12 Minute
Noi cercetări realizate la Yonsei University determină cosmologii să regândească una dintre cele mai fundamentale idei despre cosmosul nostru: că expansiunea sa accelerează constant. Prin reexaminarea datelor de la supernovele de tip Ia și corectarea efectelor legate de vârsta populațiilor stelare gazdă, echipa identifică semne că energia întunecată ar putea slăbi — iar Universul ar putea deja să treacă către o fază de decelerare.
Un răsturnător de situație surprinzător în expansiunea cosmică
Timp de aproape trei decenii, ideea că expansiunea Universului se accelerează — condusă de o forță enigmatică denumită energie întunecată — a fost un pilon al cosmologiei moderne. Această concluzie, născută din observațiile supernovelor îndepărtate de tip Ia la sfârșitul anilor 1990, a condus la Premiul Nobel pentru Fizică în 2011 și a consolidat modelul cosmologic standard cunoscut ca ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter). În practică, modelul ΛCDM presupune o constantă cosmologică care explică accelerația și descrie conținutul energetic al universului: materie obișnuită, materie întunecată și energie întunecată.
Totuși, un studiu publicat pe 6 noiembrie în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society propune o poveste diferită. Conducători de proiect precum profesorul Young-Wook Lee de la Yonsei University și colegii săi au aplicat o corecție asupra luminozității supernovelor, o corecție care ține cont de vârsta populațiilor stelare gazdă. După această ajustare, setul de date al supernovelor nu mai susține imaginea simplă a modelului ΛCDM cu un termen constant de energie întunecată. Rezultatele ridică întrebări despre natura energiei întunecate, despre erorile sistematice în estimările de distanță și despre modul în care interpretăm observațiile cosmologice combinate.
De ce supernovele de tip Ia ajung sub lupa atentă
Supernovele de tip Ia au fost mult timp tratate ca "lămpi standard" (standard candles): explozii ale căror luminozități, odată calibrate, oferă măsurători de distanță la scară cosmologică. Această proprietate i-a făcut esențiale pentru determinarea ratei de expansiune și pentru studii privind energia întunecată. Cu toate acestea, echipa de la Yonsei identifică un bias dependent de vârstă. Ei raportează că, după standardizare, supernovele provenite din populații stelare mai tinere par în mod sistematic mai întunecate decât cele din populații mai în vârstă — un efect capabil să imite sau să denatureze semnătura unei expansiuni accelerate.
Cercetătorii s-au bazat pe supernove de tip Ia, asemănătoare cu SN 1994d (imaginea ilustrată, în galaxia gazdă NGC 4526), pentru a investiga dacă expansiunea universului ar fi putut să înceapă să încetinească. Credit: NASA/ESA, The Hubble Key Project Team and The High-Z Supernova Search Team. Acest exemplu vizual ajută la înțelegerea modului în care gazdele stelare influențează proprietățile observate ale exploziei.
Folosind un eșantion amplu de aproximativ 300 de galaxii-gazdă, echipa a cuantificat acest trend legat de vârstă cu o încredere statistică foarte ridicată (raportată la 99,999%). În termeni practici, o parte din înnegrirea atribuită anterior unei expansiuni accelerate ar putea fi cauzată de diferențe evolutive în stelele care produc aceste explozii. Corectarea pentru acest "bias de vârstă" modelăază din nou ajustarea cosmologică și reduce semnificația aparentă a unui termen constant de energie întunecată în datele supernovelor.
Cum datele corectate ale supernovelor rescriu cosmologia
Odată aplicate corecțiile pentru biasul de vârstă, datele corectate ale supernovelor s-au deviat de la curba roșie a modelului ΛCDM, folosită de obicei pentru a descrie un Univers dominat de un termen constant de energie întunecată. În schimb, măsurătorile ajustate se aliniază mai bine cu modele care permit energiei întunecate să evolueze în timp — modele care oglindesc rezultatele obținute din analize independente precum oscilațiile acustice baryonice (BAO) și radiația cosmică de fond în microunde (CMB).
Diagrama reziduurilor Hubble înainte (sus) și după (jos) corecția pentru biasul de vârstă. Corecțiile sunt aplicate datelor de la proiectul Dark Energy Survey. După corecție, setul de date nu mai sprijină modelul ΛCDM (linia roșie) cu o constantă cosmologică, ci se potrivește mai bine cu un model de energie întunecată variabilă în timp preferat de o analiză combinată folosind doar date BAO și CMB (linia albastră). Credit: Son et al. Aceste rezultate sugerează că semnalele provenite din supernove, odată eliminate efectele sistematice legate de gazde, pot fi reinterpretate fără a invoca în mod necesar o accelerație permanentă a expansiunii.
