Gravitația mai puternică din Universul timpuriu ar putea rezolva o enigmă cosmologică

Perioada care a provocat expansiunea rapidă a Universului nostru în primele sale momente ar putea fi legată de epoca modernă a energiei întunecate, datorită unei componente a Cosmosului care modifică puterea gravitației pe măsură ce Universul evoluează, propune un fizician într-o nouă lucrare.

Abordarea tradițională pentru înțelegerea gravitației implică celebra teorie a relativității generale a lui Einstein. Pentru o idee atât de puternică, care poate explica totul, de la orbita Lunii la evoluția întregului Univers, este un concept destul de simplu. În relativitatea generală, există doar spațiul-timp și conținutul din interiorul acestuia.

• Capsula OSIRIS-REx a ajuns pe Pământ cu mostrele de material extraterestru
• Bacteriile modificate genetic descompun materialele plastice în apa sărată

Conținutul Universului face ca spațiul-timp să se curbeze și să se deformeze, iar curbarea și deformarea dictează modul în care conținutul ar trebui să se miște.

Deși relativitatea generală este cea mai simplă abordare a gravitației, ea nu este singura. O alternativă, cunoscută sub numele de teoriile cu tensori scalari, datează de la începutul anilor 1960 și este opera fizicienilor Robert Dicke și Carl Brans, așa că uneori primește numele de teoria Brans-Dicke.

Componenta Universului care modifică puterea gravitației

În teoriile cu tensor scalar, pe lângă spațiu-timp și conținutul său, există un al treilea ingredient, cunoscut sub numele de câmp scalar. Câmpul scalar absoarbe tot spațiul-timp, iar singura sa sarcină este de a modifica intensitatea gravitației de la un loc la altul sau de la un moment la altul.

În relativitatea generală, intensitatea gravitației este fixă, este doar constanta gravitațională a lui Newton, pentru totdeauna și mereu. Indiferent unde și când vă aflați în Univers, o anumită cantitate de masă și energie va distorsiona întotdeauna spațiul-timp exact în același mod.

Dar în teoriile cu tensori scalari, acest lucru se poate schimba. O planetă aflată într-o parte a Universului ar putea avea un impact mai slab sau mai puternic asupra spațiului-timp din jurul ei, în funcție de valoarea locală a câmpului scalar. Puterea gravitației se poate schimba, de asemenea, odată cu trecerea timpului.

Din punct de vedere experimental, relativitatea generală și teoriile cu tensori scalari sunt echivalente. Relativitatea generală a depășit toate obstacolele experimentale pe care le-a întâmpinat.

Expansiunea Universului se accelerează

Dar dacă se ia o teorie scalar-tensor și se presupune pur și simplu că, de fapt, câmpul scalar are o valoare constantă egală cu constanta lui Newton, atunci se obțin aceleași rezultate. Pentru că relativitatea generală este mult mai simplă decât teoriile scalar-tensor și pentru că nu există nicio modalitate cunoscută de a le deosebi, fizicienii preferă teoria clasică a lui Einstein.

Doar că există o mică problemă: energia întunecată. Conform observațiilor, expansiunea Universului se accelerează, dar într-un ritm foarte ușor. Singura modalitate de a ține cont de acest lucru în relativitatea generală este de a include o constantă cosmologică, o valoare suplimentară în ecuații care are o valoare incredibil de mică, dar nu chiar zero.

Această caracteristică a constantei cosmologice îi deranjează pe majoritatea fizicienilor, deoarece pare incredibil de nefirească. Dacă energia întunecată ar fi avut aproape orice altă valoare, expansiunea ar fi sfâșiat cosmosul cu mult timp în urmă, lăsându-l incapabil să susțină viața.

„Adăugarea de valori suplimentare în ecuații” seamănă foarte mult cu teoriile cu tensori scalari. Așadar, de când astronomii au descoperit energia întunecată la sfârșitul anilor 1990, fizicienii au lucrat pentru a vedea dacă există o modalitate potențială prin care acest model de gravitație să explice mai natural expansiunea accelerată, scrie Space.

Epoca energiei întunecate

În mod curios, epoca actuală nu este singura perioadă în care expansiunea Universului a intrat în viteză excesivă. Cosmologii cred că, foarte devreme, în timpul Big Bang-ului, Universul a cunoscut o perioadă de expansiune extrem de rapidă, cunoscută sub numele de inflație.

Acum, Motohiko Yoshimura, fizician la Institutul de Cercetare pentru Științe Interdisciplinare de la Universitatea Okayama din Japonia, a propus că teoriile cu tensori scalari oferă o legătură directă între inflație și energia întunecată.

În acest model, descris într-o lucrare publicată în baza de date arXiv, partea de câmpuri scalare a teoriei scalar-tensor („tensorul” se referă la spațiul-timp în sine) este mult mai puternică în Universul timpuriu, declanșând astfel epoca inflației. La sfârșitul inflației, câmpul scalar slăbește și își eliberează energia sub forma tuturor particulelor din modelul standard.

În mod esențial, câmpul scalar nu dispare niciodată. Acesta își menține o anumită prezență de fond în timp ce Universul continuă să evolueze, formând între timp stele și galaxii.

Energia întunecată și inflația, limitele cunoștințelor noastre

Apoi, după ce expansiunea cosmică diluează toată materia până la un nivel suficient de scăzut, câmpul scalar intervine din nou – dar la un nivel mult mai slab – dând naștere epocii actuale a energiei întunecate.

Dar, deși este o poveste intrigantă, astronomii încă trebuie să testeze ipoteza. Din fericire, acest model produce o mulțime de relicve potențial observabile ale Universului timpuriu.

De exemplu, în acest scenariu, gravitația poate fi atât de puternică în anumite locuri încât găurile negre se formează spontan și supraviețuiesc până în zilele noastre. Găsirea unor dovezi ale acestor găuri negre primordiale ar ajuta la susținerea ideii.

O altă abordare constă în căutarea undelor gravitaționale din Universul timpuriu, rămase în urmă odată cu inflația. Astronomii pot căuta aceste unde gravitaționale fie direct, încercând să le detecteze în zumzetul de fond slab al Universului, fie prin influența lor asupra așa-numitului fond cosmic de microunde.

Fizicienii știu că energia întunecată și inflația reprezintă limitele actuale ale cunoștințelor noastre și numai sugestii radicale ca aceasta – și experimentele care să le însoțească – ne vor ajuta să depășim această limită.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Un profesor de la Oxford susține că ne-am putea înșela în legătură cu Universul

Universul ar putea începe să se micșoreze, spun oamenii de știință. Cât de repede s-ar putea prăbuși Cosmosul?

Misterul unei supernove. O explozie gigantică din Univers dezvăluie secrete despre viața stelelor

Argonul ar putea dezvălui secretele materiei întunecate din Univers