Premiul Nobel fizica 2011Adunarea Nobel a decis la 4 octombrie 2011 că Premiul Nobel pentru fizică va fi împărţit, jumătate revenindu-i lui Saul Perlmutter, iar jumătate împărţindu-se între Brian P. Schmidt şi Adam G. Riess. În continuare, povestea descoperirilor acestora.

 

 

 

Scris în stele



“Unii spun că lumea va sfârşi în flăcări… alţii spun că în gheaţă“.
Robert Frost, Foc şi gheaţă, 1920



Care este soarta Universului? Probabil va sfârşi îngheţat, dacă ne luăm după laureaţii Premiului Nobel de anul acesta. Aceştia au studiat cu atenţie mai multe stele ce au explodat, numite supernove, localizate în galaxiile îndepărtate, ajungând la concluzia că expansiunea Universului este accelerată.

Descoperirea a venit ca o surpriză chiar şi pentru laureaţii Nobel. Ceea ce au văzut poate fi comparat cu aruncarea unei mingii către în sus, în aer, acţiune în urma căreia, în loc ca mingea să se întoarcă, cum este normal, aceasta ar "fugi" din ce în ce mai repede şi în cele din urmă va dispărea  în înaltul cerului, gravitaţia nefiind capabilă să-i schimbe traiectoria. Un lucru asemănător chiar se întâmplă de-a lungul întregului Univers.

Expansiunea Universului
Universul este în expansiune



Expansiunea acestuia a început odată cu Big-Bang-ul, acum 14 miliarde de ani, dar a încetinit pe parcursul primelor miliarde de ani. În cele din urmă, a început să accelereze, iar această acceleraţie se crede că este controlată de energia întunecată, care la început constituia doar o mică parte din Univers. Dar pe măsură ce densitatea de materie a scăzut ca urmare a expansiunii, energia întunecată a devenit mai dominantă.

Accelerarea ratei de expansiune a Universului sugerează faptul că acesta se extinde ca urmare a acţiunii unei forme de energie încorporată în însăşi structura intimă a spaţiului. Această “energie întunecată” reprezintă o mare parte din Univers, mai mult de 70% şi este o enigmă, poate cea mai mare a fizicii moderne. Nu-i de mirare că ştiinţa cosmologiei a fost zdruncinată din temelii, atunci când rezultate similare au fost obţinute de două echipe diferite de cercetători în anul 1998,

Saul Perlmutter a condus una din echipele de cercetare ştiinţifică, Supernova Cosmology Project, iniţiativă ale cărei baze fuseseră puse cu un deceniu mai devreme,  în 1998. Brian Schmidt a condus cealaltă echipă de cercetători, care, către sfârşitul anului 1994 a lansat un proiect concurent, High-z Supernova Search Team, în care Adam Riess a jucat un rol crucial.

Cele două echipe de cercetare au concurat una cu cealaltă pentru a găsi cea mai îndepărtată supernovă din Univers. Stabilind distanţa până la supernovă şi viteza cu care aceasta se îndepărtează de noi, oamenii de ştiinţă sperau să ne dezvăluie soarta noastră cosmică. Aceştia s-au aşteptat să găsească semnale cum că expansiunea Universului ar încetini, fapt ce ar stabili un echilibru între foc şi gheaţă. Dar ceea ce au găsit a fost exact opusul – expansiunea era accelerată.

 

Privind la stele
Micuţă stea strălucitoare, mă întreb unde eşti





Cosmosul este în expansiune

Nu este prima dată când o descoperire astronomică revoluţionează ideile umanităţii despre Univers. În urmă cu doar 100 de ani, Universul era considerat un loc calm şi liniştit, nu mai mare decât galaxia noastră, Calea Lactee. Ceasul cosmologic era de încredere şi bătea constant, iar Universul era etern. Cu toate acestea, curând, o schimbare radicală urma să schimbe acest tablou.

La începutul secolului 20, astronomul american Henrietta Swan Leavitt a descoperit o modalitate de a măsura distanţele către stelele îndepărtate. În acea perioadă, femeilor care se ocupau cu astronomia le era interzis accesul la telescoapele foarte mari, dar erau frecvent angajate la sarcina migăloasă de a analiza tăbliţele fotografice. Henrietta Leavitt a studiat mii de stele cu luminozitate variabilă, numite cefeide, şi a descoperit că cele mai luminoase au perioade pulsatorii mai lungi. Folosind această informaţie, Leavitt a reuşit să calculeze luminozitatea intrinsecă a cefeidelor.

Dacă distanţa până la o singură cefeidă este cunoscută, distanţele până la celelalte cefeide pot fi stabilite – cu cât lumina acestora este mai slabă, cu atât stelele sunt mai îndepărtate. Astfel a apărut un soi de lumânare standard de încredere, un prim etalon pentru distanţele cosmice care este folosit şi în zilele noastre. Folosind cefeidele, astronomii aveau în curând să ajungă la concluzia că galaxia din care facem parte este doar una dintre multele galaxii din Univers. Iar în anii 1920, când astronomii au avut acces la cel mai mare telescop al vremii, situat pe muntele Wilson din California, ei au fost în stare să determine faptul că aproape toate galaxiile se distanţează de noi. Aceştia au studiat aşa-numita “deplasare spre roşu” care se întâmplă atunci când sursa de lumină se îndepărtează faţă de noi. Lungimea de undă a luminii creşte, iar cu cât este mai lungă unda, cu atât culoarea este mai mult deplasată spre roşu. Concluzia a fost aceea că galaxiile se îndepărtează între ele, dar şi de noi, iar cu cât sunt mai departe, cu atât se mişcă mai rapid – fapt cunoscut drept legea lui Hubble. Universul este în expansiune.