Cu alte cuvinte, odată eliminați efectele sistematice ale vârstei stelare, dovezile oferite de supernove în sine nu mai sunt decisive pentru concluzia că expansiunea cosmică accelerează în prezent. Ele se încadrează într-un tablou în care energia întunecată scade în timp — posibil puternică în trecut și mai slabă acum — ceea ce ar conduce la o tranziție a expansiunii de la faza accelerată către una de decelerare. Această interpretare are implicații pentru parametrii cosmologici, evoluția structurilor cosmice și predicțiile privind viitorul pe termen foarte lung al Universului.
Unde se încadrează BAO și CMB în acest tablou
BAO — valuri de densitate primordiale care au lăsat urme ca "ripples" în distribuția galaxiilor — și CMB, lumina de fond rămasă din Big Bang, furnizează măsurători independente ale distanțelor și ratei de expansiune. Analizele care folosesc doar BAO și CMB oferă constrângeri puternice asupra istoricului expansiunii și peste tot prezintă un mod de verificare independent de acela al supernovelor. Rezultatele corectate ale echipei Yonsei converg mult mai bine cu analizele BAO+CMB decât cu așteptările standard ale ΛCDM, ceea ce sugerează o coerență mai mare între diferitele probe cosmologice atunci când sistematicile sunt tratate diferențiat.
Această convergență este importantă pentru că poate elimina o tensiune de lungă durată: aşa-numita tensiune Hubble, o discrepanță între rata de expansiune inferată din scările locale de distanță (inclusiv supernovele) și cea derivată din observațiile universului timpuriu (CMB). Dacă distanțele determinate cu ajutorul supernovelor au fost părtinase din cauza efectelor vârstei stelare, corectarea lor ar putea atenua acea neconcordanță și ar putea modifica proprietățile deduse pentru energia întunecată. Consecința imediată ar fi o armonizare mai bună între probele cosmologice, reducând nevoia de a invoca noi componente exotice sau de a modifica extensiv modelul ΛCDM.
Diagrama arată cum universul pare a fi într-o stare de expansiune decelerată (linia roșie). Linia punctată verticală marchează epoca prezentă, în timp ce linia neagră afișează predicția ΛCDM. Liniile verde și roșie reprezintă modelul noului studiu înainte (verde) și după (roșie) corecția pentru biasul de vârstă, concludent cu datele din oscilațiile acustice baryonice și radiația de fond cosmologică (linia albastră). Credit: Son et al. Aceasta ilustrare ajută la vizualizarea diferenței de tendință și la înțelegerea impactului corecțiilor sistematice asupra inferențelor cosmologice.
Implicații: o energie întunecată care se estompează
Implicația centrală a setului de date corectat este că energia întunecată s-ar putea să nu fie o proprietate constantă a spațiului — o constantă cosmologică fixă — ci mai degrabă un fenomen dinamic, care se slăbește în timp. Dacă energia întunecată decădează sau variază, soarta pe termen lung a Universului se schimbă: în loc de o accelerație perpetuă care separă tot mai mult galaxiile, expansiunea cosmică ar putea încetini, iar formarea și evoluția structurilor cosmice (halouri de materie întunecată, clustere de galaxii) ar urma traiectorii diferite față de predicțiile actuale ale ΛCDM.
Profesorul Lee a sintetizat importanța constatării fără ocol: analiza lor sugerează că Universul a intrat deja într-o fază de expansiune decelerată în epoca prezentă. Dacă aceste rezultate vor fi verificate de studii independente, ar fi vorba despre o schimbare de paradigmă de proporții comparabile cu descoperirea energiei întunecate acum 27 de ani. O astfel de schimbare ar impune revizuiri ale parametrilor cosmologici, ale modelelor de energie întunecată (de exemplu, modele cu câmp scalar dinamic sau teorii de gravitație modificată) și o reevaluare a modului în care sunt combinate probele observationale pentru a estima valorile constantei Hubble și ale parametrilor de densitate.
Confirmarea ipotezei: teste fără evoluție și sondaje de nouă generație
Conștienți de natura extraordinară a revendicării lor, echipa Yonsei urmărește un "test fără evoluție". Această abordare izolează supernovele care provin din galaxii-gazdă tânără și coevale pe întreg intervalul de redshift, reducând complet potențialele biasuri conduse de vârstă. Rezultatele preliminare, raportate de autori, susțin concluzia principală, dar sunt necesare probe suplimentare și verificări independente pentru a consolida acest verdict.
