Unde gravitaţionaleOamenii de ştiinţă de la Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics din Statele Unite au anunţat ceea ce ei cred că reprezintă detectarea indirectă a undelor gravitaţionale în radiaţia generată după Big Bang. Descoperirea anunţată de către cercetătorii implicaţi în experimentul BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation) a stârnit un interes deosebit în rândul comunităţii ştiinţifice.

 

 

 

Descoperirea undelor gravitaţionale, ultima predicţie neconfirmată a teoriei relativităţii generale a lui Einstein, reprezintă un obiectiv foarte important pentru fizicieni.

 



Absolventul universitar Justus Brevik verifică telescopul BICEP2 utilizat pentru a găsi dovezi ale inflaţiei cosmice de acum 14 miliarde de ani.
Credit: EPA/Steffen Richter/Harvard University



Experimentul BICEP a furnizat dovezi indirecte privind existenţa undelor gravitaţionale. Premiul Nobel pentru fizică din anul 1993 a fost acordat lui Russell Hulse şi lui Joseph Taylor pentru descoperirea unui pulsar dublu care evidenţia existenţa acestor „valuri" din continuumul spaţiu-timp. De asemenea, prin descoperirea undelor gravitaţionale cunoaşterea Universului ar avansa într-un mod deosebit.

Înainte de acest anunţ s-a putut studia evoluţia Universului înapoi în timp până cu aproximativ un minut după Big Bang, datorită procesului de nucleosinteză ce a avut loc după evenimentul Big Bang (când au fost create elementele uşoare, cum ar fi hidrogenul şi heliul).

Noua descoperire le-a permis cercetătorilor să studieze Universul atunci când acesta avea o vârstă de o trilionime de trilionime de trilionime dintr-o secundă (10-36 s), atunci când s-a produs aşa-numita „inflaţie cosmică".

Inflaţia a fost o perioadă de expansiune accelerată din Universul timpuriu, dar înainte de a explica ce este ea şi de ce este atât de importantă, mai întâi câteva cuvinte despre ceea ce s-a detectat de fapt cu ajutorul telescopului BICEP.


Radiaţia cosmică de fond


Indiferent de direcţia de pe bolta cerească în care îşi îndreaptă astronomii de pretutindeni telescoapele există o sursă slabă de lumină. Imaginea formată din această lumină (microunde) este aproape perfect identică în toate direcţiile şi corespunde unei temperaturi de doar 2,72548 K peste zero absolut (sau de -270,42452 C).

Această radiaţie generată după producerea Big Bangului, numită radiaţia cosmică de fond (CMB - Cosmic Microwave Background), este o reminiscenţă a radiaţiei emise atunci când Universul era încă foarte tânăr, acesta având atunci o vârstă de doar 380.000 de ani.

De ce este radiaţia cosmică de fond atât de omogenă, indiferent de direcţie, a reprezentat una din cele mai mari mistere din cosmologia secolului al XX-lea.



Radiaţia cosmică de fond. Petele albastre corespund unor regiuni cu o temperatură mai scăzută (aproximativ 2,7253 K sau −270,4247 C), în timp ce petele roşii corespund unor regiuni cu o temperatură mai ridicată (aproximativ 2,7257 K sau -270,4243 C).
Credit: NASA/Echipa WMAP


O altă enigmă care i-a nedumerit pe astronomi a fost existenţa unor mici variaţii de temperatură în cadrul radiaţiei cosmice de fond care au fost identificate de satelitul COBE (pentru această descoperire s-a acordat Premiului Nobel în anul 2006) şi care apar sub forma unor pete albastre şi roşii în imaginea de mai sus care a fost obţinută de satelitul WMAP. Inflaţia oferă o soluţie pentru aceste probleme.

Inflaţia

Deci, ce a însemnat inflaţia pentru Universul timpuriu? Practic, teoriile inflaţiei sugerează că Universul s-a extins de la o dimensiune de 10-33 cm (scara Planck) până la o dimensiune de multe ori mai mare decât cea a Universului vizibil de astăzi (>>1028 cm).

Acest lucru înseamnă că o mică regiune din Universul timpuriu având aceeaşi temperatură s-a extins mai mult decât întregul Univers observabil, acest lucru explicând de ce radiaţia cosmică de fond observată în prezent are practic aceeaşi temperatură peste tot.

Mai mult decât atât, lumea de la o scară dimensională foarte mică (descrisă de mecanică cuantică) s-a extins în domeniul scărilor dimensionale foarte mari. Mecanica cuantică ne-a arătat că la o scară dimensională foarte mică totul fluctuează.




Telescopul BICEP2 din cadrul Dark Sector Lab aflat la staţia Amundsen-Scott de la Polul Sud.
Credit: Harvard University


După inflaţie aceste fluctuaţii mici s-au extins la o scară enormă devenind imperfecţiunile pe care le vedem în radiaţia cosmică de fond. Acestea au constituit seminţele gravitaţionale în jurul cărora s-au format galaxiile de mai târziu.

Explicaţia faptului că radiaţia cosmică de fond este atât de asemănătoare, indiferent de direcţia în care o privim, fără ca ea să fie însă perfect identică pretutindeni, este dată de inflaţie.

Mai există un indiciu prezis de inflaţie. Fluctuaţiile apar nu doar în radiaţia cosmică de fond în zonele în care se va forma materia obişnuită, ci şi într-un câmp gravitaţional din fundal care se imprimă delicat în lumina radiaţiei cosmice de fond.

Acest lucru nu poate fi văzut în hărţile obişnuite ale radiaţiei cosmice de fond (cum ar fi imaginea de mai sus), ci în modul de polarizare (direcţia după care lumina oscilează în timp ce se propagă prin spaţiu) al acesteia.


Polarizarea radiaţiei cosmice de fond


Telescopul BICEP studiază două tipuri de forme sau „moduri" de polarizare ale radiaţiei cosmice de fond denumite modul B şi modul E. Este relativ uşor să obţinem modurile E, acest model de polarizare a fost cunoscut încă din anul 2002 datorită telescopului DASI.

Este mult mai greu de a obţine modurile B de polarizare (corespunzătoare unui semnal mult mai slab). Acestea pot proveni doar de la lentila gravitaţională a luminii radiaţiei cosmice de fond datorită efectului produs de prezenţa galaxiilor sau a undelor gravitaţionale din Universul timpuriu care s-au extins la o scară enormă datorită inflaţiei. Modul B de polarizare care este indus de lentila gravitaţională a fost detectat anul trecut. Acum a venit rândul undelor gravitaţionale să ne permită observarea acestui model de polarizare al luminii.

Undele gravitaţionale din Universul timpuriu

Teoriile alternative la fenomenul de inflaţie nu prezic existenţa undelor gravitaţionale, astfel încât prezenţa modurilor B de polarizare ale luminii şi care au fost detectate de telescopul BICEP reprezintă o dovadă puternică nu doar a existenţei undelor gravitaţionale din fundal ci şi a procesului de inflaţie în sine.

Semnalul modului B de polarizare corespunzător undelor gravitaţionale este ceva mai puternic decât s-a estimat anterior în urma unor studii efectuate cu ajutorul satelitului Planck.

Acest rezultat presupune valori ale energiei la care are loc inflaţia apropiate de cele din teoria GUT (Grand Unified Theory) ceea ce înseamnă că inflaţia ar fi putut avea loc chiar mai devreme după evenimentul Big Bang.

De asemenea, rezultatul obţinut reprezintă o primă detecţie indirectă a undelor gravitaţionale din fundal. Până în prezent nu s-a obţinut nicio detecţie directă a radiaţiei gravitaţionale.

O primă detecţie directă a undelor gravitaţionale ar trebui să urmeze peste câteva luni atunci când observatorul de unde gravitaţionale Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (sau Advanced LIGO, mai pe scurt) va începe să funcţioneze. Se consideră că experimentul va detecta în mod direct radiaţia gravitaţională ce provine din surse astrofizice aflate în galaxiile din apropiere.

 


Undele gravitaţionale datorate inflaţiei generează un model răsucit, de intensitate slabă, dar distinctiv în polarizarea radiaţiei cosmice de fond cunoscut ca o „buclă" sau modul B de polarizare. Regiunile colorate în roşu şi albastru prezintă gradul de răsucire al acestui model de polarizare denumit modul B.
Credit: EPA/Harvard University


O perspectivă gravitaţională asupra originii Universului

În cazul în care anunţul transmis de cercetătorii implicaţi în proiectul BICEP este confirmat şi de alte experimente, acesta va reprezenta o confirmare a teoriei inflaţiei şi a existenţei undelor gravitaţionale.

Tot ceea ce ştim despre lumea din jurul nostru se bazează pe studiul luminii (a undelor electromagnetice). Cu toate acestea, această descoperire oferă posibilitatea de a se putea studia Universul cu ajutorul unui nou mijloc de observaţie reprezentat de undele gravitaţionale.

Cine ştie ce vom putea descoperi cu ajutorul lor? Am putea „vedea" explozia nucleelor stelare sau ciocnirile titanice dintre galaxii şi desigur vom putea studia momentele de început ale Universului, după cum ne-a arătat această descoperire.

În acest fel vom putea obţine informaţii cu privire la caracteristicile Universului la doar câteva momente după evenimentul Big Bang. Noua descoperire prezintă indicii cu privire la un nou domeniu al fizicii şi care va avea, probabil, cea mai mare importanţă în ceea ce priveşte fizica particulelor. O importanţă chiar mai mare decât recenta confirmare a bosonului Higgs.

Măsurătorile precise ale undelor gravitaţionale pentru diferite scări cosmice ne vor permite să testăm diferitele modele teoretice ale inflaţiei. Toate acestea ne vor ajuta să fim cu un pas mai aproape de înţelegerea evenimentului Big Bang.

Traducere de Cristian-George Podariu după hints-gravitational-big-afterglow cu acordul editorului