Cu mai bine de zece ani în urmă, în timp ce măsurau temperatura universului, astronomii au descoperit ceva ciudat. Ei au descoperit că o porțiune de cer, care se întindea pe lățimea a 20 de luni, era neobișnuit de rece.
Astronomii măsurau radiația de microunde care scălda întregul univers, o relicvă luminoasă a big bang-ului. Să privești acest fond cosmic de microunde, sau CMB, înseamnă să întrezărești universul primordial, o perioadă în care acesta avea mai puțin de 400.000 de ani.
Ceea ce se conturează acum ca ipoteză de top este un supervoid cosmic
Combustimentul CMB acoperă cerul și arată cam la fel peste tot, arzând la o temperatură slab rece de 2,725 kelvins – cu doar câteva grade mai cald decât zero absolut. Dar, înarmați cu satelitul WMAP recent lansat, astronomii și-au propus să sondeze variații de temperatură de până la o parte la 100.000 de unități. Născute din spuma cuantică care a fost universul la o jumătate de clipă după big bang, aceste fluctuații aleatorii îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă din ce este alcătuit cosmosul și cum a apărut totul.
Și în mijlocul acestor fluctuații se distingea un punct rece. De-a lungul anilor, astronomii au venit cu tot felul de idei pentru a o explica, de la erori instrumentale până la universuri paralele. Dar acum, ei se îndreaptă spre un suspect principal: o peșteră enormă de vid numită supervoid cosmic, atât de mare încât ar putea fi cea mai mare structură din univers.
Potrivit teoriei, un astfel de vid vast, în care nu există nici o stea sau galaxie, poate lăsa o amprentă friguroasă în CMB. Răspunsul la mister, așadar, ar putea fi pur și simplu o mulțime de nimic. Cu toate acestea, enigmele rămân, iar cazul este departe de a fi închis.
Cum se face un punct rece
Punctul rece nu este singurul lucru ciudat din CMB. Oamenii de știință au descoperit alte câteva astfel de anomalii – de exemplu, semnalele de pe jumătate din cer par ușor mai puternice decât cele din cealaltă jumătate. Teoria standard a cosmologiei, care de altfel a fost profetică în prezicerea detaliilor CMB, nu poate explica pe deplin aceste ciudățenii, dintre care pata rece este una dintre cele mai proeminente.
Un punct foarte mare ar putea acționa ca un fel de lentilă distorsionantă
Cea mai simplă explicație pentru anomalii este că acestea sunt întâmplări, artefacte ale întâmplării printre fluctuațiile aleatorii de temperatură ale CMB. Atunci când arunci o monedă de o sută de ori, există întotdeauna o șansă să obții 20, 30 sau chiar 50 de capete la rând. Provocarea pentru oamenii de știință este să-și dea seama dacă aceste anomalii se datorează norocului sau unei monede ponderate. În ceea ce privește punctul rece, datele arată că probabilitatea ca acesta să fie o întâmplare este de una din 200. Nu este imposibil, dar nici probabil.
Câțiva oameni de știință au sugerat că pata rece s-a datorat unei erori instrumentale sau a modului în care au fost analizate datele. Dar în 2013, noi observații ale satelitului Planck au confirmat detecțiile anterioare ale petei reci. Și a cerut o explicație.
Ceea ce apare acum ca ipoteză de top este un supervoid cosmic. Toată materia din cosmos – galaxiile și materia întunecată invizibilă – se întinde prin spațiu într-o vastă rețea de foi, tendoane și filamente. Între ele se află buzunare de vid numite „goluri”, care au numeroase forme și dimensiuni. Unul foarte mare ar putea acționa ca un fel de lentilă distorsionantă, făcând ca CMB să pară mai rece decât este în realitate.
În timp ce un foton se mișcă în interiorul unui vid, universul continuă să se extindă din ce în ce mai repede
Motivul este următorul: Atunci când lumina călătorește printr-un vid, pierde energie și frecvența sa scade, deplasându-se spre capătul de frecvență mai joasă, mai roșu al spectrului. Ca majoritatea lucrurilor, lumina este sensibilă la influența gravitației, care poate acționa asupra fotonilor de-a lungul călătoriei lor. Cu toate acestea, în interiorul unui vid, lipsa materiei înseamnă că nu există aproape nicio gravitație care să influențeze lumina. Pentru un foton, a zbura printr-un vid este ca și cum ar urca pe un deal. Iar escaladarea necesită energie.
