Aceasta a fost la începutul anilor ’90. Observatorul Carnegie din Pasadena, California, este gol pentru vacanța de Crăciun. Wendy Friedman, singură în bibliotecă, lucra la o problemă uriașă și spinoasă: viteza de extindere a universului. Carnegie era un teren fertil pentru acest tip de muncă. Aici, în 1929, Edwin Hubble a văzut pentru prima dată galaxii îndepărtate care zburau de pe Calea Lactee, sărind în fluxul de extindere a spațiului. Viteza acestui flux a devenit cunoscută sub numele de constantă Hubble.
Munca liniștită a lui Friedman a fost curând întreruptă când colegul de astronom Allan Sandage, succesorul științific al lui Hubble, s-a repezit în bibliotecă și a condus și rafinat constanta Hubble timp de zeci de ani, apărând constant ritmul lent al expansiunii. Friedman a fost unul dintre ultimii care a susținut rate mai mari, iar Sandage a văzut explorarea ei eretică.
„Era atât de supărat”, își amintește Friedman, acum la Universitatea din Chicago, Illinois, „încât în acel moment mi-am dat seama că eram singuri în toată clădirea. Am făcut un pas înapoi și m-am gândit că nu lucrăm în cele mai prietenoase domenii ale științei."
Această confruntare a decăzut, dar nu complet. Sandage a murit în 2010, iar până atunci majoritatea astronomilor se convergeau asupra constantei Hubble a trupei înguste. Cu toate acestea, cele mai recente date, pe care Sandage însuși le-ar fi dorit, sugerează că constanta Hubble este cu 8% mai mică decât numărul principal. Timp de aproape un secol, astronomii au calculat-o măsurând cu atenție distanțele din partea cea mai apropiată a universului și deplasându-se tot mai departe. Dar recent astrofizicienii au măsurat o constantă exterioară, bazată pe hărți ale fundalului microundelor cosmice (CMB), declanșarea neobișnuită a Big Bang-ului, care a devenit fundalul universului vizibil. Făcând presupuneri despre modul în care impulsul de energie și materie din univers a schimbat rata de expansiune cosmică de când s-a format fundalul microundelor cosmice,astrofizicienii își pot lua graficele și ajusta constanta Hubble la universul local actual. Numerele trebuie să corespundă. Dar nu se potrivesc.
Poate că este ceva în neregulă cu una dintre abordări. Ambele părți caută defecte în metodele proprii și ale celorlalți, iar figuri superioare, precum Friedman, se grăbesc să își prezinte propriile propuneri. „Nu știm unde va duce acest lucru”, spune Friedman.
Dar dacă nu se ajunge la un acord, acesta va deveni o fisură a firmamentului cosmologiei moderne. Aceasta ar putea însemna că teoriile existente lipsește un ingredient care interferă între prezent și trecutul antic, țesut în lanțul de interacțiuni dintre CMB și constanta Hubble actuală. Dacă da, istoria se va repeta. În anii 90, Adam Riess, în prezent astrofizician la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore, Maryland, a condus una dintre echipele care au descoperit energia întunecată, o forță repulsivă care accelerează expansiunea universului. Acesta este unul dintre factorii de care trebuie să țină seama calculele CMB.
Acum echipa lui Riesz caută constanta Hubble în spațiul din apropiere și nu numai. Scopul său este nu numai să clarifice numărul, ci și să surprindă dacă se schimbă de-a lungul timpului, astfel încât nici energia întunecată nu o poate explica. Până în prezent, el nu prea înțelege ce poate fi factorul lipsă. Și este foarte interesat de ceea ce se întâmplă.
Video promotional:
În 1927, Hubble a trecut dincolo de Calea Lactee, înarmat cu cel mai mare telescop din lume la acea vreme, Telescopul Hooker de 2,5 metri, situat pe Muntele Wilson deasupra Pasadenei. El a fotografiat punctele spirale slabe pe care le cunoaștem acum ca galaxii și a măsurat înroșirea luminii lor în timp ce acestea se deplasează spre valuri lungi de lumină. Comparând redshift-ul galaxiilor cu luminozitatea lor, Hubble a ajuns la o concluzie interesantă: mai slab și, probabil, cu cât este mai departe o galaxie, cu atât ea a fost mai rapidă. În consecință, universul se extinde. Aceasta înseamnă că Universul are o vârstă finită, care a început cu Big Bang.
Contradicție cosmică
Dezbaterea despre constanta Hubble și rata de extindere a Universului au început să se joace cu o vigoare reînnoită. Astronomii au ajuns la o anumită dată folosind scara clasică a distanțelor sau observații astronomice ale universului local. Dar aceste valori intră în conflict cu estimările cosmologice făcute din hărți ale universului timpuriu și legate de zilele noastre. Din această controversă rezultă că creșterea universului poate alimenta ingredientul care lipsește.
