Të panjohurat e universit!

Shkencëtarët po përpiqen të kuptojnë përse universi po bëhet më i vështirë për t’u kuptuar në zgjerimin e tij.

5 tonë dhe 520 megapiksel, është kamera dixhitale më e madhe e ndërtuar ndonjëherë, i cila është projektuar e përshtatur në mënyrë të veçantë, sepse është projektuar për të trajtuar problemin më të madh në univers. Më datën 20 shkurt, kërkuesit në Tololo Cerro të Observatorit Inter Amerikan, i cili është vendosur në 2.200 metra lartësi mbi nivelin e detit në shkretëtirën Atacama në Kilin Verior, do të fillojnë instalimin e kësaj kamere gjigante mbi një teleskop të quajtur Blanco. Ky përfaqëson pjesën qendrore të sistemit të Survejimit të Energjisë së Errët (DES), përpjekja më ambicioze ende në ditët e sotme për të kuptuar një mister nga më hutuesit, me të cilin përballet fizika: çfarë e drejton dhe cili është mekanizmi i një zgjerimi gjithnjë e në një shkallë më të lartë të universit.

Rritja e universit ka qenë fakt i njohur që në fund të vitit 1920. Por ishte menduar se kjo rritje ishte në ngadalësimin e saj. Por kur në vitin 1998, dy studime të pavarura arritën në konkluzionin e kundërt, kozmologjia u alarmua deri në qelizë. Qysh atëherë, rreth 5,000 fletë janë shkruar, me qëllim që të përpiqen të shpjegojnë (ose të shpjegojnë në njëfarë mënyre) këtë rezultat. “Ky nuk është rezultat i një dite”, u shpreh i mrekulluar Saul Perlmutter, i Laboratorit Kombëtar Berkeley Lawrence, i cili udhëhoqi Projektin Supernova të Kozmologjisë, një nga studimet e të cilit solli dhe “alarmin” e realitetit mbi zgjerimin (rritjen) e universit. Tetorin e kaluar, kjo punë i dha dr. Perlmutter çmimin “Nobel” për fizikë, në studimet e përbashkëta me Brian Schmidt dhe Adam Riess, ky i fundit udhëhoqi studimin tjetër “The High – Z Kërkimi Supernova”.

Shumë pjesë të këtij materiali 5.000 fletësh merren dhe trajtojnë një temë që ka ardhur shumë e njohur në studimet e fundit, si energjia e errët. Një arsye për popullaritetin e saj është se, në një rënie të intensitetit të saj, ajo shpjegon një tjetër gjetje të madhe kozmologjike të zbuluar në vitet e fundit. Në fillimet e viteve 1990, studimet e hershme të sfondit kozmik mikrovalor (CMB) japin tablonë e një deti të tërë të mikrovalëve, të cilat njëkohësisht japin idenë që universi dukej sikur të ishte vetëm 380.000 vjeç, duke i treguar se universi, atëherë dhe tani, ishte monoton. Megjithatë, në vëzhgimet e kryera, tërheq vëmendjen një trekëndësh i madh hapësinor – qoshet e të cilit mund të jenë miliarda vite dritë larg - e këndet e brendshëm në të do të kenë shumën 180°, ashtu si praktikohet dhe në një libër ushtrimesh shkollore të matematikës.

Kjo nuk mund të befasojë njerëz te të cilët dijet për gjeometrinë kurrë nuk kanë shkuar përtej librave të tillë. Por kjo befason shumë fizikanë. Në një hapësirë të shkallëzuar nuk mund të flasim për konceptin “e sheshtë”: fuqia e teorisë së Albert Ajnshtajnit -të relativitetit të përgjithshëm qëndron në interpretimin e gravitetit në kushtet e hapësirës së lakuar. Kozmologët ishin përgatitur mjaft për atë që do të ish e lakuar në shkallën më të lartë dhe u intriguan nga zbulimi që ajo nuk ishte e tillë.
Mendimet e paqarta

Relativiteti thotë se, nëse gjithësia do të jetë monotone, ajo duhet të ketë një dendësi, e cila, në mënyrë shumë të veçantë, në relativitet nuk mat ose shpreh vetëm masën e përfshirë në një vëllim të caktuar, por edhe energjinë. E panjohura ish se linja të ndryshme të të dhënave treguan se produktet e zakonshme të materies së universit (sendet dhe njerëzit, planetët dhe yjet përbërëse të tij) do të jepnin vetëm 4% të kësaj dendësie. Shtesat në materien e jashtëzakonshme në “materien e zezë” - jo të përbërë nga atomet, të cilat ndërveprojnë me pjesën tjetër të universit pothuajse vetëm me anë të gravitetit - arrijnë deri në 22%. Kjo bën që pothuajse tre të katërtat e dendësisë kritike të jetë e papërllogaritur. Teoricienë si Michael Turner, të Universitetit të Çikagos, u bindën se kjo do të thoshte një mungesë e madhe në konceptin e tyre për universin..