Dar fotonul poate recupera această energie. Odată ce iese din vid, se trezește din nou înconjurat de materie, iar influența gravitațională este suficientă pentru a trage asupra sa, injectându-i energia pe care o pierduse.
Pentru ca un foton să piardă energie, este nevoie de expansiunea accelerată a universului. În timp ce un foton se mișcă în interiorul unui vid, universul continuă să se extindă din ce în ce mai repede. În momentul în care fotonul părăsește vidul, constată că – datorită acestei întinderi cosmice – toată materia s-a împrăștiat. Deoarece materia este acum mai larg distribuită, efectul său gravitațional nu mai este la fel de puternic. Nu mai poate trage asupra fotonului cu aceeași forță ca înainte, iar fotonul nu mai poate recupera energia pe care a avut-o cândva.
Ar putea exista un vid la mai puțin de 3 miliarde de ani-lumină distanță
Fizicienii au calculat acest fenomen încă de la sfârșitul anilor 1960, dar nimeni nu l-a observat cu adevărat. Dar după descoperirea punctului rece, astronomi precum Istvan Szapudi de la Universitatea din Hawaii au început să caute dovezi ale acestui comportament, numit efectul integrat Sachs-Wolfe, sau ISW. În 2008, el l-a găsit.
Supervoidul uimitor
Szapudi nu a putut identifica golurile individuale care lasă amprente în CMB – nu a avut datele necesare pentru a face acest lucru. În schimb, el și echipa sa au căutat un efect ISW general într-o analiză statistică a 100 de goluri și roiuri de galaxii, a căror greutate gravitațională creează un efect de încălzire și lasă puncte fierbinți în CMB. Cercetătorii au găsit un efect ISW real, schimbând temperatura CMB cu o medie de aproximativ 10 milionimi de kelvin, sau 10 microkelvin.
În comparație cu punctul rece, care este cu aproximativ 70 de microkelvin mai rece decât media CMB, efectul este mic. Dar scopul a fost de a arăta că golurile pot crea puncte reci. Dacă un vid ar fi fost suficient de mare, ar fi putut, în mod imaginabil, să creeze punctul rece. „Dacă acest punct rece este cea mai mare anomalie din CMB, ar putea foarte bine să fie un semn al unui vid uriaș – un vid foarte rar în univers”, spune Szapudi. „Așa că m-am gândit că ar trebui să îl căutăm acum.”
Vidul este imens. Are o rază de 220 megaparsecs
Prima sa încercare, în 2010, s-a dovedit a fi goală. Dar datele au fost limitate, acoperind doar câteva puncte din interiorul locului. În mod intrigant, rezultatele au arătat, de asemenea, că ar putea exista un vid la mai puțin de 3 miliarde de ani lumină distanță.
Anul trecut, el și echipa sa au încercat din nou, de data aceasta cu mult mai multe date, acoperind de peste 200 de ori mai mult cer și cuprinzând întregul punct rece. Cu o acoperire mult mai mare – formată din mii de galaxii – acele indicii anterioare s-au coagulat într-un vid de bună credință. Datele au fost fără echivoc. „Suntem absolut siguri că există un vid”, spune Szapudi. „Mi-aș paria casa pe asta.”
Și vidul este imens. Are o rază de 220 megaparsecs, mai mult de 700 de milioane de ani-lumină, ceea ce îl face una dintre cele mai mari – dacă nu chiar cea mai mare – structură fizică din univers.
Un vid atât de mare este neobișnuit, existând poate doar o mână de viduri, spune Szapudi. Faptul că un vid atât de rar se suprapune peste punctul rece – el însuși o altă raritate – pare prea puțin probabil pentru a fi o simplă coincidență. Ceea ce este mai probabil, spune el, este că vidul cauzează pata rece. De fapt, el a calculat că acest scenariu este de 20.000 de ori mai probabil decât dacă cele două obiecte s-ar fi aliniat din întâmplare.
Alții nu sunt încă siguri. Pentru astronomi precum Patricio Vielva de la Universitatea din Cantabria din Spania, care a condus descoperirea petei reci în 2004, raritatea vidului este încă sub semnul întrebării. Dacă se dovedește că astfel de goluri sunt mai răspândite, atunci această aliniere nu ar mai fi atât de remarcabilă. Poate că este vorba doar de o coincidență. Acesta este motivul pentru care cercetătorii au nevoie de mai multe date pentru a evalua cât de rare sunt aceste supervoide. „În acest moment, cred că acesta este unul dintre cele mai importante lucruri de stabilit”, spune Vielva.
Nu este suficient de rece
Dar există o problemă mai mare.
Supervoidul nu poate face ca CMB să fie suficient de rece. Un supervoid de această mărime poate răci CMB doar cu 20 microkelvin. Cu toate acestea, punctul rece este în medie mai rece cu 70 microkelvin. În unele puncte, scăderea de temperatură este de 140 microkelvin.
Un posibil motiv din spatele discrepanței este că vidul este de fapt mai mare decât s-a măsurat. Dacă este așa, efectul său ISW ar fi mai puternic. Având în vedere incertitudinile măsurătorilor lui Szapudi, raza vidului s-ar putea întinde până la 270 megaparsecs. Cu toate acestea, spune Vielva, chiar și acest lucru nu este suficient de mare pentru a explica pata rece.
De fapt, conform teoriilor actuale ale cosmologiei, este posibil ca universul să nu fie capabil să formeze un vid suficient de mare. „Problema este că tipul de vid de care ai nevoie pentru acest efect este inexistent”, spune Vielva.
Mai multe observații vor permite astronomilor să obțină măsurători mai precise ale dimensiunii și proprietăților supervoidului
Dar dacă nu este un vid, atunci ce? Poate, spune Vielva, punctul rece se datorează unei texturi cosmologice, un defect în univers analog cu fisurile sau petele găsite în gheață. Pe măsură ce universul timpuriu a evoluat, a suferit o tranziție de fază similară cu ceea ce se întâmplă atunci când apa îngheață, transformându-se din lichid în solid. În gheață, apar defecte atunci când moleculele de apă nu se aliniază. În univers, s-ar putea obține texturi. În 2007, Vielva a ajutat la demonstrarea faptului că, dacă există o textură, aceasta ar putea crea punctul rece prin intermediul efectului ISW.
Texturile, totuși, sunt speculative și nimeni nu a văzut nicio dovadă că ele există. „Texturile sunt o idee frumoasă, dar nu avem nici un indiciu dacă aceste lucruri sunt realiste sau nu”, spune Rien van de Weijgaert, astronom la Universitatea din Groningen, Olanda.
Pentru majoritatea astronomilor, spune van de Weijgaert, un supervoid pare încă cea mai bună explicație. „Până acum, este considerată a fi una dintre cele mai credibile opțiuni”, spune el. „Este vorba de magnitudinea efectului asupra căruia s-ar putea avea unele întrebări, dar nu este de necrezut.”
Cu siguranță, ipoteza vidului este cu siguranță intrigantă, spune Vielva. Dar discrepanța de temperatură trebuie mai întâi să fie rezolvată.
Pur și simplu nu știm care este sfârșitul poveștii. Nu cred că știe nimeni
Mai multe date ar ajuta. De exemplu, mai multe observații vor permite astronomilor să obțină măsurători mai precise ale mărimii și proprietăților supervoidului. De asemenea, ele ar putea dezvălui dacă există un vid mai mic în prim-plan, ceea ce ar putea contribui la răcirea CMB. Poate că, punctul rece este atât de friguros pentru că supervoidul se întâmplă să fie, de asemenea, în fața unei regiuni a CMB care este deja puțin mai rece decât în mod normal.
Chiar dacă cifrele nu se potrivesc acum, nu este un motiv de îngrijorare. „În acest moment, deoarece incertitudinile sunt atât de mari, nu ar trebui să ne pierdem prea mult somnul din cauza acestui lucru”, spune Carlos Frenk, astrofizician la Universitatea din Durham, Marea Britanie. Bănuiala sa este că, cu mai multe date și analize, supervoidul va apărea ca fiind răspunsul corect. „S-ar putea foarte bine ca totul să se potrivească destul de bine”, spune el.
Dacă este așa, pata rece va reprezenta prima măsurătoare a unui obiect – un supervoid – care lasă o amprentă în CMB prin intermediul efectului ISW. Acest lucru este semnificativ în parte pentru că supervoidul este pur și simplu atât de mare. Supervoidul ar putea fi important și în alt mod: „Avem încă o modalitate de a studia energia întunecată, care este cel mai ciudat lucru din univers”, spune Szapudi.
Efectul ISW funcționează doar pentru că universul se extinde din ce în ce mai repede, iar forța misterioasă care împinge cosmosul în afară este energia întunecată. Prin măsurarea efectului ISW din supervoid, cercetătorii pot sonda influența energiei întunecate – și pot înțelege mai bine cum se comportă și ce este aceasta.
.