Premiul Nobel fizica 2011Continuăm povestea despre descoperirile care le-au adus lui Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt şi Adam G. Riess Premiul Nobel pentru fizică în 2011. Citiţi în continuare despre cum a fost înţeles faptul că expansiunea Universului este accelerată.

 

 

Premiul Nobel pentru fizică 2011 (1)



Pitice albe explozive

Noua unealtă din arsenalul astronomilor este un soi special de stea explozivă, o categorie numită supernovă de tip Ia. Pe parcursul câtorva săptămâni, o singură asemenea supernovă poate emite atât de multă lumină cât o galaxie întreagă. Acest tip de supernovă reprezintă explozia unei stele bătrâne, extrem de compacte, la fel de grea precum Soarele, dar la fel de mică precum Pământul – o pitică albă. Explozia aceasta este pasul final din ciclul de viaţă al unei pitice albe.

O pitică albă se formează atunci când o stea nu mai deţine suficient combustibil, din cauza consumării hidrogenului şi heliului în urma reacţiilor nucleare. Îi mai rămân doar carbon şi oxigen. În acelaşi mod, în viitor, lumina Soarelui va scădea în intensitate, steaua se va răci, ajungând la finalul ciclului său de viaţă o pitică albă.

Un sfârşit mult mai palpitant o aşteaptă pe orice pitică albă ce face parte dintr-un sistem solar binar, lucru destul de comun în Univers. În acest caz, gravitaţia puternică a piticei albe “fură” din gazele stelei companion. Cu toate acestea, când pitica albă ajunge la 1.4 mase solare, nu mai reuşeşte să reziste. Când acest lucru se întâmplă, interiorul piticei albe devine suficient de fierbinte pentru declanşarea unor noi reacţii de fuziune nucleară, iar steaua este sfâşiată în doar câteva secunde.

 

 

Explozie supernovaExplozie supernova
O explozie a unei supernove. O pitică albă “fură” gazele companionului său, folosindu-şi gravitaţia (stânga). Când pitica albă a crescut la 1.4 mase solare, explodează, formând o supernovă de tip Ia (dreapta).




Produşii rezultaţi în urma reacţiilor de fuziune nucleară emit radiaţii care cresc rapid în intensitate pe parcursul primei săptămâni ulterioare exploziei, doar pentru a descreşte în următoarele luni. Aşa că există motive de grabă pentru găsirea unei supernove – exploziile acestora sunt scurte. Pe tot întinsul Universului vizibil, aproape 10 explozii de supernove Ia se întâmplă în fiecare minut, dar Universul este imens. Într-o galaxie tipică, doar una-două explozii de supernove Ia se întâmplă în decursul a mii de ani. În septembrie 2011 am fost norocoşi să observăm o asemenea supernovă într-o galaxie apropiată de constelaţia Carul Mare, vizibilă cu ajutorul unui binoclu obişnuit. Dar majoritatea supernovelor sunt mult mai îndepărtate, aşadar mai puţin luminoase. Deci, unde şi când te poţi uita pe bolta cerească?



O concluzie uimitoare

Cele două echipe concurente au ştiut că vor trebui să cerceteze cerul în detaliu pentru a găsi supernovele dorite. Metoda folosită a fost să compare două imagini ale aceleiaşi mici părţi a cerului, corespunzătoare dimensiunii unei unghii a unui deget de la mână privită de la o distanţă egală cu o lungime de braţ. Prima imagine trebuie să fie obţinută după luna nouă şi a doua la trei săptămâni mai târziu, înainte ca luna să diminueze lumina stelelor. Apoi, cele două imagini pot fi comparate în speranţa descoperirii unui mic punct luminos – un pixel între mulţi alţii pe senzorul DSC – acesta ar fi un semn care ar indica o supernovă într-o galaxie îndepărtată. Doar supernovele care se găsesc la mai departe de o treime din distanţa Universului observabil au fost folosite, pentru a elimina distorsiunile locale.

Cercetătorii au avut multe alte probleme. Tipul de supernovă Ia nu e tocmai la fel de demn de încredere precum a părut iniţial – cele mai luminoase explozii se sting mai lent. În plus, lumina supernovei trebuie să fie extrasă de pe fundalul luminos al galaxiei din care face parte. Altă sarcină a fost obţinerea strălucirii corecte. Praful intergalactic dintre noi și stele schimbă intensitatea luminii, iar aceasta afectează rezultatele calculului de determinare a strălucirii maxime a supernovei.

Goana după supernove a provocat nu numai limitele ştiinţei şi tehnologiei, dar şi pe cele ale logisticii. La început trebuie găsit tipul corect de supernovă. Mai apoi, trebuie măsurată deplasarea spre roşu şi intensitatea. Curba de lumină trebuie analizată în decursul timpului pentru a putea fi comparată cu alte supernove de acelaşi tip aflate la distanţe cunoscute. Asta presupune existenţa unei comunităţi de oameni de ştiinţă care pot decide rapid dacă o anume stea este considerată un candidat pentru observare. Aceştia au nevoie să schimbe şi să li se aprobe timpi de observare la telescoape fără întârziere, procedură care, de obicei, durează luni de zile. Au nevoie să acţioneze repede, deoarece supernova păleşte ca intensitate repede. Din când în când, drumul celor două echipe concurente se intersectează discret.


