Misterul cat de mare este Universul nostru cu adevarat

(Credit de imagine:

NASA / JPL-Caltech

)

Cosmosul se extinde de la Big Bang, dar cat de repede? Raspunsul ar putea dezvalui daca tot ce credeam ca stim despre fizica este gresit.

L

Sa incepem prin a spune ca Universul este mare. Cand privim in orice directie, cele mai indepartate regiuni vizibile ale Universului sunt estimate la aproximativ 46 de miliarde de ani lumina distanta. Acesta este un diametru de 540 sextillion (sau 54 urmat de 22 de zerouri) mile. Dar aceasta este chiar cea mai buna presupunere a noastra – nimeni nu stie exact cat de mare este Universul.

Asta pentru ca nu putem vedea decat cat a calatorit lumina (sau mai exact radiatia cu microunde aruncata din Big Bang) de cand a inceput Universul. De cand Universul a izbucnit in existenta cu aproximativ 13,8 miliarde de ani in urma, de atunci s-a extins spre exterior. Dar, pentru ca nu cunoastem nici o varsta precisa pentru Univers, este dificil sa stabilim cat de departe se extinde dincolo de limitele a ceea ce putem vedea.

O proprietate pe care astronomii au incercat sa o foloseasca pentru a-i ajuta sa faca acest lucru este totusi un numar cunoscut sub numele de Constant Hubble.

„Este o masura a vitezei in care universul se extinde in momentul actual”, spune Wendy Freedman, astrofizician la Universitatea din Chicago care si-a petrecut cariera masurandu-l. „Constanta Hubble stabileste scara Universului, atat dimensiunea cat si varsta sa”. 

Ajuta sa te gandesti la Univers ca un balon care ar fi aruncat in aer. Pe masura ce stelele si galaxiile, precum punctele de pe suprafata unui balon, se indeparteaza unele de altele mai repede, cu atat este mai mare distanta dintre ele. Din perspectiva noastra, ceea ce inseamna acest lucru este cu cat o galaxie este mai departe de noi, cu atat mai repede se retrage.

Galaxia noastra, Calea Lactee, alearga departe de ceilalti din jurul ei, pe masura ce Universul se extinde (Credit: Allan Morton / Dennis Milon / Science Photo Library)

Din pacate, cu cat astronomii masoara acest numar, cu atat mai mult pare sa sfideze predictiile construite pe intelegerea noastra a Universului. O metoda de masurare a acesteia ne ofera in mod direct o anumita valoare, in timp ce o alta masurare, care se bazeaza pe intelegerea noastra a altor parametri despre Univers, spune ceva diferit. Fie masuratorile sunt gresite, fie exista ceva defect in modul in care credem ca functioneaza Universul nostru.

Dar oamenii de stiinta cred acum ca sunt aproape de un raspuns, in mare parte datorita noilor experimente si observatii care au ca scop aflarea exacta a ceea ce este cu adevarat Constanta Hubble.

„Ceea ce ne confrunta ca cosmologi este o provocare inginereasca: cum masuram aceasta cantitate cat mai precis si mai precis posibil?” spune Rachael Beaton, un astronom care lucreaza la Universitatea Princeton. Pentru a face fata acestei provocari, spune ea, necesita nu numai achizitionarea datelor pentru a le masura, ci verificarea incrucisata a masuratorilor in cat mai multe moduri posibil. „Din perspectiva mea de om de stiinta, acest lucru se simte mai degraba ca sa aduni un puzzle decat sa fii in interiorul unui mister al stilului Agatha Christie.”

Prima masuratoare a constantei Hubble din 1929 de catre astronomul al carei nume il poarta – Edwin Hubble – a pus-o la 500 km pe secunda pe megaparsec (km / s / Mpc), sau 310 mile / s / Mpc. Aceasta valoare inseamna ca pentru fiecare megaparsec (o unitate de distanta echivalenta cu 3,26 milioane de ani lumina) mai departe de Pamant, priviti, galaxiile pe care le vedeti se indeparteaza de noi cu 500 km / s (310 mile / s) mai repede decat cele cu un megaparsec mai aproape .

Peste un secol de la prima estimare a lui Hubble pentru rata de expansiune cosmica, acest numar a fost revizuit in jos, de nenumarate ori. Estimarile de astazi o situeaza undeva intre 67 si 74km / s / Mpc (42-46 mile / s / Mpc).

O parte a problemei este ca constanta Hubble poate fi diferita in functie de modul in care o masurati.

Cele mai multe descrieri ale discrepantei constante Hubble spun ca exista doua moduri de a-i masura valoarea – una priveste viteza cu care galaxiile din apropiere se indeparteaza de noi in timp ce a doua foloseste fundalul cosmic cu microunde (CMB), prima lumina care a scapat dupa Big Bang .

Putem vedea inca aceasta lumina astazi, dar datorita partilor indepartate ale universului care se indeparteaza de noi, lumina a fost intinsa in unde radio.

Aceste semnale radio, descoperite pentru prima oara accidental in anii 1960, ne ofera o perspectiva cat mai timpurie despre cum arata Universul.

Doua forte concurente – atractia gravitatiei si impingerea exterioara a radiatiei – au jucat un tragere de razboi cosmica cu universul inca de la inceput, ceea ce a creat tulburari care pot fi vazute inca in fundalul cosmic al microundelor ca mici diferente de temperatura.

Folosind aceste perturbari, este posibil sa se masoare cat de repede se extindea Universul la scurt timp dupa Big Bang si acest lucru poate fi apoi aplicat Modelului Standard de Cosmologie pentru a deduce rata de expansiune de astazi. Acest model standard este una dintre cele mai bune explicatii pe care le avem despre cum a inceput Universul, din ce este facut si ce vedem in jurul nostru astazi.

Tulburari minuscule in universul timpuriu pot fi vazute in fluctuatii in cea mai veche lumina din Univers – fundalul cosmic cu microunde (Credit: Nasa / JPL / ESA-Planck)

Dar exista o problema. Cand astronomii incearca sa masoare constanta Hubble, analizand modul in care galaxiile din apropiere se indeparteaza de noi, ei obtin o figura diferita.

„Daca modelul [standard] este corect, atunci va imaginati ca cele doua valori – ceea ce masurati astazi local si valoarea pe care o deduceti din observatiile timpurii ar fi de acord”, spune Freedman. – Si nu.

Cand satelitul Planck al Agentiei Spatiale Europene (ESA) a masurat discrepantele in CMB, mai intai in 2014, apoi din nou in 2018, valoarea care iese la constanta Hubble este de 67,4 km (41,9 mile) / s / Mpc. Dar aceasta este cu aproximativ 9% mai mica decat valoarea masurata de astronomi precum Freedman atunci cand se uita la galaxiile din apropiere.

Alte masuratori ale CMB in 2020 folosind Telescopul de cosmologie Atacama corelate cu datele de la Planck. „Acest lucru ajuta la excluderea existentei unei probleme sistematice cu Planck din cateva surse”, spune Beaton. Daca masuratorile CMB au fost corecte – a lasat una din doua posibilitati: fie tehnicile care utilizeaza lumina din galaxiile din apropiere erau oprite, fie Modelul standard de cosmologie trebuie schimbat.

Tehnica folosita de Freedman si colegii ei profita de un anumit tip de stea numita variabila Cepheid. Descoperite in urma cu aproximativ 100 de ani de un astronom numit Henrietta Leavitt, aceste stele isi schimba stralucirea, pulsand mai slab si mai stralucitoare in zile sau saptamani. Leavitt a descoperit cu cat steaua este mai stralucitoare, cu atat dureaza mai mult sa se lumineze, apoi sa se estompeze si apoi sa lumineze din nou. Acum, astronomii pot spune exact cat de stralucitoare este intr-adevar o stea, studiind aceste impulsuri de luminozitate. Masurand cat de stralucitor ni se pare pe Pamant si stiind ca lumina se estompeaza in functie de distanta, ofera un mod precis de masurare a distantei fata de stele. ( Cititi mai multe despre modul in care Henrietta Leavitt ne-a schimbat viziunea asupra Universului. )

Freedman si echipa ei au fost primii care au folosit variabilele Cepheid in galaxiile vecine cu ale noastre pentru a masura constanta Hubble folosind date de la Telescopul Spatial Hubble. In 2001, l-au masurat la 72 km (45 mile) / s / Mpc.

De atunci, valoarea studierii galaxiilor locale a oscilat in jurul aceluiasi punct. Folosind acelasi tip de stele, o alta echipa a folosit Telescopul Spatial Hubble in 2019 pentru a ajunge la o cifra de 74 km (46 mile) / s / Mpc. Apoi, doar cateva luni mai tarziu, un alt grup de astrofizicieni a folosit o tehnica diferita care implica lumina provenita de la quasari pentru a obtine o valoare de 73 km (45 mile) / s / Mpc.

Daca aceste masuratori sunt corecte, atunci sugereaza ca Universul s-ar putea umfla mai repede decat permit teoriile din Modelul standard de cosmologie. Ar putea insemna acest model – si odata cu acesta cea mai buna incercare a noastra de a descrie natura fundamentala a Universului – trebuie actualizata. In prezent, raspunsul nu este sigur, dar daca se dovedeste a fi cazul, atunci implicatiile ar putea fi profunde.

„S-ar putea sa ne spui ca lipseste ceva din ceea ce credem ca este modelul nostru standard”, spune Freedman. „Nu stim inca motivul pentru care se intampla acest lucru, dar este o oportunitate pentru o descoperire”.

Daca modelul standard este gresit, un lucru pe care l-ar putea insemna este modelele noastre din ce este format Universul, cantitatile relative de materie baryonica sau „normala”, materie intunecata, energie intunecata si radiatii, nu sunt chiar corecte. Si daca Universul se extinde intr-adevar mai repede decat am crezut, ar putea fi mult mai tanar decat cele acceptate in prezent de 13,8 miliarde de ani.

Stelele pulsatoare numite variabile cefidee ca aceasta pot fi utilizate pentru a masura distantele in Univers si a dezvalui cat de rapid se extinde (Credit: NASA / ESA / Hubble Heritage Team)

O explicatie alternativa pentru discrepanta este ca partea Universului in care traim este intr-un fel diferita sau speciala in comparatie cu restul Universului, iar aceasta diferenta distorsioneaza masuratorile. „Este departe de a fi o analogie perfecta, dar va puteti gandi la modul in care viteza sau acceleratia masinii dvs. se modifica daca urcati sau coborati pe un deal, chiar daca aplicati aceeasi presiune pedalei de gaz”, spune Beaton. “Cred ca este putin probabil sa fie cauza finala a discrepantei din constanta Hubble pe care o vedem, dar cred, de asemenea, ca este important sa nu neglijam munca depusa in aceste rezultate.”

Dar astronomii cred ca se apropie de a identifica ce este constantul Hubble si care dintre masuratori este corecta.

„Ceea ce este interesant este ca, cu adevarat, vom rezolva acest lucru intr-o ordine destul de scurta, indiferent daca este vorba de un an sau doi sau trei”, spune Freedman. “Sunt atat de multe lucruri care vin la orizont care vor imbunatati acuratetea cu care putem face aceste masuratori, incat cred ca vom ajunge la fundul acestui lucru.”

Unul este observatorul spatial ESA Gaia, care a fost lansat in 2013 si a masurat pozitiile a aproximativ un miliard de stele la un grad ridicat de precizie. Oamenii de stiinta folosesc acest lucru pentru a stabili distantele fata de stele cu o tehnica numita paralaxa. Pe masura ce Gaia orbiteaza soarele, punctul sau de vedere in spatiu se schimba, la fel ca daca inchizi un ochi si privesti un obiect, apoi privesti cu celalalt ochi, acesta apare intr-un loc usor diferit. Asadar, studiind obiecte in diferite perioade ale anului in timpul orbitei sale, Gaia le va permite oamenilor de stiinta sa lucreze cu precizie cat de repede se indeparteaza stelele de sistemul nostru solar.

O alta facilitate care va ajuta sa raspunda la intrebarea care este valoarea Hubble Constant este Telescopul spatial James Webb, care urmeaza sa fie lansat tarziu in 2021. Prin studierea lungimilor de unda in infrarosu, va permite masuratori mai bune care nu vor fi ascunse de praf. intre noi si stele.

Oglinda aurie segmentata cu 18 segmente a Telescopului spatial James Webb va captura lumina infrarosie de la unele dintre primele galaxii care s-au format (Credit: NASA / Desiree Stover)

Totusi, daca vor constata ca diferenta constanta Hubble persista, atunci va fi timpul pentru o noua fizica. Si, desi s-au oferit multe teorii pentru a explica diferenta, nimic nu se potriveste cu ceea ce vedem in jurul nostru. Fiecare teorie potentiala are un dezavantaj. De exemplu, s-ar putea sa existe un alt tip de radiatii in universul timpuriu, dar am masurat CMB atat de exact incat acest lucru nu pare probabil. O alta optiune este ca energia intunecata s-ar putea schimba in timp.

„Aceasta parea o cale promitatoare de urmarit, dar acum exista alte constrangeri cu privire la cat de mult s-ar putea schimba energia intunecata in functie de timp”, spune Freedman. „Ar trebui sa o faci intr-un mod foarte inventat si asta nu pare prea promitator”. O alternativa este ca a existat energie intunecata prezenta in universul timpuriu care tocmai a disparut, dar nu exista niciun motiv evident pentru care ar face acest lucru.

A fortat oamenii de stiinta sa viseze idei noi care ar putea explica ce se intampla. „Oamenii lucreaza foarte mult la asta si este interesant”, adauga Freedman. „Doar pentru ca nimeni nu si-a dat seama care este [explicatia] inca nu inseamna ca nu va exista o idee buna care va aparea”.

In functie de ceea ce dezvaluie aceste noi telescoape, Beaton si Freedman s-ar putea regasi in mijlocul unui mister demn de un roman Agatha Christie pana la urma. 

* Abigail Beall este un jurnalist stiintific independent si autor al The Art of Urban Astronomy .

–

Alaturati-va unui milion de fani Viitor placandu-ne pe  Facebook sau urmati-ne pe  Twitter  sau  Instagram .

Daca ti-a placut aceasta poveste,  inscrie-te la buletinul informativ saptamanal bbc.com , numit „Lista esentiala”. O selectie selectata de povesti de la  BBC Future ,  Culture ,  Worklife si  Travel , livrate in casuta de e-mail in fiecare vineri.

ARTICOLE SIMILAREDE LA ACELAȘI AUTOR