Çfarëdo lloj qoftë, ai që është mekanizmi i zgjerimit (rritjes) të përshpejtuar të gjithësisë, në të vërtetë llogaritjet përshtaten mjaft mirë. Po të shtojmë sasinë e energjisë të nevojshme për të realizuar zgjerimin e përshpejtuar kozmik, shumën e materies dhe të energjisë të përllogaritur tashmë në univers, do të kemi më shumë ose më pak saktësisht densitetin e materies dhe energjisë së nevojshme për të bërë universin të banueshëm. Por ka një ngërç (ngecje), për shumat që janë për t’u llogaritur, se "energjia e errët" të cilën dr. Turner mendohet ta ketë “reduktuar” në një kuptim të ngushtë këtë term, i cili, në fakt, duhet të jetë shumë i çuditshëm në të vërtetë. Sipas teorisë së Ajnshtajnit mbi relativitetin, energjia në formën e rrezatimit ka të njëjtin lloj të efektit gravitacional sikurse dhe materia, fotonet, ndriçimi i të cilave krijon një presion dhe kjo sjell për pasojë rritjen e tërheqjes gravitacionale. Në mënyrë që të menaxhojë përshpejtimin e saj, pastaj, energjia e errët duhet të ketë një efekt kundërshtues. Ajo duhet, me fjalë të tjera, të ushtrojë një presion negativ.

Diferenca midis presionit (negativ) të energjisë dhe densitetit (pozitiv) të energjisë është një vlerë të cilën kozmologët e emërtuan “ë”. Është e lehtë për të parë se w duhet të jetë negativ. Vëzhgimet e bëra që nga viti 1998 tregojnë se w është shumë afër -1. Në qoftë se kjo u gjet të jetë pikërisht -1, do të bënte që fizikanët këtë vlerë, që lidhet me energjinë e errët, ta quanin konstante kozmologjike. Një konstante kozmologjike është e njëjtë pa marrë parasysh se ky univers që ju vëzhgoni - një e pandarë, tipar i pandryshueshëm i fabrikimit të krijimit, pavarësisht madhësisë së zgjerimit, përdredhjes apo vetëlidhjeve në nyje.

Konstantja kozmologjike është një tjetër gjë e ëndërruar së pari nga Ajnshtajni. Duke parë se ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm lejojnë për zgjerimin e universit (ose, për të qenë më të saktë, kontraktimet), ai shtoi një parametër që përshkruan vetëm si një konstante, në mënyrë që ta ruante atë nga veprime të tjera. Për të gjitha parashikimet e tij tejet të llogaritura dhe intuitive, një univers në zgjerim ishte fakt se ai nuk ishte i përgatitur ta pranojë, të paktën jo në vitin 1917, kur ai botoi teorinë e tij. Pas zbulimit të Edwin Hubble të 12 vjetëve më vonë, se galaktikat e tjera janë me të vërtetë të vendosura larg zonës rrotull rrugës së Tokës së qumështit, Ajnshtajni ka “rënë jashtë”. Nuk ka dyshim opsioni se ai nuk kishte besuar absolutisht te matematika e tij në fillim, të cilën ai e korrigjoi më vonë kur quajti konstanten kozmologjike “verbërinë e madhe” të tij.

Deri atëherë, edhe pse, konstantet kozmologjike ishin maturuar nga teoricienë kuantikë, në mes të tyre pati fizikanë të mbështetur fort në idenë e tij. Teoria kuantike thotë se vakumi në dukje bosh i hapësirës nuk është, në fakt, bosh fare. Në vend të kësaj është ideja se ai është vazhdimisht i mbushur me "virtuale" të përshtatura brenda dhe jashtë ekzistencës. Energjia që rezulton nga gjithë ky vakum i energjisë duhet të jetë një tipar i fiksuar i hapësirës - me fjalë të tjera, një konstante kozmologjike.

Dhe, në parim, ajo gjithashtu mund të presojë zgjerimin e gjithësisë. Kështu, energjia vakum dhe energjia e errët mund të jetë e njëjta gjë. Por ky rregull teorik krijon një problem praktik. Një qasje naive e teorisë kuantike thotë se energjia vakum duhet të jetë një shpërthim drastik 1060 deri 10120 herë më e madhe se densiteti i vlerësuar energjik i energjisë së errët. Disa fizikanë e quajnë këtë "parashikimin më të keq të bërë ndonjëherë". Vlerësimi dhe nxjerrja në pah pse energjia vakum nuk është aq e gjerë ka qenë një problem i madh për fizikanët.

Cliff Burgess, nga Instituti Perimeter për Fizikën Teorike në Waterloo, Ontario, dhe autor i një pjese të vogël të 5000 fletëve të studimit që dr. Perlmutter ka nxjerrë, mendon se ka një zgjidhje, energjia vakum është e gjerë, por është pothuajse e gjitha e fshehur larg në dimensionet ekstra hapësinore. Ndryshe nga tre dimensionet e njohura, gjerësi, gjatësi dhe lartësi, këto dimensione janë të larmishme dhe të ndërlidhura në mënyrë të tillë fort, sa që e bëjnë të vështirë zbulimin (edhe pse shkencëtarët janë duke u përpjekur për të vlerësuar në përshpejtuesit e hapur pjesorë të grimcave) si “Large Hadron Collider” - Përplasësin e Madh të Hadroneve (pranë Gjenevës). Dimensionet ekstra janë me interes, sepse teoria e fijes, një klasë e modeleve matematikore bazuar në teorinë kuantike që kërkon për të përshkruar realitetin në mënyrë më themelore, kërkon që aty të jenë së paku gjashtë prej këtyre modeleve, ndoshta më shumë.

