţiunea electromagnetică ce leagă atomii în structuri macromoleculare, şi care se manifestă şi în forma tuturor radiaţiilor cunoscute din Univers). Întrucât nici una dintre aceste interacţiuni nu ar putea explica expansiunea accelerată a Universului, ipoteza a vizat introducerea unei alte interacţiuni fundamentale, cu rol repulsiv (adică antigravitaţional), numit câmpul lambda.

Cea mai mare parte din Univers, scufundată încă în mister

Am mai scris la această rubrică despre o altă mare necunoscută a cosmologiei contemporane, anume despre materia întunecată (Materia intunecata - misterioasa forta nevazuta a Universului). Pentru a explica faptul că stelele sunt încă în galaxii, deşi se rotesc foarte repede în jurul centrelor galactice, cosmologii au luat în considerare o materie întunecată, invizibilă, care ar putea explica de ce atracţia gravitaţională a galaxiilor este mai mare decât cea estimată în baza materiei vizibile. Ei bine, la fel cum materia întunecată a fost introdusă pentru a explica o serie de date care nu corelează cu observaţiile, energia întunecată a fost introdusă ca posibilă explicaţie pentru această situaţie în care expansiunea accelerată nu corelează cu teoriile aflate la îndemână.

Luând în considerare rata expansiunii Universului, ponderea energiei întunecate ar trebui să fie în jur de 70% din totalul de materie-energie din Univers (cele 30% rămase fiind împărţite de materia întunecată - aprox. 25%, şi 5% materie luminoasă, cunoscută în prezent în fizică).

Energia vidului: posibila identitate a energiei întunecate

Una dintre cele mai bune ipoteze de lucru privind materia întunecată pare să fie cea legată de energia vidului. Despre această stranie formă de energie am mai scris la această rubrică (Energia vidului utilizata in levitatie). Existenţa ei a putut fi dedusă plecând de la unele rezultate ale mecanicii cuantice, iar unele experimente remarcabile au pus deja în valoare manifestările ei.

În cazul în care energia de vid ar fi explicaţia pentru expansiunea accelerată a Universului, soluţia ar putea fi reintroducerea constantei cosmologice pe care a scos-o Einstein. Acum însă, rolul constantei cosmologice ar putea fi acela de a cuprinde efectele imensei energii de vid adăpostite de vasta incintă a întregului Univers. Energia de vid şi, deci, expansiunea accelerată ar putea cuprinse în actuala descriere a Universului oferită de Relativi-tatea Generală.

Dovezi noi despre energia întunecată

În luna decembrie a anului trecut, o echipă de cercetători de la NASA au anunţat reuşita evidenţierii, în premieră, a efectelor energiei întunecate în procesul de colaps al celor mai masive aglomerări din Univers, structuri agregate de clusteri (ce conţin, fiecare, mai multe sute de galaxii). Observaţiile, făcute prin intermediul observatorului de radiaţie X Chandra, sunt extrem de importante, întrucât fac o legătură directă între gravitaţia Universului şi rata expansiunii lui accelerate, reuşind să identifice semnele prezenţei energiei întunecate pe alte căi decât utilizând radiaţiile supernovelor. Datele obţinute sugerează că energia întunecată ar putea fi, de fapt, determinată de energia de vid. Pe de altă parte, calcule teoretice avansează unele rezultate potrivit cărora energia întunecată ar trebui să fie cu mult mai multă în Univers, de 10 la puterea 120 de ori mai intensă decât ceea ce se obţine în prezent. Nu se ştie până acum unde a dispărut energia de vid sau, dimpotrivă, potrivit potrivit căror mecanisme efectele ei sunt, totuşi, atât de mici? Situaţia arată că ar trebui să existe o altă explicaţie mai cuprinzătoare, care să cuprindă şi mecanismele diminuării extraordinare a acestei energii imense până la valorile detectate în prezent. Explicaţia propriu-zisă privind modul cum a fost posibilă reducerea atât de drastică a valorii, corespunzătoare diferenţei dintre 10 urmat de 120 de zerouri şi cifra 1, fără a o face totuşi zero, este considerată a fi una dintre cele mai grele probleme de ale fizicii.