_ Ce este energie întunecată? În interiorul universului nostru accelerat și în expansiune

Cu aproximativ 13,8 miliarde de ani în urmă, universul a început cu o expansiune rapidă pe care o numim Big Bang. După această expansiune inițială, care a durat o fracțiune de secundă, gravitația a început să încetinească universul. Dar cosmosul nu ar rămâne așa. La nouă miliarde de ani de la începutul universului, expansiunea sa a început să se accelereze, condusă de o forță necunoscută pe care oamenii de știință au numit-o energie întunecată.

Dar ce este mai exact energia întunecată?

Scurta raspunsul este: nu stim. Dar știm că există, face ca universul să se extindă într-un ritm accelerat, iar aproximativ 68,3% până la 70% din univers este energie întunecată.

Energia întunecată nu a fost descoperită până la sfârșitul anilor 1990. Dar originea sa în studii științifice se întinde până în 1912, când astronomul american Henrietta Swan Leavitt a făcut o descoperire importantă folosind variabilele Cefeide, o clasă de stele a căror luminozitate fluctuează cu o regularitate care depinde de luminozitatea stelei.

Toate stelele Cefeide cu o anumită perioadă (perioada unei Cefeide este timpul necesar pentru a trece de la luminoase, la slabe și din nou strălucitoare) au aceeași magnitudine absolută sau luminozitate - cantitatea de lumină pe care o emit. Leavitt a măsurat aceste stele și a demonstrat că există o relație între perioada lor obișnuită de luminozitate și luminozitate. Descoperirile lui Leavitt au permis astronomilor să folosească perioada și luminozitatea unei stele pentru a măsura distanțele dintre noi și stelele Cefeide din galaxiile îndepărtate (și propria noastră Cale Lactee).

În aceeași perioadă a istoriei, astronomul Vesto Slipher a observat galaxiile spirale folosind spectrograful telescopului său, un dispozitiv care împarte lumina în culorile care o alcătuiesc, la fel ca modul în care o prismă împarte lumina într-un curcubeu. El a folosit spectrograful, o invenție relativ recentă la acea vreme, pentru a vedea diferitele lungimi de undă ale luminii provenite din galaxii în diferite linii spectrale. Cu observațiile sale, Silpher a fost primul astronom care a observat cât de repede se îndepărta galaxia de noi, numită deplasare spre roșu, în galaxiile îndepărtate. Aceste observații s-ar dovedi a fi esențiale pentru multe descoperiri științifice viitoare, inclusiv pentru descoperirea energiei întunecate.

Deplasarea spre roșu este un termen folosit atunci când obiectele astronomice se îndepărtează de noi și lumina care vine de la acele obiecte se întinde. Lumina se comportă ca o undă, iar lumina roșie are cea mai mare lungime de undă. Deci, lumina care vine de la obiectele care se îndepărtează de noi are o lungime de undă mai mare, întinzându-se până la „capătul roșu” al electromagneticului.

Descoperirea deplasării către roșu galactic, relația perioadă-luminozitate a variabilelor cefeide și o nouă capacitate de a măsura distanța unei stele sau a unei galaxii a jucat în cele din urmă un rol în astronomii care au observat că galaxiile se îndepărteau de noi în timp, ceea ce a arătat cum se extinde universul. În anii care au urmat, diferiți oameni de știință din întreaga lume au început să pună cap la cap piesele unui univers în expansiune.

În 1922, omul de știință și matematician rus Alexander Friedmann a publicat o lucrare care detaliază posibilitățile multiple pentru istoria universului . Lucrarea, care s-a bazat pe teoria relativității generale a lui Albert Einstein, publicată în 1917, includea posibilitatea ca universul să se extindă.

În 1927, astronomul belgian Georges Lemaître, despre care se spune că nu era conștient de ideea lui Friedmann. de lucru, a publicat o lucrare care ține cont și de teoria relativității generale a lui Einstein. Și, în timp ce Einstein a afirmat în teoria sa că universul este static, Lemaître a arătat cum ecuațiile din teoria lui Einstein susțin de fapt ideea că universul nu este static, ci, de fapt, se extinde.

Astronomul Edwin Hubble a confirmat că universul se extindea în 1929, folosind observațiile făcute de asociatul său, astronomul Milton Humason. Humason a măsurat deplasarea spre roșu a galaxiilor spirale. Hubble și Humason au studiat apoi stelele cefeide din acele galaxii, folosind stelele pentru a determina distanța galaxiilor lor (sau a nebuloaselor, așa cum le numeau ei).

Au comparat distanțele acestor galaxii cu deplasarea lor spre roșu și au urmărit cât de departe este un obiect, cu atât este mai mare deplasarea lui spre roșu și cu atât se îndepărtează mai repede de noi. Perechea a descoperit că obiectele precum galaxiile se îndepărtează de Pământ mai repede cu cât sunt mai departe, cu peste sute de mii de mile pe secundă - o observație cunoscută acum sub numele de Legea lui Hubble sau legea Hubble-Lemaître. Universul, au confirmat ei, se extinde cu adevărat.

Extinderea se accelerează, arată supernovele

Oamenii de știință credeau anterior că expansiunea universului va fi probabil încetinită de gravitație în timp, o așteptare. susținut de teoria relativității generale a lui Einstein. Dar în 1998, totul s-a schimbat când două echipe diferite de astronomi care observau supernove îndepărtate au observat că (la o anumită deplasare spre roșu) exploziile stelare au fost mai slabe decât se aștepta. Aceste grupuri au fost conduse de astronomii Adam Riess, Saul Perlmutter și Brian Schmidt. Acest trio a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 2011 pentru această lucrare.

Deși supernovele slabe ar putea să nu pară o descoperire majoră, acești astronomi se uitau la supernove de tip 1a, despre care se știe că au un anumit nivel de luminozitate. . Așa că știau că trebuie să existe un alt factor care face ca aceste obiecte să pară mai slabe. Oamenii de știință pot determina distanța (și viteza) utilizând luminozitatea unui obiect, iar obiectele mai slabe sunt de obicei mai îndepărtate (deși praful din jur și alți factori pot face ca un obiect să se estompeze).

Acest lucru i-a determinat pe oamenii de știință la concluzia că aceste supernove erau doar mult mai departe decât se așteptau privind deplasările lor spre roșu.

Folosind luminozitatea obiectelor, cercetătorii au determinat distanța acestor supernove. Și folosind spectrul, au putut să-și dea seama deplasarea spre roșu a obiectelor și, prin urmare, cât de repede se îndepărtează de noi. Ei au descoperit că supernovele nu erau atât de apropiate pe cât se așteptau, ceea ce înseamnă că au călătorit mai departe de noi mai repede decât se anticipase. Aceste observații i-au determinat pe oamenii de știință să concluzioneze în cele din urmă că universul însuși trebuie să se extindă mai rapid în timp.

În timp ce au fost explorate alte explicații posibile pentru aceste observații, astronomii care studiază supernove și mai îndepărtate sau alte fenomene cosmice în ultimii ani. a continuat să adune dovezi și să construiască sprijin pentru ideea că universul se extinde mai rapid în timp, un fenomen numit acum accelerație cosmică.

Dar, pe măsură ce oamenii de știință au construit un argument pentru accelerația cosmică, ei au întrebat și: de ce ? Ce ar putea determina universul să se întindă mai repede în timp?

Intra în energia întunecată.

În acest moment, energia întunecată este doar numele pe care astronomii l-au dat misteriosului „ceva” care determină extinderea universului într-un ritm accelerat.

Energia întunecată a fost descrisă de unii ca având efectul unei presiuni negative care împinge spațiul spre exterior. Cu toate acestea, nu știm dacă energia întunecată are efectul vreunui tip de forță. Există multe idei care plutesc despre ce ar putea fi energia întunecată. Iată patru explicații principale pentru energia întunecată. Rețineți că este posibil să fie cu totul altceva.

Unii oameni de știință cred că energia întunecată este o energie fundamentală, mereu prezentă în spațiu, cunoscută sub numele de energie de vid, care ar putea fi egală cu constanta cosmologică, un termen matematic din ecuațiile teoriei relativității generale a lui Einstein. . Inițial, constanta a existat pentru a contrabalansa gravitația, rezultând un univers static. Dar când Hubble a confirmat că universul se extinde de fapt, Einstein a eliminat constanta, numind-o „cea mai mare gafă a mea”, potrivit fizicianului George Gamow.

Dar când s-a descoperit mai târziu că expansiunea universului se accelerează de fapt. , unii oameni de știință au sugerat că ar putea exista de fapt o valoare diferită de zero a constantei cosmologice discreditate anterior. Ei au sugerat că această forță suplimentară ar fi necesară pentru a accelera expansiunea universului. Aceasta a teoretizat că această componentă misterioasă ar putea fi atribuită ceva numit „energie de vid”, care este o energie de fundal teoretică care pătrunde în tot spațiul.

Spațiul nu este niciodată exact gol. Conform teoriei câmpului cuantic, există particule virtuale, sau perechi de particule și antiparticule. Se crede că aceste particule virtuale se anulează reciproc aproape de îndată ce apar în univers și că acest act de a ieși și de a ieși din existență ar putea fi posibil prin „energia vidului” care umple cosmosul și împinge spațiul spre exterior.

Deși această teorie a fost un subiect popular de discuție, oamenii de știință care investighează această opțiune au calculat câtă energie de vid ar trebui să existe teoretic în spațiu. Ei au arătat că fie ar trebui să existe atât de multă energie în vid, încât, la început, universul s-ar fi extins în exterior atât de repede și cu atât de multă forță încât nu s-ar fi putut forma stele sau galaxii, fie... nu ar trebui să existe absolut nici una. Aceasta înseamnă că cantitatea de energie de vid din cosmos trebuie să fie mult mai mică decât este în aceste predicții. Cu toate acestea, această discrepanță nu a fost încă rezolvată și chiar a câștigat supranumele „problema constantei cosmologice”.

