Ce ştim şi ce vrem să ştim despre Universul "întunecat"

Restul este materie întunecată (23 de procente) şi energie întunecată (72 de procente). Se pare că nu au nimic în comun, decât inabilitatea noastră de a le vedea direct cu instrumentele la îndemână şi profunda lor influenţă asupra Universului vizibil, scrie http://www.symmetrymagazine.org.

Ca şi exploratorii aflaţi la marginea unei noi frontiere, vrem să ştim mai mult. Vrem să ştim de ce galaxiile rămân împreună în loc să se destrame, de ce Universul se extinde din ce în ce mai repede şi cum de umbra unei lumi alcătuită din particule invizibile, neaşteptate şi/sau forţe şi/sau lucruri pe care nici nu ni le putem imagina, se poate întreţese cu lumea noastră.

Vrem să ştim ce este "chestia" asta întunecată.

Urmărire pasionantă

Urmărirea materiei întunecate şi a energiei întunecate este una dintre cele mai incitante provocări ale fizicii şi este purtată pe aproape orice front imaginabil: adânc în subteran şi departe în spaţiu, la uriaşa scară a Cosmosului şi pe infinitezimal de mica scară a particulelor subatomice, cu undele sonore de la Big Bang şi cu strălucitoarele rămăşiţe ale stelelor ce au explodat.

Deşi vor trece ani mulţi de cercetare până la dezvăluirea naturii materiei întunecate şi a energiei întunecate, puţini oameni de ştiinţă se îndoiesc de existenţa lor; amprenta lor distinctă se află pretutindeni în Cosmos, modelând creşterea şi evoluţia structurilor la scară mare, ca de exemplu, filamentele galactice şi norii galactici pe care îi vedem 
astăzi.  

Acum oamenii de ştiinţă cred că se închide cercul.

Teoria, observaţiile şi simulările complicate pe computer, converg toate către anumite particule candidat şi promit tehnici ce par să ne spună, în sfârşit, din ce este alcătuită 
materia întunecată.

"Ar trebui să putem vedea particule reale de materie întunecată chiar acolo unde se desfăşoară generaţia actuală de experimente", spune Glen Crawford, directorul Diviziei de Cercetare şi Tehnologie a Biroului de Fizica Energiilor Înalte de la Departamentul de Energie al SUA, care este unul din finanţatorii principali ai proiectelor de Univers întunecat. "Oamenii tot vin cu idei novatoare de a face aceste experimente de materie întunecată".

În ceea ce priveşte energia întunecată, oamenii de ştiinţă nu ştiu aproape nimic despre ea. Dar, în următorii 10 până la 15 ani, proiectele planificate sau cele deja în curs de 
desfăşurare, vor trasa creşterea şi evoluţia Universului mai precis şi mai departe în trecut, rafinând măsurătorile cheie care oferă indicii clare a ceea ce este energia întunecată.

Materia întunecată

Primul indiciu că Universul întunecat există a apărut în anii 1930, când s-a înţeles că trebuie să existe mai multă masă în roiurile de galaxii pe care le vedem; altfel acestea ar 
trebui să se destrame. Această masă invizibilă este materia întunecată.

Deşi materia întunecată nu emite nici o lumină, ea interacționează cu restul Universului prin gravitaţie şi asta ne oferă o cale de a o descoperi. Atracţia gravitaţională a nevăzutei materii întunecate curbează lumina venind de la obiectele îndepărtate. Analizând aceste distorsiuni, oamenii de ştiinţă au găsit halouri de materie întunecată de formă neregulată, înconjurând multe galaxii, inclusiv pe a noastră. Au găsit de asemenea o sferă uriaşă de materie întunecată care s-a separat de materia obişnuită când galaxiile din roiul galactic Bullet s-au ciocnit.

Nu toţi oamenii de ştiinţă sunt convinşi că materia întunecată poate explica toate acestea. Există, de exemplu, o teorie rivală, care susţine că aceste observaţii pot fi explicate prin modificarea gravitaţiei.

Dar consensul până acum este că materia întunecată există cu adevărat. Şi după luarea în considerare a diferitelor forme pe care le-ar putea lua, cea mai mare atenţie se 
concentrează asupra a doi candidaţi: WIMP şi axionii.

