Ce înseamnă detectarea undelor gravitaționale pentru expansiunea universului

Ondulurile din spațiu-timp călătoresc cu viteza luminii. Acest fapt, confirmat de detectarea recentă a unei perechi de cadavre stelare care se ciocnesc, distruge o întreagă categorie de teorii care se încurcă cu legile gravitației pentru a explica de ce universul se extinde la fel de repede.

Pe 16 octombrie, fizicienii au anunțat că Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat, LIGO, a detectat unde gravitaționale de la fuziunea unei stele neutronice (SN Online: 16.10.17). De asemenea, stelele cu neutroni au emis lumină de înaltă energie la scurt timp după fuziune. Telescopul spațial Fermi a observat acea lumină care venea din aceeași regiune a cerului la 1,7 secunde după detectarea undei gravitaționale. Această observație a arătat pentru prima dată că undele gravitaționale, fiorii în spațiu-timp declanșate atunci când corpurile masive se mișcă, călătoresc cu viteza luminii până la o zecime de trilionime de procent.

În decurs de o zi, cinci articole au fost postate pe arXiv.org în doliu pentru sute de teorii ale universului în expansiune care au prezis că undele gravitaționale ar trebui să călătorească mai repede decât lumina – o imposibilitate fără modificări ale legilor gravitației lui Einstein. Aceste teorii „sunt foarte, foarte moarte”, spune coautorul uneia dintre lucrări, cosmologul Miguel Zumalacárregui de la Institutul Nordic de Fizică Teoretică, sau NORDITA, din Stockholm. „Trebuie să ne întoarcem la tabele noastre și să începem să ne gândim la alte alternative.”

În anii 1990, observațiile stelelor care explodează au arătat că exploziile mai îndepărtate erau mai slabe decât au prezis teoriile existente. Asta sugerează că universul se extinde într-un ritm din ce în ce mai mare (SN: 22/10/11, str. 13). Cosmologii s-au chinuit de atunci să explice de ce.

Cea mai populară explicație pentru accelerare este că spațiu-timp este plin de o entitate particulară numită energie întunecată. „Poți să te gândești la el ca la un fluid misterios care împinge totul și contracarează gravitația”, spune cosmologul Jeremy Sakstein de la Universitatea din Pennsylvania, coautor al unei alte lucrări noi.

Povestea continuă după imagine

ÎN CERCĂTARE Universul s-a extins de la Big Bang, dar rata sa de expansiune se accelerează în mod neașteptat. Observarea simultană a luminii și a undelor gravitaționale de la ciocnirea stelelor neutronice tocmai a ucis o serie întreagă de posibile motive pentru care. NASA

În cea mai simplă versiune a acestei teorii, densitatea acestei energii întunecate nu s-a schimbat de-a lungul istoriei universului, așa că fizicienii o numesc o constantă cosmologică. Acest lucru nu necesită modificări ale gravitației – ceea ce este bine, deoarece gravitația a fost bine testată în interiorul sistemului solar.

Ideea constantă cosmologică se potrivește cu observațiile universului mai larg, dar are unele dificultăți teoretice. Energia întunecată este cu aproximativ 120 de ordine de mărime mai slabă decât teoreticienii calculează că ar trebui să fie (SN Online: 18.11.13), o nepotrivire care îi face pe oamenii de știință să se simtă inconfortabil.

De asemenea, diferite metode de măsurare a ratei de expansiune vin cu numere ușor diferite (SN: 8/6/16, str. 10). Măsurătorile bazate pe stelele care explodează sugerează că galaxiile îndepărtate se îndepărtează cu viteză una de alta cu 73 de kilometri pe secundă pentru fiecare megaparsec (aproximativ 3,3 milioane de ani lumină) de spațiu dintre ele. Dar observațiile bazate pe fundalul cosmic cu microunde, lumina antică care codifică informații despre condițiile universului timpuriu, au descoperit că rata de expansiune este de 67 km/s per megaparsec. Dezacordul sugerează că fie una dintre măsurători este greșită, fie că teoria din spatele energiei întunecate are nevoie de o modificare.

Deci, în loc să invoce o substanță pentru a contracara gravitația, teoreticienii au încercat să explice universul în expansiune prin slăbirea gravitației însăși. Orice modificare a gravitației trebuie să lase sistemul solar intact. „Este destul de greu să construiești o teorie care accelerează universul și, de asemenea, să nu distrugă sistemul solar”, spune cosmologul Tessa Baker de la Universitatea din Oxford, coautor al unei alte lucrări.

Aceste teorii iau sute de forme. „Acest domeniu al teoriilor gravitaționale modificate este o grădină zoologică”, spune Baker. Unii sugerează că gravitația se scurge în dimensiuni suplimentare ale spațiului și timpului. Mulți alții explică răspândirea rapidă a universului prin adăugarea unei alte entități misterioase – poate o particulă necunoscută – care drenează puterea gravitației pe măsură ce universul evoluează.

Dar noua entitate ar avea un alt efect crucial: ar putea încetini viteza undelor luminoase, similar modului în care lumina călătorește mai lent prin apă decât prin aer. Asta înseamnă că cele mai bune alternative la energia întunecată necesitau undele gravitaționale să călătorească mai repede decât lumina – ceea ce nu fac.

Justin Khoury, un fizician teoretician la Universitatea din Pennsylvania, care a lucrat la mai multe dintre teoriile gravitaționale alternative, dar nu a fost implicat în noile lucrări, a fost surprins de faptul că o observație a undelor gravitaționale a exclus atât de multe teorii simultan. Cu toate acestea, nu este deloc dezamăgit.

„Faptul că învățăm ceva despre energia întunecată din cauza acestei măsurători este incredibil de interesant”, spune el.

Observarea undelor gravitaționale și a undelor luminoase în același timp oferă o a treia modalitate independentă de a măsura cât de repede se extinde universul. Deocamdată, această rată se află în mod frustrant chiar între cele două măsurători în conflict pe care le aveau deja oamenii de știință, la 70 km/s per megaparsec. Dar este încă imprecis. Odată ce LIGO și alte observatoare au observat încă 10 sau 20 de coliziuni de stele neutroni, cercetătorii ar trebui să poată spune care măsurătoare este corectă și să descopere dacă energia întunecată are nevoie de o actualizare, spune Zumalacárregui.

„Undele gravitaționale pot ucide aceste modele, dar în cele din urmă au potențialul de a ne spune dacă această discrepanță este reală”, spune el. „Este ceva care este în sine foarte frumos.”