Un mare mister cosmic!

Frumoase sunt lucrurile pe care le vedem
Mai frumoase inca sunt cele pe care le intelegem
Dar cele mai frumoase sunt acelea pe care
Nu le putem cuprinde inca cu mintea
( Nicolaus Steno, Quotes)

In ultimii ani rublicile de stiinta ale revistelor au relatat despre doua uimitoare descoperiri care ii deruteaza pe fizicieni. Prima e ca 90% din materia universului este alcatuita dintr-o subsatanta necunoscuta, misterioasa, numita “materie intunecata”. Per ansamblul universului, materia intunecata depaseste cu mult masa stelelor si galaxiilor (materia vizibila, care este formata din atomi). Cealalta descoperire e ca 70% din energia universului e compusa dintr-o structura si mai misterioasa, numita “energie intunecata”.
Galaxiile sunt atat de vaste si de rarefiate, iar stelele sunt imprastiate atat de rar incat ciocnirile efective dinte stele individuale sunt extrem de rare. Daca toate stelele ar fi dezmembrate si atomii lor ar fi imprastiati uniform in univers, am obtine doar un atom la fiecare zece metri cubi de univers. Exista aproximativ tot atat de multi atomi sub forma gazului raspandit in spatiul intergalactic. Aceasta face in total 0,2 atomi pe metru cub, de douazeci si cinci de ori mai putin decat densitatea critica de cinci atomi pe metru cub, densitate care ar fi necesara ca gravitatia sa opreasca expansiunea cosmica. Rezulta ca universul contine extrem de putina materie formata din atomi.
Probabil cel mai important lucru invizibil dezvaluit de legea newtoniana a gravitatiei este “materia intunecata”. Probele privind existenta materiei intunecate sunt acum de necontestat. La finele anilor 1970 si in anii 1980, astofizicienii Vera Rubin si Kent Ford au descoperit ca stelele din regiunile exterioare ale galaxiilor spirale se rotesc mult prea repede in jurul centrelor galaxiilor. Una din legile lui Kepler, care decurge atat din teoria newtoniana, cat si din cea einsteiniana a gravitatiei, leaga viteza de rotatie pe orbita de cantitatea de masa din interiorul acesteia. Astfel din vitezele de rotatie observate poti deduce cum e distribuita masa in interiorul unei galaxii. Se dovedeste ca, pentru a explica vitezele obervate, e nevoie de mult mai multa masa in interiorul unei galaxii. Astronomii au explicit aceasta anomalie sugerand ca in galaxiile spirale exista mult mai multa materie decat vedem sub forma de stele, si ca gravitatia suplimentara furnizata de aceasta materie invizibila e cea care retine stelele exterioare. Per ansamblul universului, materia intunecata depaseste cu mult masa stelelor si galaxiilor (materia vizibila, care este formata din atomi).
O alta dovada a existentei materiei intunecate este “efectul de lentila gravitationala“, efect legat de curbarea luminii datorita gravitatiei. Telescopul Hubble a inregistrat imagini spectaculoase ale unor roiuri de galaxii aflate la o distanta de circa un miliard de ani lumina. Imaginile arata o multime de linii si arce palide: fiecare este o galaxie indepartata, de cateva ori mai departata decat roiul insusi, a carui imagine apare ca si cum ar fi fost vazuta printr-o lentila care produce distorsiuni. Roiul actioneaza ca o lentila care focalizeaza lumina ce o strabate. Astofizicienii au calculat, folosind ecuatiile relativitivitatii generale elaborate de Einstein, ca galaxiile vizibile din roi adunate la un loc, nu sunt suficient de grele pentru a produce o distorsiune atat de mare. Pentru a devia lumina venita de la galaxiile indepartate atat de mult, si a produce o distorsiune atat mare, roiul trebuie sa contina de zece ori mai multa masa decat vedem. Descoperim astfel ca materia intunecata reprezinta de sase ori mai multa materie decat cea pe care o vedem. Materia care emite lumina –galaxiile, stelele si norii de gaz incandescent- reprezinta doar o fractiune mica si atipica din ceea ce exista in realitate. Cea mai mare parte a materiei din univers nu emite lumina, nici caldura infrarosie, nici unde radio, nici orice tip de radiatie, si in consecinta este efectiv greu de detectat. Aceste uriase lentile naturale ofera un adevarat cadou astrofizicienilor interesati sa afle cum evolueaza galaxiile, deoarece fac vizibile galaxii foarte indepartate, care altfel ar fi palide pentru a fi vazute.
Nimeni nu stie din ce e alcatuita materia intunecata, dar cel mai plauzibili candidati sunt particule care interactioneaza foarte putin atat cu materia normala, cat si cu ea insasi. Probele acumulate in prezent privind existenta unei materii intunecate sunt acum aproape de necontestat. Marile roiuri de galaxii care constituie materia ce emite lumina, pot fi doar o picatura in oceanul materiei din univers. Masa materiei intunecate poate fi suficient de mare pentru a curba spatiul pana la inchiderea lui. Aceasta materie intunecata s-ar putea afla intr-o forma care sa nu semene cu nimic din ce am detectat pana acum in acceleratoarele noastre de particule. Aceasta ar fi ultima rasturnare copernicana a statutului nostru in universul material. Vedem, prin analogie, numai spuma alba de pe coama valurilor, nu si valurile masive ca atare. Trebuie sa ne privim habitatul ca pe un loc format in principal dintr-un material necunoscut si care pentru fizicieni reprezinta in prezent o mare, foarte mare provocare.
