Viteza de expansiune a universului rămâne evazivă

Dacă nu sunteți recent venit dintr-un alt univers, fără îndoială ați auzit că acesta se extinde. Devine mai mare tot timpul. În plus, ritmul său de creștere se accelerează. În fiecare zi, universul se extinde puțin mai repede decât cu o zi înainte.

Aceste diferențe de zi cu zi sunt însă neglijabile pentru astronomii care încearcă să măsoare rata de expansiune a universului. Ei vor să știe cât de repede se extinde „azi”, adică epoca actuală a istoriei cosmice. Această rată este importantă pentru înțelegerea modului în care funcționează universul, știind care va fi soarta lui finală și chiar din ce este făcut. La urma urmei, misiunea principală a telescopului spațial Hubble când a fost lansat în 1990 a fost de a ajuta la determinarea acelei rate de expansiune (cunoscută, nu întâmplător, ca constantă Hubble, numită după astronomul Edwin Hubble).

De atunci, dovezile de la Hubble (telescopul) și alte proiecte de cercetare au stabilit un răspuns rezonabil de precis pentru constanta Hubble: 73, în unitățile utilizate în mod obișnuit în acest scop. (Înseamnă că două corpuri astronomice independente separate de 3,26 milioane de ani-lumină vor părea să se îndepărteze unul de celălalt cu 73 de kilometri pe secundă.) Sigur, există o marjă de eroare, dar nu prea mult. Cea mai recentă analiză a unei echipe, condusă de laureatul Nobel Adam Riess, situează constanta Hubble în intervalul 72-75, după cum se raportează într-o lucrare postată online pe 3 ianuarie. Având în vedere că încă din anii 1980, astronomii s-au certat dacă constanta Hubble a fost mai aproape de 40 sau 90, aceasta este o îmbunătățire destul de mare a preciziei.

Dar există o problemă în acest succes. Cunoștințele actuale despre univers sugerează o modalitate de a prezice care ar trebui să fie constanta Hubble. Și această predicție oferă un interval probabil de doar 66-68. Cele două metode nu se potrivesc.

„Acest lucru este foarte surprinzător, cred, și foarte interesant”, a declarat Riess, de la Institutul de Știință al Telescopului Spațial din Baltimore, într-o discuție pe 9 ianuarie, la o întâlnire a Societății Americane de Astronomie.

Este surprinzător pentru că astrofizicienii și cosmologii au crezut că au descoperit universul. Este alcătuită din puțină materie obișnuită, multă „materie întunecată” exotică de identitate necunoscută și chiar mai mult dintr-o energie misterioasă care pătrunde în vidul spațiului, exercitând repulsie gravitațională. Vă amintiți că accelerarea ratei de expansiune? Implică existența unei astfel de energii. Pentru că nimeni nu știe ce este, oamenii o numesc „energie întunecată”, în timp ce bănuiesc că numele său real este lambda, litera greacă care înseamnă „constantă cosmologică”. (Se numește constantă, deoarece orice parte a spațiului ar trebui să posede aceeași cantitate de energie în vid.) Energia întunecată contribuie cu aproximativ 70% din conținutul total de masă-energie al universului, indică diverse dovezi.

Dacă toate acestea sunt corecte, atunci nu este atât de greu de dedus cât de repede ar trebui să se extindă universul astăzi. Doar luați rețeta materiei, materiei întunecate și energiei întunecate și adăugați niște particule subatomice fantomatice cunoscute sub numele de neutrini. Apoi măsurați cu atenție temperatura spațiului adânc, unde singura căldură este strălucirea slabă rămasă de la Big Bang. Această strălucire, radiația cosmică de fond cu microunde, variază ușor în temperatură de la un punct la altul. Din mărimea acestor variații, puteți calcula cât de departe a călătorit radiația de la Big Bang pentru a ajunge la telescoapele noastre. Combină asta cu rețeta de masă-energie a universului și poți calcula cât de repede se extinde universul. (De fapt, puteți face acest calcul acasă cu ustensilele matematice adecvate.)

Un proiect al unei echipe internaționale care folosește datele de fundal cosmice cu microunde a dedus o constantă Hubble de 67, substanțial mai mică decât 73 sau 74, pe baza măsurării efective a expansiunii (prin analizarea modului în care lumina de la exploziile îndepărtate de supernove a scăzut în timp).