Unii oameni de știință cred că energia întunecată ar putea fi un tip de fluid sau câmp energetic care umple spațiul, se comportă în un mod opus materiei normale și poate varia în cantitate și distribuție atât în ​​timp, cât și în spațiu. Această versiune ipotetică a energiei întunecate a fost supranumită chintesență după al cincilea element teoretic discutat de filozofii greci antici.

Unii oameni de știință au sugerat chiar că chintesența ar putea fi o combinație de energie întunecată și materie întunecată, deși două sunt considerate în prezent complet separate unul de altul. În timp ce cele două sunt ambele mistere majore pentru oamenii de știință, se crede că materia întunecată reprezintă aproximativ 85% din întreaga materie din univers.

Unii oameni de știință cred că energia întunecată ar putea fi un fel de defect al țesăturii universul însuși; defecte precum șirurile cosmice, care sunt ipotetice „riduri” unidimensionale despre care se crede că s-au format în universul timpuriu.

Unii oameni de știință cred că energia întunecată nu este ceva fizic pe care îl putem descoperi. Mai degrabă, ei cred că ar putea exista o problemă cu relativitatea generală și teoria gravitației a lui Einstein și cum funcționează ea la scara universului observabil. În cadrul acestei explicații, oamenii de știință cred că este posibil să ne modificăm înțelegerea gravitației într-un mod care să explice observațiile universului făcute fără a fi nevoie de energie întunecată. Einstein a propus de fapt o astfel de idee în 1919 numită gravitație unimodulară, o versiune modificată a relativității generale despre care oamenii de știință de astăzi cred că nu ar avea nevoie de energie întunecată pentru a înțelege universul.

Energia întunecată este unul dintre marile mistere. a universului. De zeci de ani, oamenii de știință au teoretizat despre universul nostru în expansiune. Acum, pentru prima dată, avem instrumente suficient de puternice pentru a pune aceste teorii la încercare și pentru a investiga cu adevărat marea întrebare: „Ce este energia întunecată?”

NASA joacă un rol esențial în misiunea Euclid a ESA (Agenția Spațială Europeană) (lansată în 2023), care va realiza o hartă 3D a universului pentru a vedea cum materia a fost destrămată de energia întunecată de-a lungul timpului . Această hartă va include observații ale miliardelor de galaxii găsite la 10 miliarde de ani lumină de Pământ.

Telescopul spațial roman Nancy Grace de la NASA, care va fi lansat până în mai 2027, este conceput pentru a investiga energia întunecată, printre multe alte subiecte științifice și va crea, de asemenea, o hartă 3D a materiei întunecate. Rezoluția lui Roman va fi la fel de clară ca cea a telescopului spațial Hubble de la NASA, dar cu un câmp vizual de 100 de ori mai mare, permițându-i să capteze imagini mai extinse ale universului. Acest lucru va permite oamenilor de știință să cartografieze modul în care materia este structurată și răspândită în univers și să exploreze modul în care energia întunecată se comportă și s-a schimbat în timp. Roman va efectua, de asemenea, un sondaj suplimentar pentru a detecta supernovele de tip Ia

Pe lângă misiunile și eforturile NASA, Observatorul Vera C. Rubin, susținut de o colaborare amplă care include Fundația Națională pentru Știință din SUA, care este în prezent în construcție în Chile, este, de asemenea, gata să sprijine înțelegerea noastră tot mai mare a energiei întunecate. Observatorul de la sol este de așteptat să fie operațional în 2025.

Eforturile combinate ale lui Euclid, Roman și Rubin vor introduce o nouă „epocă de aur” a cosmologiei, în care oamenii de știință vor colecta informații mai detaliate. ca niciodată despre marile mistere ale energiei întunecate.

În plus, telescopul spațial James Webb al NASA (lansat în 2021), cel mai puternic și cel mai mare telescop spațial din lume, își propune să aducă contribuții la mai multe domenii de cercetare și va contribui la studiile energiei întunecate.

Misiunea NASA SPHEREx (spectro-fotometrul pentru istoria universului, epoca reionizării și exploratorul de gheață), programată să fie lansată cel târziu în aprilie 2025, își propune să investiga originile universului. Oamenii de știință se așteaptă ca datele colectate cu SPHEREx, care va cerceta întregul cer în lumină infraroșie apropiată, inclusiv peste 450 de milioane de galaxii, să ne ajute să înțelegem mai bine energia întunecată.

NASA susține, de asemenea, o știință cetățeană. proiect numit Dark Energy Explorers, care permite oricui din lume, chiar și celor care nu au pregătire științifică, să ajute în căutarea răspunsurilor pentru energia întunecată.

În sfârșit, pentru a clarifica, energia întunecată nu este același lucru cu energia întunecată. materie întunecată. Principala lor asemănare este că încă nu știm ce sunt.

(Fluierul)