Supernova 1995arSupernova 1995ar

Supernova 1995ar. Două imagini ale aceleiaşi părţi a cerului luate la distanţă de trei săptămâni au fost comparate. Apoi, la a doua imagine, un mic punct luminos a fost descoperit! Statutul acestuia drept supernovă Ia a fost stabilit în urma unor observaţii amănunţite ale curbei de lumină. Tipul Ia de supernovă poate emite atât de multă lumină cât o întreagă galaxie. Curba de lumină este la fel pentru toate supernovele de tip Ia. Cea mai mare parte a luminii este emisă în decursul primelor câteva săptămâni (vezi diagrama de mai jos).

Diagrama intensitate



Potenţialele capcane au fost numeroase, iar oamenii de ştiinţă au fost încurajaţi de faptul că au ajuns la acelaşi rezultat uimitor: în total, aceştia au găsit în jur de 50 de supernove distante a căror lumină părea mai slabă în intensitate decât se credea. Această observaţie a fost contrară faţă de ce şi-au imaginat. Dacă expansiunea cosmică a încetinit, supernovele ar trebui să pară mai strălucitoare. Cu toate acestea, supernovele scădeau în intensitate cu cât se îndepărtau mai mult, încorporate în galaxiile din care făceau parte. Concluzia surpinzătoare a fost aceea că expansiunea Universului nu este încetinită – din contră, este una accelerată.

 



De aici până spre eternitate

Aşadar, ce face ca Universul să îşi mărească viteza? E vorba de energia întunecată, iar aceasta reprezintă o provocare pentru fizica modernă, o enigmă pe care nimeni nu a reuşit să o rezolve până în prezent. Câteva idei au fost propuse, cea mai simplă fiind reintroducerea constantei cosmologice a lui Einstein, cea pe care acesta odinioară a respins-o. La acea vreme, el a introdus constanta cosmologică ca o forţă anti-gravitaţională menită să se opună forţei gravitaţionale a materiei, dând astfel naştere unui Univers static. Astăzi, însă, constanta cosmologică pare să accelereze expansiunea Universului.

Constanta cosmologică este, desigur, constantă, şi de aceea nu se schimbă pe parcursul timpului. Deci energia întunecată devine dominantă atunci când materia şi gravitaţia corespunzătoare acesteia se "diluează" datorită expansiunii Universului pe o perioadă de miliarde de ani. Potrivit oamenilor de ştiinţă, asta ar explica de ce această constantă cosmologică a intrat în scenă atât de târziu în istoria Universului, acum doar 5-6 miliarde de ani. Cam pe la acel moment, forţa gravitaţională generată de materia din Univers a scăzut îndeajuns în intensitate în comparaţie cu constanta cosmologică. Până atunci, expansiunea Universului a fost una decelerată.

Constanta cosmologică ar putea origina în vid, spaţiul gol, care conform teoriei cuantice nu este niciodată complet gol. În schimb, vidul este ca un fel de supă cuantică ce clocoteşte, unde particulele virtuale de materie şi antimaterie apar şi dispar şi generează energie. Cu toate acestea, cea mai simplă estimare pentru cantitatea de energie întunecată nu corespunde cu toată cantitatea măsurată în spaţiu, care este de aproximativ 10120 de ori mai mare (1 urmat de 120 de zerouri). Această valoare constituie un decalaj gigantic şi încă neexplicabil între teorie şi observaţie – pe suprafaţa tuturor plajelor din lume nu sunt mai mult de 1020 (1 urmat de 20 de zerouri) fire de nisip.

Einstein si constanta cosmologica

Descoperirea. Accelerarea expansiunii Universului a fost proclamată drept “Descoperirea anului” în decembrie 1998, în revista Science. Pe copertă, Albert Einstein medita la natura constantei sale cosmologice, care tocmai revenise în prim-planul cosmologiei.

S-ar putea ca până la urmă energia întunecată să nu fie constantă. Poate se schimbă odată cu trecerea timpului. Poate că o forţă necunoscută generează doar ocazional energie neagră. În fizică sunt multe astfel de câmpuri de forţă numite colectiv “chintesenţă”, după denumirea grecească pentru al cincilea element. Chintesenţa ar putea accelera Universul, dar doar câteodată. Asta ar face imposibil de prevăzut soarta Universului.

Orice ar fi energia întunecată, se pare că nu va pleca nicăieri. Se potriveşte foarte bine cu puzzle-ul cosmologic la care fizicienii şi astronomii au lucrat multă vreme. Potrivit consensului actual, aproape 3/4 (3 pătrimi) din Univers sunt constituite din energie întunecată. Materia obişnuită, cea care se găseşte în galaxii, stele, oameni, flori reprezintă doar cinci la sută din Univers, iar materia rămasă este numită materie întunecată şi ne este deocamdată necunoscută.

 

Ingredientele Universului

Universul. Implicaţia descoperirii este aceea că 3 pătrimi din Univers reprezintă o formă necunoscută de energie, numită energie întunecată. Împreună cu la fel de necunoscuta materie întunecată, energia întunecată reprezintă 95% din Univers. Doar restul de 5% reprezintă materialul obişnuit din care sunt alcătuite galaxiile, stelele, florile şi oamenii.

Materia întunecată este încă unul din misterele unui cosmos în mare parte necunoscut nouă. Ca şi energia întunecată, materia întunecată este invizibilă. Aşadar le cunoaştem pe amândouă doar după efectele produse – una respinge, cealaltă atrage. Ceea ce au în comun este doar adjectivul “întunecat”.

Prin urmare, descoperirile laureaţilor Premiului Nobel pentru fizică din 2011 în fizică au ajutat la dezvăluirea unui Univers necunoscut ştiinţei în proporţie de 95%. Orice este de acum din nou posibil.

 

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