Credit imagine: Steffen Richter/HarvardUnde care se propagă în chiar textura Cosmosului ne permit să scrutăm înapoi în timp mai mult decât ar fi gândit cineva că este posibil, arătându-ne ce s-a întâmplat în primele fracţiuni de secundă de după Big Bang. Dacă se confirmă, descoperirea acestor unde primordiale va avea efecte perturbatoare în întreaga ştiinţă.

 

 

Aceasta vine în sprijinul predicţiilor cheie despre cum a început şi cum funcţionează Universul şi oferă un licăr de speranţă privind posibilitatea de a lega împreună două din teoriile fundamentale ale fizicii moderne. Ar putea chiar să aducă descoperitorilor un premiu Nobel.

Undele în chestiune sunt numite unde gravitaţionale şi sunt produse atunci când un obiect masiv accelerează prin textura spaţiu-timpului, cauzând perturbaţii ale acesteia. Ele apar în teoria de mare succes a relativităţii generale a lui Einstein, deşi ele nu au fost niciodată detectate în mod direct.

Recent, oamenii de ştiinţă ce lucrează în cadrul colaborării  BICEP2 de la Polul Sud au anunţat primele semne clare ale undelor gravitaţionale, găsite în hărţile primei lumini emise după Big Bang. Vârtejurile distinctive făcute de unde sunt mai pronunţate decât se aştepta echipa, deoarece modelele sugerau că undele gravitaţionale din această foarte timpurie perioadă ar fi incredibil de slabe şi poate chiar nedetectabile.

Echipa a petrecut trei ani eliminând explicaţii alternative, ca de exemplu praf în galaxia noastră, distorsiuni cauzate de gravitaţia unor galaxii mai îndepărtate şi erori introduse de telescopul însuşi. În două articole publicate online ei au anunţat un nivel de încredere mai mare decât 5 sigma. Cu alte cuvinte, şansele de a recepţiona acest semnal din întâmplare este mai mic decât 1 la 3.5 milioane.

Material pentru un premiu Nobel

"Este absolut năucitor că într-adevar le-am descoperit", spune membrul echipei Clement Pryke de la University of Minnesota în Minneapolis. "În adâncul inimii mele nu mă aşteptam la aşa ceva. M-am gândit că făcând asta vom găsi un semnal aşa de slab încât nu merită să încercăm mai mult de atât, existând multe alte lucruri bune de făcut în fizică. În loc de asta, semnalul este tare şi clar".

Articolele nu au fost încă formal revizuite pentru publicare într-o revistă, deşi ele vor apărea pe mult utilizatul server arxiv.org, cu acces deschis pentru articole de fizică, iar apoi vor fi trimise spre publicare. Rezultatele, de asemenea, au încă nevoie să fie confirmate de alte experimente. Dar fizicienii care au văzut articolele spun că, până acum, rezultatele par convingătoare. 

"Nici un experiment nu ar trebui luat prea în serios până când nu sunt şi altele care să vorbească în favoarea lui", spune Alan Guth de la Massachusetts Institute of Technology. "Dar mi se pare că aici avem un grup de mare încredere şi că ceea ce ei au văzut este definitiv".

Marc Kamionkowski de la Johns Hopkins University în Baltimore, Maryland, este chiar şi mai exuberant. "Aceasta este cea mai mare descoperire a secolului", spune el. "Dacă rezistă, iar eu cred că aşa va fi, atunci avem aici material de un premiu Nobel".

Semnal "învârtejit"

Bazat pe teoria sa a relativităţii generale, Einstein a prezis că gravitaţia de la corpuri masive aflate în interacţiune, ca de exemplu găuri negre ce se unesc, va crea perturbaţii în spaţiu-timp care se vor propaga spre exterior. Câteva experimente au căutat  aceste distorsiuni, ce spun multe, cauzate de aceste tipuri de unde gravitaţionale ce străbat Pământul.

În principiu, undele gravitaţionale vin într-o varietate de lungimi de undă care se întind de-a lungul unui spectru - aşa cum şi undele de lumină parcurg un spectru de la microundele de lungimi de undă mare prin lumina vizibilă până la razele gama de lungimi de undă scurtă.

Şi sunt şi alte locuri unde să căutăm diferitele lungimi de undă anticipate ale undelor gravitaţionale. Cosmologii sugerează că o creştere bruscă a Universului aflat în pruncie, numită inflaţie, ne va permite să vedem urmele undelor scurte pe hărţile radiaţiei cosmice de fond (cosmic microwave background, sau CMB), prima lumină emisă în Univers, la circa 380.000 de ani după Big Bang.

Guth şi colegii lui au propus pentru prima dată ideea de inflaţie în anii '80 ai secolului trecut pentru a explica o încreţitură a CMB; variaţiile de temperatură pe care le observăm sunt prea uniforme pentru ca materia să se fi expandat încet pornind de la un mic punct.  În loc de asta, spun ei, spaţiu-timpul s-a umflat precum un balon cu mai mult de 20 de ordine de mărime într-o fracţiune de secundă după Big Bang. Apoi expansiunea a încetinit la o rată mai liniştită.

Mergând la pol

Inflaţia ar fi întins chiar primele unde gravitaţionale create în timpul Big Bangului, luându-le de la lungimi de undă imperceptibile până la o mărime pe care o putem detecta în CMB. Aceasta are loc prin ceva numit polarizarea lor, care este orientarea undelor ei de lumină. În acelaşi fel în care lumina solară este polarizată la dispersia ei pe moleculele din atmosfera Pământului, CMB este polarizată la dispersia ei pe electronii din cosmos. Undele gravitaţionale fremătând îşi vor schimba uşor modelul de polarizare, răsucind CMB în vârtejuri distinctive numite moduri-B (vezi diagrama de mai jos).

Bicep2
Click pe imagine pentru a o mări.
Credit: BICEP2 şi New Scientist.


Hărţile anterioare ale temperaturii CMB sugerau că semnalele de la undele gravitaţionale primordiale vor fi foarte slabe. Asta părea să elimine multe dintre cele mai simple explicaţii propuse pentru inflaţie. Teoreticienii se ciorovăiesc de atunci dacă inflaţia a avut loc cu adevărat, câţiva dintre ei sugerând că putem arunca ideea cu totul, pentru a o înlocui cu un nou model al naşterii Universului. Dar cei mai mulţi au căzut de acord că descoperirea undelor gravitaţionale primordiale ar bate în cuie conceptul.

Rezultatele BICEP2 spun nu numai că inflaţia este reală, ele arată că semnalul este suficient de puternic pentru a pune înapoi în joc cele mai simple modele ale teoriei.

"Vedem un mare exces de energie şi arată exact ca şi semnalul de unde gravitaţionale pe care îl căutăm", spune Pryke. "Există o întreagă grădină zoologică de modele inflaţioniste, dar dacă ne uităm la cele mai simple, ele vor prezice valori în domeniul pe care îl vedem.

De la început până la sfârşit

În urma acestor rezultate oamenii de ştiinţă vor anticipa cu nerăbdare hărţile de polarizare de la proiecte ca experimentul POLARBEAR în Chile sau South Pole Telescope. Hărţi ale CMB aduse la zi, de la telescopul spaţial Planck, planificate pentru mai târziu în cursul acestui an, se aşteaptă să includă date referitoare la polarizare. A vedea semnale similare de la unul sau mai multe din aceste experimente ar fi un mare sprijin în favoarea rezultatelor BICEP2. Dar totuşi echipa va fi nevoită să explice de ce ei văd un semnal mult mai puternic decât cel prezis de hărţile de temperatură.

Cu undele gravitaţionale primordiale ferm în mână, oamenii de ştiinţă ar putea apoi începe să dezvăluie detalii ale Universului în chiar primele momente ale creaţiei. De exemplu, frecvenţa şi energia undelor văzute de BICEP2 arată că ele se propagau printr-o supă de particule care aveau o energie de circa 10 la puterea 16 gigaelectronvolti, sau de 10 trilioane de ori energia aşteptată a fi atinsă la Large Hadron Collider

"Dacă vă imaginaţi un accelerator de particule care ar putea atinge o asemenea scară, acesta ar trebui să fie atât de mare cât distanţa de aici până la cea mai apropiată stea", spune Pryke.

Rezultate cu consecinţe importante

Ceea ce stârneşte interesul este că rezultatele BICEP2 se potrivesc cu predicţiile pentru ceea ce fizicienii numesc teoria marii unificări. La energia foarte înaltă sugerată de BICEP2, trei forţe fundamentale din fizică - tare, slabă şi electromagnetică - ar trebui unite într-una singură. Pe măsură ce Universul se răcea şi scara energiilor scădea, forţa tare a fost prima care s-a desprins din această "uniune" şi teorii anterioare sugerează că acest eveniment ar fi putut declanşa inflaţia.

Noile observaţii nu dovedesc că teoria este corectă, dar sunt sugestive, spune Guth. Detecţia este, de asemenea, prima adiere a gravitaţiei cuantice, unul dintre cele mai spinoase puzzle-uri din fizica modernă. Chiar acum, teoriile mecanicii cuantice pot explica comportamentul particulelor elementare, dar ecuaţiile se năruie când gravitaţia se adaugă acestor teorii. Observarea undelor gravitaţionale în CMB înseamnă că gravitaţia şi teoria cuantică trebuie cumva să funcţioneze împreună.

"Dacă gravitaţia nu este cuantificată, inflaţia nu ar produce unde gravitaţionale", spune Guth. "Astfel că noi observăm realmente un efect direct cauzat de cuantificarea gravitaţiei şi este pentru prima oară când am văzut aşa ceva".

Baterea în cuie a inflaţiei ar putea arunca, de asemenea, o lumină asupra sfârşitului Universului. Guth şi colegii lui sunt în favoarea unei teorii numită inflaţia eternă care spune că Universul da naştere în mod constant unor mici universuri "de buzunar" în cadrul unui multivers aflat într-o nesfârşită expansiune. Noi trăim în unul dintre aceste buzunare, iar Cosmosul nostru va continua expansiunea la nesfârşit până când totul va deveni difuz, întunecat şi rece.

Dar alte buzunare vor continua să se nască, să inflaţioneze şi să crească pentru a produce stele, planete şi poate viaţă la o rată rapidă şi din ce în ce mai rapidă. "Viaţa în întregul ei are mari perspective", spune Guth.


Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului First glimpse of big bang ripples from universe's birth, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere:
Marian Stănică