Privind spre viitor, Vera C. Rubin Observatory — care acum efectuează survey-uri cu cea mai puternică cameră digitală din lume — va descoperi zeci de mii de noi galaxii-gazdă pentru supernove. Cu măsurători de vârstă mai precise pentru aceste gazde, astronomii vor putea testa corecția pentru biasul de vârstă cu o precizie mult mai mare în următorii cinci ani, potrivit profesorului de cercetare Chul Chung și co-autorului principal, doctorandul Junhyuk Son. De asemenea, instrumente spectroscopice precum DESI și future misiuni spațiale vor juca un rol crucial în calibrările de distanță și în testarea consistenței dintre probele cosmologice.
După Big Bang și expansiunea rapidă a Universului de acum aproximativ 13,8 miliarde de ani, gravitația a încetinit această expansiune. Dar în 1998 s-a stabilit că la circa nouă miliarde de ani după formare, expansiunea a început din nou să accelereze, sub influența unei forțe misterioase. Noile rezultate indică faptul că această accelerație s-ar putea să nu fie starea actuală a Universului — o idee care, dacă se confirmă, ar modifica cronologia evoluției cosmice pe scări de timp foarte mari.
Perspective ale experților
„Acesta este exact tipul de rezultat care impune o curiozitate precaută,” spune dr. Maya Patel, cosmolog observațional la Institute for Cosmic Studies (afiliere ficțională). „Corecția pentru vârsta galaxiei gazdă este un sistematic plauzibil care poate afecta estimările de distanță. Dacă analizele ulterioare cu seturi de date independente vor confirma efectul, va trebui să regândim modul în care modelăm energia întunecată și interpretăm tensiunea Hubble. Totuși, afirmațiile extraordinare cer multiple linii de dovezi consistente — iar această verificare este acum la îndemână grație DESI, Rubin și altor sondaje.” Această reacție subliniază necesitatea replicării experimente-lor, a analizei sistematice a erorilor și a colaborării între proiecte pentru validarea concluziilor privind energia întunecată.
Ce înseamnă toate acestea pentru marile întrebări
Dacă energia întunecată evoluează în timp, miza este enormă: s-ar putea descoperi fizică nouă dincolo de modelul standard al cosmologiei, se pot restrânge teorii care leagă energia întunecată de câmpuri scalare sau de gravitație modificată și se pot rafina predicțiile pentru destinul final al cosmosului. În același timp, posibilitatea ca un bias subtil de măsurare să fi condus interpretări greșite timp de decenii oferă o reamintire umilă despre importanța sistematicilor în cosmologia de precizie.
În termeni practici, comunitatea științifică va căuta confirmarea prin: combinarea seturilor de date de supernove corectate cu măsurători independente BAO și CMB; aplicarea testului fără evoluție pe eșantioane mai mari și diversificate; și utilizarea instrumentelor de nouă generație (DESI, Vera C. Rubin Observatory și misiuni spațiale viitoare) pentru a cartografia istoricul expansiunii cu detaliu fără precedent. Adoptarea unor tehnici statistice robuste și a unor modele care includ explicit dependența de vârstă a gazdelor va fi esențială pentru a evita erorile sistematice și pentru a obține concluzii fiabile privind energia întunecată.
Misterul tot mai adânc al energiei întunecate rămâne central. Deși constituie aproximativ 70% din bugetul energetic al Universului, natura sa este încă necunoscută. Analiza Yonsei adaugă o nouă perspectivă: energia întunecată ar putea slăbi — iar această schimbare, odată verificată sau infirmată, poate rescrie paginile cosmologiei. O confirmare ar deschide o direcție de cercetare bogată în teorie și observație, în vreme ce infirmarea ar întări încrederea în modelul actual și în metodele de corecție folosite până acum.
Proiecte și instrumente conexe — de la hărțile spectroscopice DESI la descoperirile în domeniul timpului ale Rubin — vor fi critice în anii următori. Împreună, ele pot fie să consolideze acest posibil punct de cotitură în istoria expansiunii cosmice, fie să arate că interpretările anterioare rămân valide. Oricare ar fi rezultatul, acesta va adânci și mai mult înțelegerea noastră despre Univers și despre fenomenele fundamentale care îi modelează evoluția.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu