Cum universul a fost inițial foarte mic, undele gravitaționale generate la începuturile timpului trebuie să aibă o frecvență mare. Dar le putem detecta?
Începuturile universului, pe scurt
Universul, imediat după Big Bang, era un loc aglomerat, dens și fierbinte. Cele patru forţe fundamentale, forţa electromagnetică, forţa nucleară slabă, forţa nucleară tare şi forţa gravitaţională (OK, gravitația nu este o forță, după Einstein, dar așa s-au obișnuit oamenii, inclusiv fizicienii, să o numească...), erau combinate într-o singură forţă. Au apărut particulele elementare, cum ar fi quarcurile (care formează protonii şi neutronii din nucleul atomilor) ori electronii. Protonii şi neutronii au format primele nuclee.
Universul a intrat într-o expansiune super-rapidă, exponenţială, cunoscută sub numele de inflaţie.
După ce universul s-a mai răcit, protonii şi neutronii s-au cuplat pentru a forma elemente uşoare, precum hidrogenul, heliul şi litiul în cadrul unui proces numit „nucleosinteza Big Bang”.
La început universul este format dintr-o plasmă alcătuită din nuclee și electroni cuplați cu fotoni, dar la 380.000 de ani de la Big Bang supa de particule s-a răcit suficient pentru a permite electronilor să se ataşeze nucleelor şi să formeze atomi neutri din punct de vedere electric. În cadrul acestui proces, cunoscut sub numele de „recombinare", fotonii au devenit liberi, creând radiaţia cosmică de fond.
Harta radiaţiei cosmice de fond
→ Radiația cosmică de fond are o temperatură extrem de uniformă, de aproximativ 2,7 Kelvin și este izotropă (identică în toate direcțiile).
→ Totuși, dacă priviți cu atenție la harta radiaţiei cosmice de fond, veţi vedea că există variații minuscule în temperatură, unele locuri fiind puțin mai calde, iar altele sunt mai reci.
→ Astronomii folosesc o instalație precum Telescopul Planck pentru a măsura distanța între zonele mai calde şi cele mai reci de pe harta radiaţiei cosmice de fond, putând face o predicţie cu privire la valoarea constantei Hubble astăzi, care ne spune cât de rapid se extinde universul astăzi.
Cum să „sondezi” universul timpuriu după 13,8 miliarde ani
După fantastica detecție a undelor gravitaționale din 14 septembrie 2015, fizica a obținut o nouă modalitate de a măsura universul, pe lângă cea „clasică”, care constă în detecția luminii venite de la corpurile cosmice, în diferite frecvențe. Undele gravitaționale sunt ondulații ale continuului spațiu-timp generate de corpuri masive aflate în accelerare, cum ar fi două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte, înainte de a se contopi.
Undele gravitaționale produse în universul timpuriu se numesc „unde gravitaționale cosmologice”, spre a le deosebi de „undele gravitaționale astrofizice”, cele clasice, detectate în multiple rânduri din septembrie 2015 și până astăzi.
Undele gravitaționale cosmologice trebuie că au o frecvență mult mai mare decât cele astrofizice, dat fiind faptul că la începuturi universul este mult mai mic decât astăzi, după 13,8 miliarde de ani de expansiune accelerată.
Aceste unde primordiale nu au fost încă descoperite și nu este sigur că vor fi descoperite vreodată, dar fizicienii speră că vor reuși. Dacă, într-adevăr, vor reuși, aceasta ar fi o „fereastră” uluitoare către universul timpuriu, un instrument formidabil de a „vedea” începuturile universului.
Cum se propagă undele gravitaționale
Ce ar fi generat undele gravitaționale cosmologice?
Sunt multe posibile fenomene cataclismice din universul timpuriu ce ar fi putut genera acest tip de unde gravitaționale și care, dacă au fost într-adevăr generate, ar fi prezente astăzi în tot universul:
- o serie de explozii pe timpul cărora s-a transferat energie de la particule necunoscute implicate în inflație către particulele din modelul standard;
- procese implicând particule încă nedescoperite, precum axionii, care ar putea alcătui materia întunecată, ar fi putut genera, de asemenea, unde gravitaționale;
- evenimente cosmice generate de „stele bosonice” (stele ipotetice alcătuite din bosoni) ori de găuri negre primordiale (încă nedescoperite);
Cum ar arăta un detector de unde gravitaționale cosmologice?
Lungimea brațelor detectorului de unde gravitaționale Ligo are 4 km. Vesta bună este că pentru undele gravitaționale primordiale, cu lungimi de undă mici, nu este nevoie de mașini atât de mari. În plus, există avantajul că pentru acest tip de unde nu există zgomot care să interfereze cu semnalul util.
Dacă detectoarele de unde gravitaționale în uz pot detecta variații ale distanței (modificarea spațiului) de dimensiunea unui nucleu atomic, pentru detecția undelor gravitaționale cosmologice sensibilitatea aparaturii trebuie să fie mult mai bună. Progrese s-au făcut în acest sens, dar încă mai sunt necesare îmbunătățiri ale tehnologiei.
Detectarea undelor gravitaționale astrofizice a reprezentat un efort de cercetare și inovație tehnologică ce a durat 50 de ani. Un efort similar pentru detectarea undelor gravitaționale cosmologice este deja în desfășurare la Centrul pentru Cosmologie Teoretică Stephen Hawking (citiți mai multe aici).
Citiți și:
· Universul este în ultima sa eră, a energiei întunecate
Seria dedicată formării și evoluției universului:
· Formarea și evoluția structurii universului. (1) Galaxiile
· Formarea și evoluția structurii universului. (2) Roiurile de galaxii, vidurile și filamentele galactice
· Formarea și evoluția structurii universului. (3) Istoria evoluției universului, pe scurt
Credit imagine: TheConversation.
Articol inspirat din TheConversation