Pentru a determina rata de expansiune - și constanta corespunzătoare - Hubble a avut nevoie de distanțe reale față de galaxii, nu doar de distanțe relative bazate pe luminozitatea aparentă a acestora. Prin urmare, el a început procesul laborios de construire a unei scări la distanță - de la Calea Lactee la galaxii vecine și nu numai, până la granițele extinderii spațiului. Fiecare treaptă a scării trebuie calibrată cu „lumânări standard”: obiecte care se mișcă, pulsează, se aprind sau se rotesc astfel încât să puteți spune exact cât de departe sunt.
Prima etapă părea destul de fiabilă: stele variabile numite Cefeide care cresc și scad luminozitatea pe parcursul mai multor zile sau săptămâni. Lungimea acestui ciclu indică luminozitatea interioară a stelei. Comparând luminozitatea observată a Cefeidului cu luminozitatea emanată de vibrațiile sale, Hubble a fost capabil să calculeze distanța până la acesta. Telescopul Mount Wilson a fost capabil să realizeze mai multe cefeide în galaxiile din apropiere. Pentru galaxiile îndepărtate, el a presupus că stelele strălucitoare din ele vor avea aceeași luminozitate internă. Chiar și în cele mai îndepărtate galaxii, sugerează Hubble, vor exista lumânări standard cu luminozitate uniformă.
Evident, aceste presupuneri nu au fost cele mai bune. Prima constantă publicată de Hubble a fost de 500 de kilometri pe secundă pe megaparsec - adică la fiecare 3,25 milioane de ani lumină în care a privit în spațiu, universul în expansiune împingea galaxii cu 500 de kilometri pe secundă mai repede. Acest număr a fost incorect și a presupus că universul avea doar 2 miliarde de ani, adică de aproape șapte ori mai puțin decât se crede astăzi. Dar acesta a fost doar începutul.
În 1949, construcția a fost finalizată pe telescopul de 5,1 metri de la Palomar din sudul Californiei, tocmai la timp pentru atacul de cord Hubble. El a predat mantaua lui Sandage, un observator care a petrecut deceniile următoare dezvoltând plăci fotografice în timpul ședințelor de noapte, lucrând cu aparatul telescop uriaș, tremurând de frig și având nevoie de pauze.
Cu rezoluția mai mare a Palomar și puterea ridicată de recoltare a luminii, Sandage a fost capabil să scoată cefeide din galaxii mai îndepărtate. De asemenea, și-a dat seama că stelele strălucitoare ale lui Hubble erau, în esență, grupuri de stele întregi. Erau mai strălucitoare în natură și, prin urmare, erau mult mai departe decât credea Hubble, ceea ce, printre alte ajustări, presupunea o constantă Hubble mult mai mică. În anii 1980, Sandage s-a stabilit la 50 de ani, pe care l-a apărat cu înverșunare. Unul dintre cei mai cunoscuți adversari ai săi, astronomul francez Gerard de Vaucouleurs, a sugerat o valoare de 50. Unul dintre cei mai importanți parametri în cosmologie s-a dublat literalmente.
La sfârșitul anilor 90, Friedman, după ce a supraviețuit abuzului verbal al lui Sandage, și-a pus sarcina de a rezolva acest puzzle cu un nou instrument, ca și cum ar fi fost conceput în mod deliberat pentru opera sa: Telescopul spațial Hubble. Viziunea sa clară asupra atmosferei a permis echipei lui Friedman să identifice pe Cepheids individuale de 10 ori mai departe decât Sandage cu Palomar. Uneori în aceste galaxii existau atât Cefeide, cât și balize mai luminoase - supernovele de tip Ia. Aceste stele pitice albe care explodează sunt vizibile prin spațiu și erup la o luminozitate constantă și maximă. Calibrate către cefeide, supernovele pot fi folosite singure pentru a sonda cel mai îndepărtat spațiu. În 2001, echipa lui Friedman a redus constanta Hubble la 72 plus sau minus 8, punând capăt feudei Sandage-de Vaucouleurs. „Am fost epuizat”, spune ea. "Am crezut,niciodată să nu te întorci să lucrezi la constanta Hubble ".
Edwin Hubble
Apoi a apărut un fizician care a găsit o modalitate independentă de a calcula constanta Hubble folosind cea mai îndepărtată și redshifted - fundalul cu microunde. În 2003, sonda WMAP a publicat prima sa hartă, care a arătat spectrele fluctuațiilor de temperatură în CMB. Această hartă nu a furnizat o lumânare standard, ci un criteriu standard: un model de pete calde și reci în supa primordială, creat de undele sonore care se încolăceau în întregul univers nou-născut.
