Trecutul, conform lui Planck: Cosmologii au avut mare dreptate

O nouă analiză a primei lumini a universului îi face pe cosmologi să se mângâie simultan pe spate și să se scarpină pe table. Rezultatele, obținute de la satelitul Planck și postate online în februarie într-un set de lucrări pe arXiv.org, susțin în mare măsură cadrul teoretic pe care cosmologii îl folosesc pentru a descrie universul. Dar există și câteva descoperiri surprinzătoare, sugerate în cercetările anterioare, care ar putea semnala fenomene fizice nedescoperite.

„Vechiul model al universului merge remarcabil de bine”, spune Shaun Hotchkiss, cosmolog la Universitatea Sussex din Brighton, Anglia. „Dar tot ceea ce era anormal în trecut este încă anormal.” Rezultatele Planck au multe de spus și despre inflație, perioada teoretizată imediat după Big Bang în care universul s-a umflat rapid.

Cosmologii pot descrie universul rezonabil de bine cu un model bazat pe șase cantități, inclusiv rata de expansiune a universului și densitatea materiei obișnuite. Misiunea Planck a intervenit cu patru ani de măsurători ale fondului cosmic cu microunde, sau CMB, prima lumină din univers care a fost emisă la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang. Cele mai recente date susțin modelul cosmologic standard și stabilesc cinci dintre cele șase numere cu o precizie de 1%, spune omul de știință al proiectului Planck, Charles Lawrence. Aceste numere descriu un univers care a început cu un scurt episod de inflație și de atunci a fost ghidat de o combinație de materie obișnuită, o substanță invizibilă numită materie întunecată și energie întunecată, care face ca spațiul să se întindă într-un ritm din ce în ce mai mare.

Cu toate acestea, rezultatele includ discrepanțe care au apărut și în publicația de date a lui Planck din 2013 și în alte observații de fundal cu microunde, în special în numărul de clustere de galaxii. Planck detectează variații subtile de temperatură în CMB, care reflectă fluctuațiile cuantice din universul timpuriu care au fost amplificate de inflație în regiuni vaste de densitate variabilă. De-a lungul timpului, masa din regiunile de înaltă densitate ar fi trebuit să se aglomereze pentru a forma grupuri complicate de galaxii. Dar datele Planck sugerează că ar trebui să existe mai multe clustere decât observă oamenii de știință. Tensiunea necesită studii suplimentare, dar nu există încă teorii noi, spune Hotchkiss.

Fizicienii se gândesc și la rata de expansiune a universului, cunoscută sub numele de constanta Hubble. Datele Planck indică faptul că obiectele situate la un megaparsec (aproximativ 3 milioane de ani lumină) distanță unul de celălalt se depărtează cu aproximativ 68 de kilometri pe secundă. Aceasta nu este o schimbare foarte mare față de 2013, dar este cu aproximativ 6 kilometri pe secundă mai lentă decât estimările obținute prin măsurarea distanței și vitezelor supernovelor și stelelor numite variabile cefeide care fluctuează în mod previzibil în luminozitate (SN: 4/5/14, str. 18). Un sondaj îmbunătățit pe Cepheid, așteptat la sfârșitul acestui an, va determina dacă rămâne o discrepanță, spune Daniel Scolnic de la Institutul Kavli pentru Fizică Cosmologică de la Universitatea din Chicago.

Chiar dacă aceste probleme sunt rezolvate, modelul cosmologic standard nu va fi clar. Robert Kirshner, un cosmolog la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică din Cambridge, Massachusetts, spune că modelul se bazează pe mai multe presupuneri nedovedite, inclusiv că puterea de respingere a energiei întunecate pe unitate de volum a rămas constantă. Kirshner și alți oameni de știință efectuează sondaje pentru a urmări influența energiei întunecate în timp.

De asemenea, modelul nu reușește să explice de ce și cum a apărut inflația. Datele lui Planck au respins afirmația de anul trecut a echipei BICEP2 de a detecta unde gravitaționale primordiale, care i-ar fi ajutat pe fizicieni să identifice un mecanism și o scară de energie pentru acel moment crucial din istorie (SN: 21/02/15, str. 13). Fără o detectare a undelor gravitaționale, „nu avem o idee definitivă despre cum să ne conectăm ideile despre fizica fundamentală cu inflația”, spune David Spergel, astrofizician la Universitatea Princeton.

Analiza Planck a folosit, de asemenea, datele BICEP2 pentru a stabili limite mai stricte asupra valorii lui r, care compară deviațiile undei gravitaționale și densitatea materiei în CMB. Constatarea că r este probabil mai mică de 0,09 defavorizează teoriile inflaționiste simple, cum ar fi inflația pătratică și naturală, utilizate în manualele de cosmologie, spune Lawrence. Acele teorii erau deja strânse în 2013, când Planck a sugerat că r era mai mic de 0,11.

Teoreticienii își vor perfecționa ideile pentru a se potrivi cu cele mai recente date. Între timp, BICEP2 și un grup de alte experimente vor continua să cerceteze cerul de peste Polul Sud pentru semnalele slabe ale undelor gravitaționale.