Atomii din care este format corpul nostru si cei care alcatuiesc toate stelele si planetele din univers sunt simpli constituenti infimi ai unui univers a carui structura pe scara mare e controlata de o substanta foarte diferita (si invizibila)-materia intunecata. Atomii obisnuiti par sa fie un constituent “minoritar” al universului inecat de alte tipuri total diferite de particule ramase din primele secunde ale Big Bang-ului. Dar atunci e mai mult decat o enigma sa intelegem de ce mai exista de fapt atomi – de ce nu e universul compus numai din materie intunecata. Deci, nu numai ca nu ne aflam in centrul universului, dar nici macar nu suntem alcatuiti din forma de materie predominanta in Univers.
In prezent mai multe grupuri de cercetatori din Marea Britanie, Germania, Italia (la Gran Sasso) si Statele Unite construiesc detectori subterani si incearca sa descopere aceste particule elementare care alcatuiesc materia intunecata. In urmatorii cativa ani speram sa obtinem rezultate spectaculoase din acest gen de experimente. Aceste detectoare ca de altfel si marele accelerator de la Geneva care a gasit deja bozonul Higgs, promit sa dezvaluie lucruri remarcabile despre univers, pe cai nebanuite inca.
O alta clasa de observatii ne conduce la energia intunecata. Astronomii au descoperit energia intunecata in 1998. Mai precis, ei au observant ca ca ritmul expansiunii universului a crescut in acord cu o presiune universala negativa. Ei au dedus asta din masuratori ale deplasarii spre rosu, in spiritul lui Hubble, dar folosind supernovele in locul cefeidelor variabile. Fiind mult mai stralucitoare, supernovele permit accesul la distante mai mari.
Energia intunecata reprezinta vreo 70% din masa universului. Energia intunecata e mai indreptatita sa fie numita misterioasa, dar misterul are mai mult de-a face cu absenta, decat cu prezenta ei. Fizicienii stiau de mai bine de saptezeci de ani ca exista toate motivele ca spatiul sa fie umplut cu energie intunecata. Misterios nu e faptul ca energia intunecata exista, ci faptul ca exista atat de putina. Dar un lucru e clar: un pic mai multa energie intunecata ar fi fost fatala pentru existenta noastra.
In ce priveste energia intunecata, adoptam ideea lui Einstein ca ea reprezinta o densitate universala a spatiului insusi si ca e asociata cu o presiune universala negativa. Albert Einstein si-a formulat teoria gravitatiei, Relativitatea generala, in 1915. La scurt timp, in 1917, el s-a gandit sa modifice ecuatiile, introducand o “constanta cosmologica”. Din punct de vedere fizic, introducerea constantei cosmologice corespunde unei densitati nenule a spatiului insusi. Prin urmare, o valoare nenula a constantei cosmologice inseamna ca fiecare unitate de volum din spatiu contribuie cu o cantitate egala, nenula, la masa totala a universului, chiar daca (aparent) acolo nu e nimic.
Densitatea masurata a spatiului e extrem de mica. Contributia spatiului la masa unei galaxii e neglijabila in raport cu cea a materiei obisnuite(sau a materiei intunecate). Vidul din spatiul intergalactic fiind insa vast, aceasta minuscula densitate a spatiului, omniprezenta, ajunge sa domine masa totala a universului. Nimeni nu stie de ce diferite contributii mult mai mari, provenind din diferite surse- unele contributii pozitive, altele negative- conspira pentru a da tocmai acel rezultat final. E un mare mister cosmic!
Constanta cosmologica nu face decat sa recunosca ca posibilitatea ca spatiu-timp insusi, un material caruia relativitatea generala ii permite sa se curbeze si sa vibreze, sa posede deasemenea inertie.
In anii 1990, constanta cosmologica a fost rebotezata energie intunecata. Noua denumire reflecta faptul ca in fizica moderna densitatea spatiului nu e doar un simplu parametru care apare in reletivitatea generala, a carui valoare nu are nici o semnificatie. Intr-un univers plin de campuri cuantice agitate, ar fi de mirare daca spatiul n-ar avea inertie.
Un alt mister nedezlegat se refera la natura spatiului si timpului in punctul central al unei gauri negre. O consecinta directa a teoriei generale a relativitatii ne arata ca masa si energia enorme din centrul gaurii negre fac ca textura spatiului si timpului sa fie sfasiata, sa fie strapunsa de o singularitate spatiala. Fizicienii au tras concluzia ca din moment ce toata materia care a trecut linia orizontului evenimentelor este atrasa inexorabil spre centrul gaurii si, odata ajunsa acolo, nu mai poate fi recuperata, atunci insusi timpul sfarseste in centrul gaurii negre. Folosind ecuatiile lui Einstein unii fizicieni au sugerat ca aici s-ar putea afla o cale spre alt univers care se atasaza de al nostru in centrul gaurii negre.