Făcând câteva presupuneri despre ingredientele din acest bulion - sub formă de particule familiare, atomi și fotoni, unele substanțe invizibile suplimentare precum materia întunecată și energia întunecată - echipa WMAP a fost capabilă să calculeze dimensiunea fizică a acestor unde sonore primordiale. Poate fi comparată cu dimensiunea aparentă a undelor sonore înregistrate în spoturile CMB. Această comparație a dat distanța la fundalul microundelor și valoarea ratei de expansiune a Universului în acel moment inițial. Făcând presupuneri cu privire la modul în care particulele obișnuite, energia întunecată și materia întunecată au schimbat expansiunea de atunci, echipa WMAP a fost capabilă să aducă constanta în concordanță cu ritmul actual de tracțiune. Au dedus inițial o valoare de 72, în conformitate cu ceea ce a găsit Friedman.
Dar de atunci, măsurătorile astronomice ale constantei Hubble au arătat valori mai mari, deși eroarea a scăzut. În publicațiile recente, Riess a avansat folosind o cameră cu infraroșu instalată în 2009 la Telescopul Hubble, care poate determina ambele distanțe față de cefeizii de la Calea Lactee și scoate în evidență rudele lor cele mai îndepărtate, mai roșii, printre stelele mai negre care înconjoară în mod normal cefeidele. Ultimul rezultat dat de echipa Riess a fost 73.24.
Între timp, misiunea Planck (ESA), care a arătat CMB cu rezoluție ridicată și cu o precizie crescută a temperaturii, s-a oprit la 67,8. Conform legilor statisticilor, aceste două cantități sunt separate printr-un decalaj de 3,4 sigma - nu 5 sigma, care în fizica particulelor vorbește despre un rezultat semnificativ, dar aproape. „Este greu de explicat-o prin eroare statistică”, spune Chuck Bennett, astrofizician la Universitatea Johns Hopkins, care a condus echipa WMAP.
Fiecare parte îndreaptă un deget către celălalt. Georg Ephstatius, cosmologul principal al echipei lui Planck de la Universitatea din Cambridge, spune că datele lui Planck sunt „absolut de nezdruncinat”. O nouă analiză a rezultatelor Planck în 2013 l-a determinat să se gândească. El a descărcat datele Riesz și și-a publicat propria analiză cu o constantă Hubble mai mică și mai puțin precisă. El consideră că astronomi au căutat pentru o scară „murdară”.
Ca răspuns, astronomii susțin că fac o măsurare reală a universului modern, întrucât metoda de măsurare CMB se bazează pe multe ipoteze cosmologice. Dacă nu converg, spun ei, de ce să nu schimbăm cosmologia? În schimb, „Georg Ephstatius iese și spune:„ O să-mi regândesc toate datele”, spune Barry Mador de la Universitatea din Chicago, soțul și colegul lui Friedman încă din anii ’80. Ce sa fac? Nodul gordian trebuie tăiat.
Wendy Friedman credea că studiul ei din 2001 a dezvăluit constanta Hubble, dar controversele au domnit.
De partea astronomilor, există o metodă numită lentila gravitațională. În jurul unei galaxii masive, gravitația în sine denaturează spațiul, formând o lentilă uriașă care poate denatura lumina provenită dintr-o sursă de lumină îndepărtată ca un quasar. Dacă alinierea lentilei și a quasarului este sigură, lumina se va grăbi de-a lungul mai multor căi spre Pământ și va crea multe imagini ale galaxiei cu lentile. Dacă ai noroc, cvasarul se va schimba în luminozitate, adică intermitent. Fiecare imagine clonată va pâlpâi, dar nu în același timp, deoarece razele de lumină din fiecare imagine iau căi diferite prin spațiul distorsionat. Întârzierea dintre pâlpâiri indică diferența lungimilor traseului; prin potrivirea lor cu dimensiunea galaxiei, astronomii pot folosi trigonometria pentru a calcula distanța absolută față de galaxia cu lentile. Doar trei galaxii au fost măsurate cu atenție în acest fel, iar alte șase sunt în prezent studiate. La sfârșitul lunii ianuarie, astrofizicianul Sherri Suyu al Institutului Max Planck pentru Astrofizică din Germania și colegii ei au publicat cele mai bune calcule ale constantei Hubble. „Dimensiunea noastră se potrivește cu abordarea distanței scării”, spune Suyu.
Între timp, cosmologii au și tromburi în sus cu mâneca: oscilații acustice baryonice (BAO). Pe măsură ce universul se maturizează, aceleași valuri sonore care au fost imprimate pe CMB au lăsat aglomerații de materie care s-au transformat în grupuri galactice. Locația galaxiilor pe cer ar trebui să păstreze raporturile inițiale ale undelor sonore și, ca și înainte, compararea modelului aparent cu dimensiunea sa calculată efectivă determină distanța. La fel ca metoda CMB, metoda BAO permite realizarea unei presupuneri cosmologice. Dar în ultimii ani, el a menținut valorile constantei Hubble la fel cu Planck. Cea de-a patra iterație a Sloan Digital Sky Survey, un sondaj global de ceruri care mapează harta galactică, va ajuta la rafinarea acestor măsurători.
Aceasta nu înseamnă că echipele care concurează pentru scara distanțelor și CMB așteaptă pur și simplu alte modalități de soluționare a litigiului. Pentru a solidifica fundația scării la distanță, distanța față de cefeide în Calea Lactee, misiunea Gaia a Agenției Spațiale Europene încearcă să determine distanțele exacte până la un miliard de stele din apropiere, inclusiv cefeide. Gaia, care orbitează Soarele în afara Pământului, folosește cea mai fiabilă măsură: paralaxa sau deplasarea aparentă a stelelor în raport cu fundalul cerului, când nava spațială ajunge în puncte opuse în orbita sa. Atunci când întregul set de date Gaia va fi lansat în 2022, va oferi un motiv suplimentar pentru încrederea astronomilor. Riess a găsit deja indicii în favoarea constantei sale mai mari Hubble atunci când a folosit rezultatele preliminare ale Gaia.
Cosmologii speră, de asemenea, să-și consolideze măsurătorile cu Telescopul Cosmologic Atacama din Chile și cu Telescopul Polului Sud, care poate testa rezultatele de înaltă precizie ale Planck. Și dacă rezultatele refuză să convergă, atunci teoreticienii vor încerca să închidă decalajul. „Este bine când modelul se prăbușește. Validarea modelului nu este interesantă."
De exemplu, s-ar putea adăuga o particulă suplimentară la Modelul Standard al Universului. CMB oferă o estimare a bugetului total de energie la scurt timp după Big Bang, când a fost împărțit în materie și radiații cu energie ridicată. După cum rezultă din faimoasa formulă de echivalență E = mc2, energia a acționat ca materia, încetinind expansiunea spațiului cu gravitația sa. Dar materia este o frână mai eficientă. De-a lungul timpului, radiațiile - fotoni de lumină și alte particule de lumină precum neutrinii - s-au răcit și au pierdut energie, efectul gravitațional a slăbit.
În prezent sunt cunoscute trei tipuri de neutrini. Dacă ar exista un al patrulea, așa cum sugerează unii teoreticieni, ar exista ceva mai mult pe partea de radiații în bugetul inițial de energie al universului, iar această parte s-ar disipa mai repede. Aceasta, la rândul său, ar însemna că universul timpuriu se extinde mai repede decât prevede lista de ingrediente a cosmologiei moderne. În viitor, această adăugare ar putea concilia două rezultate diferite. Însă detectoarele de neutrino nu au dezvăluit încă niciun indiciu al neutrinilor de tip 4, iar alte măsurători ale Planck au limitat cantitatea totală de radiații în exces.
O altă opțiune este așa-numita energie întunecată fantomă. Adevăratele modele cosmologice înseamnă putere constantă prin energia întunecată. Dacă energia întunecată devine mai puternică în timp, ar explica de ce cosmosul se extinde mai repede astăzi decât s-ar crede că ar privi universul timpuriu. Cu toate acestea, energia întunecată variabilă pare complet redundantă. Cosmologii și astrofizicienii sunt înclinați să creadă că problemele se află în metodele existente mai degrabă decât în fizica nouă.
Friedman consideră că singura soluție - de a lupta cu focul - constă în noi observații ale universului. Împreună cu Mador, se pregătesc să efectueze o măsurătoare separată, calibrată nu numai pentru cefeide, ci și pentru alte tipuri de stele variabile și uriași roșii strălucitori. Cele mai apropiate exemple pot fi studiate folosind un telescop automat cu 30 de centimetri lățime, iar cele îndepărtate vor ajuta la explorarea telescoapelor spațiale Hubble și Spitzer. După ce a reușit să facă față Sandage-ului întunecat și violent, este pregătită să răspundă provocării îndrăznețe a echipei Planck și Riesz.
„Au spus că am greșit. Ei bine, hai să vedem”, glumește ea.
ILYA KHEL