Faceţi cunoştinţă cu WIMP

WIMP sau Weakly Interacting Massive Particle (Particule Masive cu Interacţiune Slabă) se consideră a fi abundente - după o estimare, un miliard dintre ele străbat corpurile noastre în fiecare secundă - dar sunt foarte timide. Şansa ca o particulă WIMP să interacţioneze cu nucleul unui atom este incredibil de mică. Există şansa ca o particulă WIMP pe an să interacţioneze cu un nucleu atomic din interiorul tău.

Dar această interacţiune foarte slabă cu materia obişnuită oferă oamenilor de ştiinţă o a doua cale, alta decât gravitaţia, de a detecta materia întunecată. Ei instalează detectoare făcute dintr-un material foarte dens şi ultrapur, plasate adânc în subteran pentru a ecrana celelalte particule şi aşteaptă ca particule WIMP să le străbată. Dacă, şi când, o particulă WIMP ciocneşte nucleul unuia dintre atomii detectorului, va clătina acel nucleu mişcându-l numai puţin din loc, producând un licăr de căldură sau lumină care poate fi înregistrat şi analizat. Particula WIMP îşi vede liniştită de drumul ei.

Aceste "experimente de detecţie directă" este posibil să fi observat deja particule WIMP.

În conformitate cu teoria, mişcările sistemului nostru solar prin haloul de materie întunecată al galaxiei noastre ar trebui să producă, din punctul nostru de vedere, "un vânt de particule WIMP", spune Lauren Hsu, un astrofizician specializat în particule de la Laboratorul Acceleratorului Naţional Fermi. Orbita anuală a Pământului în jurul Soarelui va cauza fluctuaţii ale acestui vânt, astfel încât mai multe particule WIMP lovesc detectoarele în iunie decât în decembrie. Acesta este modelul pe care a început să-l vadă la mijlocul anilor 1990 DAMA/LIBRA, un experiment desfăşurat adânc în subteran, sub munţii Apenini din Italia.

Totuşi, în timp ce două alte experimente au raportat a fi văzut ceva similar, de fapt nu a fost exact acelaşi lucru, iar alţii nu au observat nici un asemenea efect. Astfel încât, juriul încă deliberează şi cercetătorii continuă să caute căi de a înţelege ceea ce au descoperit cei de la DAMA/LIBRA.

Astăzi, circa o duzină de experimente cu detecţie directă sunt situate confortabil la adâncime, în caverne din America de Nord, Europa şi Asia. Ele includ Cryogenic Dark Matter Search (Căutarea Criogenică a materiei întunecate) în Laboratorul Subteran Soudan din Minnesota; XENON100, la 1700 de metri sub stâncă la Laboratorul Naţional Gran Sasso din Italia; Marele Experiment Subteran Xenon sub  Black Hills din Dakota de Sud; şi XMASS, recepţionând date în mina Mozumi din Japonia.

Cum oamenii de ştiinţă continuă să crească mărimea detectoarelor, puritatea şi sensibilitatea lor, şansa unei descoperiri fără echivoc a WIMP este din ce în ce mai mare.

"Cred că acum este un moment special" ,spune  Laura Baudis, fizician experimentator, specialistă în fizica astroparticulelor de la Universitatea Zurich, "deoarece am avut nevoie de mai mult de 10 ani, chiar 15 ani, pentru a dezvolta tehnologia care era necesară pentru a testa această foarte slabă interacţiune a materiei întunecate cu materia obişnuită. Acum am ajuns, cel puţin cu o parte din tehnologie, la nivelul la care putem construi detectoare mari".

Între timp, oamenii de ştiinţă au cercetat amănunţit cerul pentru semnale indirecte de activitate a particulelor WIMP.

Conform teoriilor prevalente, toate particulele WIMP care au existat vreodată au fost create în nanosecunda de după Big Bang. De atunci numărul lor a descrescut uşor, deoarece ele se dezintegrează, (destul de rar), în alte particule sau se întâlnesc cu corespondentele lor din antimaterie şi se anihilează. Căutările indirecte pe WIMP, incluzând Telecopul Spaţial în raze Gama Fermi, aflat pe orbită, şi satelitul PAMELA, caută rezultatele acestor dezintegrări şi anihilări în spaţiu, în timp ce IceCube şi ANTARES caută neutrini produşi de anihilări în centrul Pământului şi al Soarelui. Până acum, aceste cercetări nu au găsit nici o confirmare certă.