Când această discrepanță a apărut pentru prima dată în urmă cu câțiva ani, mulți experți au crezut că este doar un miraj care s-ar estompa cu o măsurare mai precisă. Dar nu a fost.

„Acest lucru începe să devină destul de serios”, a spus Riess la întâlnirea de astronomie. „În ambele cazuri, acestea sunt măsurători foarte mature. Nu este prima dată pentru niciunul dintre aceste proiecte.”

O explicație propusă în mod obișnuit susține că studiile supernovei măsoară valoarea locală a constantei Hubble. Poate că trăim într-o bulă, cu mult mai puțină materie decât media, măsurători de expansiune oblice. În acest caz, datele de fundal cosmice cu microunde ar putea oferi o imagine mai bună a ratei de expansiune „globală” a întregului univers. Dar supernovele observate de telescopul Hubble se extind suficient de departe pentru a respinge această posibilitate, a spus Riess.

„Chiar dacă ai crezut că trăim într-un gol…, practic tot ești blocat cu aceeași problemă.”

În consecință, pare cel mai probabil că ceva este în neregulă cu rețeta materie-energie pentru univers (din punct de vedere tehnic, modelul standard cosmologic) utilizată pentru a face predicția ratei de expansiune. Poate că energia vidului care conduce accelerația cosmică nu este o constantă cosmologică până la urmă, ci un alt fel de spațiu care umple câmpul. Un astfel de câmp ar putea varia în putere în timp și ar putea arunca în calcul calculele bazate pe o energie constantă a vidului. Dar Riess a subliniat că dovezile sunt din ce în ce mai puternice că energia vidului este doar constanta cosmologică. „Aș spune că acolo avem din ce în ce mai puțin spațiu de mișcare.”

O altă posibilitate, care atrage mulți teoreticieni, este existența unei noi particule, poate un al patrulea neutrin sau a unei alte particule relativiste (care se mișcă foarte rapid) care se învârte în universul timpuriu.

„Particule relativiste – teoreticienii nu au probleme în a inventa altele noi, care nu încalcă nimic altceva”, a spus Riess. „Mulți dintre ei sunt destul de amețiți de perspectiva unor dovezi în acest sens. Așa că nu ar fi o distanță lungă.”

Alte ipoteze integrate în modelul standard cosmologic actual ar putea fi, de asemenea, nevoie să fie revizuite. Se presupune că materia întunecată, de exemplu, este foarte îndepărtată de alte forme de materie și energie. Dar dacă a interacționat cu radiația din universul timpuriu, ar putea avea un efect similar cu cel al particulelor relativiste, schimbând modul în care energia din universul timpuriu este împărțită între componentele sale. O astfel de schimbare a balanței energetice ar modifica cât de mult se extinde universul la începuturi, corupând calibrările necesare pentru a deduce rata de expansiune actuală.

Nu este prima dată când determinarea constantei Hubble a stârnit controverse. Edwin Hubble însuși a supraestimat inițial (în anii 1930) rata de expansiune. Folosind rata lui, calculele au indicat că universul era mult mai tânăr decât Pământul, o contradicție evidentă. Chiar și până în anii 1990, unele estimări constante ale Hubble sugerau o vârstă pentru univers sub 10 miliarde de ani, în timp ce multe stele păreau să fie cu câteva miliarde de ani mai vechi decât aceasta.

Eroarea inițială a lui Hubble ar putea fi urmărită din lipsa de cunoștințe astronomice. Supraestimările sale timpurii s-au dovedit a fi semnale ale unei distincții necunoscute anterior între diferite generații de stele, unele mai tinere și altele mai în vârstă, a subliniat Riess. Acest lucru a aruncat estimările distanței pentru unele stele pe care Hubble le-a folosit pentru a estima rata de expansiune. În mod similar, în anii 1990, rata de expansiune a implicat un univers prea tânăr, deoarece energia întunecată nu era cunoscută atunci că există și, prin urmare, nu a fost luată în considerare la calcularea vârstei universului.

Deci, discrepanța actuală, a sugerat Riess, ar putea fi, de asemenea, un semnal al unei necunoscute astronomice, fie că este o nouă particulă, noi interacțiuni ale materiei și radiații sau un fenomen și mai surprinzător – ceva care ar uimi cu adevărat un vizitator dintr-un alt univers.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried