Două moduri complet diferite de „cântărire” a cosmosului conduc la rezultate diferite. Dacă măsurătorile mai precise nu reușesc să rezolve această discrepanță, este posibil ca fizicienii să fie nevoiți să revizuiască modelul standard al cosmologiei, aceasta fiind cea mai bună descriere a universului nostru.
„Dacă acest lucru înseamnă, într-adevăr, un dezechilibru al modelului standard, ar putea fi ceva revoluționar”, declară Hendrik Hildebrandt, astronomîn cadrul Universității Ruhr Bochum,din Germania.
Preocupări similare cu privire la corectitudinea modelului standard au fost dezbătute în ultimii ani, prin două calcule independente, ale așa-numitei constante Hubble sau a ritmului cu care universul se extinde în prezent. Aceste două măsurători nu au avut același rezultat, acest lucru creând tensiunea Hubble.
Noua discrepanță, numită tensiune sigma-opt, implică măsurarea densității materiei din univers și a gradului în care aceasta este agregată, spre deosebire de distribuirea uniformă. Rezultatul este încorporat sub forma unui parametru, numit sigma-opt. Pentru a calcula sigma-opt, Hildebrandt și colegii săi au pus accentual pe un efect numit lentilă gravitațională slabă, în care lumina provenită de la galaxiile îndepărtate este îndreptată ușor către telescoapele noastre,datorită atracției gravitaționale din materia care se află între galaxii și Pământ.
Distorsiunea rezultată este atât de mică, încât abia schimbă forma unei galaxii individuale. Dar dacă luați în calcul, în medie, formele a zeci de mii de galaxii dintr-un loc anume de pe cer, apare un semnal la scară mică. Presupunând faptul că, galaxiile ar trebui să fie orientate la întâmplare față de Pământ, forma lor medie ar trebui să fie aproape circulară, respectiv fără lentile slabe. Însă, datorită distorsiunilor ușoare provocate de acest efect, forma medie este eliptică.
Astronomii au folosit acest semnal pentru a estima cantitatea și distribuția materiei, luându-se în calculatât pe cele normale, cât și pe cele întunecate, de-a lungul liniilor vizibile, către diverse regiuni bogate în galaxii. Cu alte cuvinte, au reușit să măsoare densitatea cosmică a materiei.
Însă, pentru a face acest lucru, este nevoie de o informație mai precisă, respectiv,distanța față de fiecare galaxie individuală care este studiată. În mod normal, astronomii calculează distanța până la o altă galaxie identificând deplasările ca fiind roșii spectroscopice, adică cantitatea prin care lumina galaxiei este deplasată către lungimile de undă mai lungi ale părții roșii a spectrului. Cu cât acesta este mai mare, cu atât obiectul este mai îndepărtat.
Măsurarea acestor spectroscopice individuale este însă extrem de ineficientă atunci când avem de-a face cu milioane de galaxii. Prin urmare, echipa lui Hildebrandt s-a îndreptat către ceva numit porțiune roșie fotometrică, care presupune captarea mai multor imagini,conținând aceeași porțiune de cer, pe lungimi de undă diferite, cuprinzând intervalele optice și infraroșii apropiate. Cercetătorii au folosit acele imagini pentru a estima porțiunile roșii ale galaxiilor individuale, pentru fiecare în parte. „Nu sunt la fel de buni precum porțiunea roșie a spectroscopic tradițional”, susțineHildebrandt. „Dar sunt mult mai eficiente în ceea ce privește timpul telescopului.”
Pentru întreaga sa analiză, echipa a utilizat imagini de înaltă rezoluție, ce cuprind sute de kilometrii pătrați din suprafața cerului, în nouă benzi de lungime de undă, respectiv patru optice și cinci cu infraroșu. Aceste observații, ce vizează aproximativ 15 milioane de galaxii, au fost colectate de către Studiul Kilo-Degree al Observatorului European Sud (KiDS) și de către VISTA Kilo-Grad InfraredGalaxySurvey (VIKING), folosind două mici telescoape de la Observatorul Paranal al Organizației din Chile.
Datele VIKING au consolidat setul de date KiDS, prin furnizarea de observații multiple ale aceleiași regiuni, în lungimi de undă aproape infraroșii. Cu cât sunt mai mari distanțele unei galaxii, cu atât este mai mare viteza cu care se îndepărtează de noi. Acest lucru face ca mai mult din lumina unei galaxii să fie o porțiune roșie, în intervalul aproape infraroșu, astfel încât să se bazeze doar pe observații optice, lucru dovedit a fi insuficient. Măsurările în infraroșu captează o cantitate mai mare de lumină din astfel de galaxii, ceea ce duce la estimări mai bune ale porțiunilor roșii fotometrice.
Pentru a se asigura faptul că porțiunilor roșii fotometrice sunt cât se poate de precise, aceste observații au fost calibrate în funcție de măsurători spectroscopice aparținând câtorva dintre aceleași galaxii. Ele au fost realizate cu telescopul de opt metri, la Paranal, și cu telescoapele Keck de 10 metri dinMaunaKea,Hawaii.
Astrofizicianul și laureatul Nobel, Adam Riess, din cadrulUniversității Johns Hopkins, aprobă eforturile cercetătorilor KiDS. „Ultimele lor rezultate folosesc date în infraroșu, fapt pentru care, cel mai probabil, face o treabă mai bună în privința urmăririigreutății lentilelor, dar și de a obține porțiuni roșii fotometrice de încredere”, susține acesta.
Combinând toate aceste date, ele acoperă aproximativ 350 de kilometri pătrațidin suprafața cerului, estimează astronomii. Valoarea pe care au găsit-o în conflict cu o cifră sigma-opt calculată a fost determinată folosind observațiile satelitului Planck, din cadrul Agenției Spațiale Europene.Aceasta transmitea date despre fundalul microundelor cosmice (CMB), cea mai veche lumină observabilă din univers, care a fost emisă la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang. Planck a cartografiat variațiile temperaturii și polarizării CMB pe cer, dintr-un punct în altul. Cosmologii pot folosi harta pentru a calcula valoarea sigma-opt pentru univers.
Folosind modelul standard de cosmologie, care spune că universul este format din aproximativ 5% materie obișnuită, 27% materie întunecată și 68% energie întunecată. Astfel, se pot extrapola peste 13 miliarde de ani de evoluție în spațiul cosmic, în vederea estimării unei valori actuale pentru sigma-opt.
Aici apare tensiunea. Studiul Hildebrandt, cu lentile slabe, estimează sigma-opt, având valoarea de aproximativ 0,74, în timp ce datele Planck oferă o valoare de aproximativ 0,81. „Există o șansă de aproximativ 1% astfel încât această tensiune să fie o fluctuație statistică”, relateazăHildebrandt. Fluctuațiile statistice reprezintă un zgomot aleatoriu în date, care pot imita semnale reale și pot dispărea cu mai multe date. „Nu este ceva cu care sa iți pierzi nopți, gândindu-te.”
Încă nu. Este posibil, de asemenea, ca o eroare sistematică să se ascundă în calculele uneia sau chiar a ambelor echipe. După ce cercetătorii vor identifica aceste erori, discrepanța ar putea dispărea.
Cu toate acestea, este posibil ca acest lucru să nu se întâmple, ceea ce a fost și în cazul tensiunii Hubble. Pe măsură ce măsurătorile astronomice au devenit mai precise, semnificația statistică a tensiunii Hubble a crescut, provocând gânduri și nopți nedormite în cazul mai multor teoreticieni anxioși. „Ceva foarte similar s-ar putea întâmpla cu discrepanța noastră sigma-opt”, susțineHildebrandt. „Nu știm încă ce se va întâmpla.”
Riess, care conduce una dintre echipele care estimează constanta Hubble, folosind măsurători de distanțe, în universul aflat în apropiere, asociază tensiunea sigma-opt ca fiind un „frate mic sau o soră a tensiunii Hubble”. Această discrepanță este considerată, acum, semnificativă din punct de vedere statistic, având o șansă la 3,5 milioane de a fi cu noroc. Tensiunea sigma-opt, cu șansa de unu la 100 de a fi o aberație statistică, este exact pe poziția pe care s-a situat și tensiunea Hubble în urmă cu câțiva ani. „Deci, este mai puțin semnificativ, dar merită să fii atent pentru a face o posibilă conexiune”, susțineRiess.
Dacă tensiunea sigma-opt urcă la același nivel de relevanță statistică ca și tensiunea Hubble, presiunea de reevaluare a modelului standard de cosmologie ar putea deveni prea mare pentru a fi ignorată. În acel moment, cosmologii ar putea fi obligați să invoce noua fizică pentru a alinia estimările Planck cu măsurătorile directe ale parametrilor universului actual. „Aceasta va fi o alternativă interesantă”, declară Hildebrandt.
Potențiale corecții ale „noii fizici” la modelul standard, ar putea implica schimbarea cantității și naturii energiei sau materiei întunecate, sau a ambelor, precum și modificări ale modului în care interacționează între ele, dar și cu materia normală, printre alte modificări. „Unele soluții teoretice, pentru a face legătura cu modelul cosmologic, pentru a repara tensiunea constantă Hubble, fac ca această tensiune să fie mai puțin bună. Unele o fac mai bună”, spune Riess.
Hildebrandt este de acord că nu există o soluție evidentă. „Dacă ar exista un model convingător, poate oamenii ar sări pe acel bandwagon”, spune el. „În momentul de față, nu cred că există. Este într-adevăr meseria noastră să îmbunătățim semnificația tensiunii sigma-opt, sau să o respingem.”