Se speră de asemenea că particulele WIMP vor apărea în ciocnirile particulelor de la Marele Accelerator de Hadroni de la CERN - nu ca particule per se (în sine), dar ca o anumită cantitate de energie şi moment cinetic care lipsesc sistematic în anumite dezintegrări de particule.

Ţintind către axioni

Alte experimente sunt în căutarea axionilor, alt tip de particule materie întunecată, care sunt previzionate de un set separat de teorii. Ei interacţionează încă şi mai slab decât WIMP şi sunt încă şi mai greu de capturat. 

Dacă ai avea un axion pe masa din faţa ta, îi vor trebui 10 la puterea 50 ani ca să se dezintegreze. Asta este o durată de viaţă extraordinară, "aproximativ un miliard de miliarde de miliarde de miliarde de ori mai mult decât vârsta Universului", spune Leslie Rosenberg, cercetător principal la experimentul ADMX de detectare a axionilor de la Universitatea din Washington. Astfel încât, pentru o lungă perioadă de timp, cercetătorii au crezut că va fi imposibil să detectăm axionii căutând produsele rezultate în urma dezintegrării lor.

Totuşi, în anii 1990, Rosenberg şi colegii lui au venit cu ideea de a pune la punct o tehnică care să favorizeze dezintegrarea axionilor prin confinarea lor într-un câmp magnetic foarte puternic. Foarte rar, "din an în Paşte" cum spune el, un axion va interacţiona cu acest câmp magnetic şi va produce un foton detectabil în gama microundelor.

Este o căutare dificilă, dar Rosenberg crede că răspunsul este aproape: "suntem pe punctul de a fi, în sfârşit, în stare să emitem o declaraţie definitivă privind posibilitatea că 
materia întunecată să fie, sau să nu fie, formată din axioni.

O abordare cu mai multe cârlige

Totuşi, în fond, nu există nici un motiv pentru care Universul să conţină numai un singur tip de materie întunecată. La urma urmelor, o mulţime de diferite particule alcătuiesc neînsemnatele noastre 5 procente.

"Cele mai multe studii au fost făcute în baza celor mai simple supoziţii", spune fizicianul Aaron Roodman de la Laboratorul Acceleratorului Naţional SLAC. "Dar nu este nici un 
motiv să credem că materia întunecată va fi simplă".

Acesta este motivul pentru care oamenii de ştiinţă abordează în atât de multe feluri căutarea materiei întunecate. Fiecare tehnică are puncte forte şi puncte slabe diferite şi diferite surse de erori sistematice. şi fiecare este sensibilă la particule cu anumite mase şi caracteristici, dar nu şi la altele.

"Nimeni nu o să creadă vreodată primul semnal, chiar dacă este ferm ca şi o stâncă, deoarece este o problemă atât de importantă", spune Jonathan Feng, fizician teoretician la Universitatea California, din Irvine. "Trebuie să o verifici de două ori şi să o confirmi în cât mai multe feluri posibile. şi cum se va întâmpla exact depinde probabil de cum va arăta primul semnal".

Energia întunecată

Dacă materia întunecată este misterioasă, atunci energia întunecată este şi mai şi. Nimeni nu a avut ideea că ar exista până la sfârşitul anilor 1990, când observaţii asupra supernovelor - stele ce explodează şi strălucesc de 5 miliarde de ori mai tare decât Soarele - au arătat că expansiunea Universului accelerează. Ceva împinge Cosmosul spre 
exterior, contracarând  forţa gravitaţiei - o observaţie care a adus a trei cercetători americani premiul Nobel pentru fizică în 2011.

Ce poate fi acest ceva? Nimeni nu ştie. Ar putea fi constanta cosmologică a lui Einstein, un alt fel de a spune că "există o masă, o densitate, a unui spaţiu complet gol - acel spaţiu cântăreşte ceva", după cum spune Rocky Kolb, cosmolog la Universitatea din Chicago.

Altă posibilitate ar fi ca energia întunecată să fie un câmp - poate un câmp fluctuant cunoscut ca şi chintesenţă, numit ca o aluzie la clasicul "al cincilea element" propus de grecii antici, sau ceva ca şi un câmp Higgs ce conferă masă celorlalte particule.

În timp de oamenii de ştiinţă nu s-au gândit la o metodă de a detecta direct energia întunecată, ei au ajuns totuşi la un consens general despre unde să caute influenţa ei asupra formei Universului şi asupra metodelor cele mai potrivite pentru a-i determina caracteristicile.

'Pentru moment singura noastră măsurătoare asupra energiei întunecate este ceea ce a făcut asupra expansiunii Universului" spune cosmologul David Schlegel de la Laboratorul Naţional Lawrence din Berkeley. "În esenţă, măsurăm ceea ce este posibil acum de măsurat".

Pentru a face aceste măsurători, oamenii de ştiinţă folosesc o combinaţie de tehnici pentru a construi imagini detaliate ale Cosmosului, pentru a transforma aceste imagini în hărţi 3D şi pentru a-şi da seama cât de repede se deplasează faţă de noi obiectele mari şi strălucitoare - şi astfel, cat de rapidă era expansiunea Universul la anumite momente din istoria sa.

Ei au la îndemână trei etaloane pentru a măsura aceste distanţe îndepărtate şi viteze.

Primul, stelele ce explodează - în mod specific supernovele de tip Ia, care toate emit aproximativ aceeaşi cantitate de lumină când explodează. Cu cat sunt mai departe, cu atât apar mai estompate, astfel încât ele servesc ca nişte borne unice pe scala distanţelor cosmice. Urmărirea mişcării lor a condus la descoperirea energiei întunecate, iar pe 
măsură ce oamenii de ştiinţă găsesc şi urmăresc mai multe dintre ele, cu atât îşi rafinează povestea pe care o spun aceste explozii stelare.

Al doilea, studierea îngrămădirii materiei în Univers, aşa numita "structurare". Oamenii de ştiinţă pot să deducă cum s-a extins Universul prin măsurarea numărului de roiuri de galaxii cu diferite mase şi la diferite epoci. De asemenea distribuţia întregii mase din Univers poate fi studiată prin detectarea curbării luminii provenită de la galaxii îndepărtate, curbare datorată întregii materii, întunecată sau altfel, aflată între ele şi noi.

Al treilea este "oscilaţia acustică barionică", modele de unde sonore îngheţate, rămase de la Big Bang. Aceste modele ajută la determinarea separării medii între galaxii, care 
creşte odată cu expansiunea Universului şi serveşte ca o altă riglă cosmică.

Toate aceste metode folosesc spectroscopia - separarea luminii de la obiecte îndepărtate într-un curcubeu de culori în scopul analizării. Când un obiect se îndepărtează de noi, lumina lui se deplasează spre capătul roşu al spectrului, exact aşa cum fluieratul unui tren devine din ce în ce mai grav pe măsură ce se îndepărtează pufăind. Această deplasare spre roşu ne spune cat de repede se mişcă obiectul, odată cu expansiunea Cosmosului.

Din ceea ce au aflat până acum, oamenii de ştiinţă cred că lucrurile s-au întâmplat astfel:  pentru primele câteva miliarde de ani după Big Bang, galaxiile în formare şi alte îngrămădiri de materie erau atât de apropiate, încât gravitaţia lor combinată încetinea expansiunea Universului. Dar acum circa 5 miliarde de ani, galaxiile s-au împrăştiat suficient  de mult, astfel încât energia întunecată - care a fost tot timpul o forţă repulsivă constantă - a precumpănit asupra atracţiei gravitaţionale şi expansiunea a început să accelereze.

Căutând invizibilul

În noiembrie 2012, Studiul Spectroscopic al Oscilaţiilor Barionice, parte a mai amplului Studiu Digital al Cerului - Sloan, a făcut cunoscute primele măsurători asupra a cât de repede se extindea Cosmosul înainte ca această tranziție să se întâmple, la 3 miliarde de ani după Big Bang.

Alt proiect major, Studiul Energiei Întunecate, va începe să cartografieze Universul în 2013, folosind un telescop amplasat pe vârful unui munte din Chile. ţinteşte să treacă pe o diagramă expansiunea Universului şi creşterea structurilor cosmice de mari dimensiuni, până înapoi cu 14 miliarde de ani.

În Texas, oamenii de ştiinţă modernizează telescopul Hobby-Eberly al observatorului McDonald, pentru a desfăşura un experiment numit HETDEX, care are ca obiectiv măsurarea poziţiilor şi a mişcărilor a 1 milion de galaxii, începând cu 2014.

Între timp, oamenii de ştiinţă pregătesc o nouă generaţie de proiecte pe energia întunecată, pentru a ataca problema atât de pe sol, cat şi din spaţiu

Pentru viitorul relativ apropiat, Departamentul pentru Energie al SUA a făcut publică necesitatea unui studiu spectroscopic modern, iar oamenii de ştiinţă sunt în curs de a propune unul.

Pe termen mai lung, Large Synoptic Survey Telescope, a cărui construcţie ar trebui să înceapă în Chile în 2014, va folosi cea mai mare cameră digitală din lume pentru a crea 
cel mai în adâncime, cel mai larg şi mai rapid portret al cerului de noapte făcut vreodată de pe sol. Datele ce vor rezulta - un nemaiîntâlnit 6 milioane de gigabytes pe an - va 
arunca o lumină, atât asupra materiei întunecate, cat şi asupra energiei întunecate.

Şi în Europa oamenii de ştiinţă au primit recent aprobarea de a construi un telescop spaţial de un miliard de dolari, numit Euclid, pentru a studia expansiunea Universului, cu un ochi îndreptat spre înţelegerea materiei întunecate şi a energiei întunecate. NASA s-a alăturat acestei misiuni la începutul lui 2013.

Măsurătorile din ce în ce mai precise ale structurii cosmice şi expansiunii ar trebui să permită în cele din urmă cercetătorilor să determine ceea ce se numeşte "ecuaţia de stare" - raportul presiunii pe densitate - al materiei întunecate însăşi, spune Roodman. Dacă energia întunecată este constanta cosmologică a lui Einstein şi a rămas constantă de-a lungul timpului, acel raport ar trebui să fie aproape de minus 1; în mod ciudat, asta înseamnă că are o presiune negativă. Dacă are o valoare diferită, cercetătorii vor şti că energia întunecată este altceva.

Calea înainte

Oamenii de știință sunt încrezători că experimentele în desfăşurare şi cele aflate acum în pregătire ne vor aduce semnificativ mai aproape de înţelegerea Universului întunecat din jurul nostru. Dar, în fizica particulelor, planificarea următoarelor experimente - şi dezvoltarea tehnologiilor care să facă acele experimente posibile - necesită decenii. 

În august sute de cercetători se vor întâlni în Minnesota pentru ceea ce este cunoscut ca Snowmass Meeting - o întâlnire odată pe deceniu - pentru a identifica cele mai importante şi presante întrebări din fizica particulelor şi experimentele pe care Statele Unite ar trebui să le urmărească, pentru a răspunde acestor întrebări. Întâlnirea va acoperi toate aspectele din domeniu, de la experimentele care ciocnesc particule la energii şi intensităţi foarte mari, la detectoare şi alte instrumente, teorii, metode de calcul şi comunicarea către public.

Materia întunecată şi energia întunecată vor fi teme majore ale agendei. şi în timp ce întrunirea nu este destinată a stabili priorităţi formale, cercetătorii speră să ajungă la un 
consens referitor la următoarea generaţie de abordări şi proiecte pentru a sonda universul întunecat dintr-un număr de unghiuri complementare şi cu finanţări disponibile realistic.

"Există oare chestii mici, inteligente, care să facă lucrurile să meargă fără să depăşim finanţările"?, se întreabă Feng, care este co-organizator al părţii întâlnirii referitoare la materia întunecată şi energia întunecată. 'Sunt o mulţime de întrebări despre cum să concepem un program naţional care să acopere cat mai multe baze posibil, dar menţinându-ne în limita bugetului".

Un lucru pare cert: Universul întunecat oferă orizontul uneia dintre cele mai captivante ştiinţe imaginabile. "Este zona în care ştim cel mai puţin, astfel încât este normal ca aici să căutăm descoperiri", spune Roodman. "Cred că ştiinţa acestui domeniu va fi foarte fertilă, în sensul că atunci când răspunzi unor întrebări vor urma alte întrebări care-şi vor aştepta răspunsul. Aceasta este , cred eu, domeniul de unde vor veni multe dintre descoperirile următoare".