 

 

Etalon cosmic
Este nevoie de lumină cu intensitate constantă pentru a măsura distanţele dintre stele


Creşterea şi descreşterea constantei cosmologice


Ceea ce a fost observat în spaţiul cosmic fusese deja sugerat de calcule teoretice. În 1915 Albert Einstein a publicat Teoria Relativităţii Generale, care a reprezentat fundaţia înţelegerii Universului, de atunci până în prezent. Teoria descrie un Univers care trebuie ori să se micşoreze, ori să se extindă. Concluzia tulburătoare a fost atinsă acum un deceniu, înainte de descoperirea galaxiilor ce se îndepărtează de noi. Nici măcar Einstein nu s-a putut împăca cu faptul că Universul nu era static. Aşa că, pentru a opri expansiunea sa nedorită, Einstein a adăugat o constantă în ecuaţiile sale, numită de el “constantă cosmologică”. Mai târziu, Einstein va considera că introducerea constantei a fost o mare greşeală. Cu toate acestea, luând în considerare observaţiile făcute în 1997-1998 şi pentru care a fost decernat anul acesta Premiul Nobel, putem conchide: constanta cosmologică a lui Einstein – introdusă pe motive greşite – a fost, de fapt, genială.

Descoperirea expansiunii Universului a fost un prim pas inovator către noua concepţie standard, şi anume crearea Universului acum 14 miliarde de ani, în urma exploziei primordiale numită Big-Bang. Atât timpul, cât şi spaţiul au început să existe atunci. De atunci, Universul s-a aflat într-o stare de expansiune; la fel cu stafidele dintr-o prăjitură aflată la cuptor care se umflă, şi galaxiile se îndepărtează una de cealaltă datorită expansiunii cosmosului. Dar încotro ne îndreptăm?


Supernovele – o nouă unitate de măsură pentru Univers


Atunci când Einstein s-a debarasat de constanta cosmologică şi s-a predat ideii unui Univers non-static, acesta a asociat forma geometrică a Universului cu soarta acestuia. Este oare deschis sau închis, ori undeva la mijloc – un Univers plat?

Un Univers deschis este acela unde forţele gravitaţionale ale materiei nu sunt de ajuns pentru a opri expansiunea acestuia. Astfel, toată materia este diluată într-un spaţiu din ce în ce mai mare, mai rece şi mai pustiu. În schimb, într-un Univers închis, forţa gravitaţională este destul de puternică pentru a opri sau chiar a inversa expansiunea. Aşadar, Universul îşi va opri expansiunea, prăbuşindu-se în interiorul său, având parte de un sfârşit violent, numit  Marea Implozie (The Big Crunch). Totuşi, cei mai mulţi cosmologi ar prefera să trăiască într-un Univers mai simplu şi mai elegant din punct de vedere matematic: unul plat, în care expansiunea pare a se diminua. Universul ar putea astfel să se sfârşească nici în foc, dar nici în gheaţă. Dar nu există alegere. Dacă există o constantă cosmologică, expansiunea va continua să se accelereze, chiar dacă Universul este plat.

Laureaţii Premiului Nobel de anul acesta se aşteptau să măsoare o decelerare cosmică, adică să detecteze încetinirea expansiunii Universului. Metoda acestora este, în principiu, asemănătoare cu cea folosită de astronomii de acum mai bine de 6 decenii: localizarea unei stele distante şi măsurarea mişcărilor acesteia. Cu toate acestea, acest lucru poate suna mai simplu decât este în realitate. De la descoperirea cefeidelor de către Leavitt, multe altele au mai fost localizate la o distanţă chiar mai mare. Dar la distanţele pe care astronomii au nevoie să le vadă, miliarde de ani-lumină depărtare, cefeidele nu mai sunt vizibile. Etalonul cosmic trebuia mărit.

Supernovele – explozii stelare – au devenit noul standard de măsurare. Telescoapele mai sofisticate atât de pe Pământ, cât şi din spaţiu, dar şi computerele mai puternice, au creat posibilitatea ca în anii 1990 să se completeze mai multe piese din puzzle-ul cosmologic. Pentru aceasta, au jucat un rol crucial senzorii de imagine digitali - dispozitivul cu cuplaj de sarcină (DSC) – invenţia lui Willard Boyle şi George Smith, cărora le-a fost acordat Premiul Nobel în fizică în anul 2009.

 

 

Premiul Nobel pentru fizică 2011 (2)

 

Textul de mai sus reprezintă traducerea informaţiilor de popularizare oferite pe site-ul nobelprize.org după decernarea Premiului Nobel pentru fizică în anul 2011.
Traducere: Paul Pârvulescu