Çfarë e bën propozimin dr. Burgess të pazakontë është se ai zbuloi mbi një linjë dhe sugjeroi se këto “llogore” energjie, ndërlidhin dimensionet ekstra dhe duhet të jenë në përmasat e vetëm pak mikronëve, mbështetur në teoritë standarde të fijeve. Arsyeja që ata nuk janë vënë re nga chipmakers dhe metodave të tjera që iu kushtojnë vëmendje dhe japin të dhëna në shkallën e saktësisë me mikron, ai pretendon, se është veti e materies së errët, e ndjeshme vetëm për gravitetin dhe relativisht të pavëmendshëm ndaj tre ndërveprimeve të natyrave thelbësore: elektromagnetizmi dhe forcat e dobëta dhe të forta nukleare bërthamore. Kjo mund të tingëllojë si një justifikim i thjeshtë por ka kuptim të fuqishëm matematikor. Dhe kjo e bën të mundur gjykimin: në përmasat e mikronëve, tërheqja midis dy masave nuk është varësi e plotë e sipërfaqes dhe e distancës midis tyre në të njëjtën mënyrë si dhe fizikanët qysh nga Njutoni e kanë kërkuar këtë përfundim.

Një eksperiment në proces në Universitetin e Uashingtonit, i udhëhequr nga Eric Adelberger, teston këtë ide, duke përdorur balancën më të ndjeshme rrotulluese të botës, duke përdorur versionin e një fizikani anglez, “pajimeve të Cavendish Henry”, e përdorur për të matur drejtpërdrejt gravitetin qysh në fund të shekullit të 18-të. Ajo përbëhet nga një disk me vrima, në buzët e të cilit janë varur horizontalisht nga një kordon, mikron mbi njëri-tjetrin, të ngjashme me një pjatë të shpuar. Kur disku i poshtëm rrotullohet, materiali ndërmjet vrimave krijon një tërheqje të lehtë gravitacionale mbi materialin që gjendet rreth vrimave të diskut të sipërm. Duke i shkaktuar lëvizje rrotulluese, edhe pse vetëm me të biliontën e gradës. Deri më tani, Sir Isaac është i fituar. Dr. Adelberger ka konfirmuar se parashikimet e Njutonit janë të sakta deri në 44 mikronë. Por eksperimenti vazhdon dhe dr. Burgess është i gatshëm të vendosë baste se ideja fituese e Njutonit nuk do të jetë e tillë për shumë kohë.

Nëse ideja e dr. Burgess është e drejtë, energjia vakum dhe energji e errët janë e njëjta gjë, një konstante kozmologjike, dhe “w” është pikërisht e barabartë me -1. Çfarë atëherë, nëse ajo nuk është? Atëherë, energjia e errët do të duhet të jetë diçka që ndryshon në hapësirë , kohë, apo në të dyja dhe është i afërt me -1 sot vetëm nga koincidenca. Emrat e mundshëm për këtë diçka tjetër përfshijnë kuintesencë, K-esencën, energjinë iluzionale dhe disa të tjera në varësi të teoricienit që ju kërkoni të pyesni dhe në varësi të pasurisë së mendimit që do të pëlqenit. Ajo do të jetë një forcë e re themelore, që e kryen efektin e vet vetëm në distanca të mëdha e të gjera kozmike.

Një alternativë është që të bëhet kthim mbrapa në analizë me një nga forcat ekzistuese. Disa fizikanë, në funksion të përshtatjes me teorinë e Ajnshtajnit mbi relativitetin, për shembull, tentuan studimin, duke e bërë gravitetin më të dobët në ekstrem, në vargjet shumë të gjata. Kjo është e ndërlikuar. Është tejet e vështirë për të modifikuar ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm pa e dëmtuar teorinë e riparuar më tej. Kjo është një arsye për tërheqje më të qëndrueshme. Një tjetër arsye është se ata kanë konfirmuar kohën dhe prapë nga testet, ky nivel ku shkojnë matjet brenda minutës të trupave, që sillen në rrotullimin e tyre në sistemin diellor të vëzhguar të burimeve më të largëta të njohura të dritës, kuazarët, miliarda vjet dritë nga Toka. Çdo teori e re, pastaj, ka punën e saj të prerë, e cila nuk ka, sigurisht, të drejtën të ndalë përpjekjet e teoricienëve.

Më saktësisht “w” i përafrohet vlerës -1 e ndërkohë më entuziaste vijnë teoritë për konstanten kozmologjike të vazhdueshme, e cila kërkon këtë vlerë dhe më pak optimiste janë gjasat për forcat e pesta dhe për gravitetin e modifikuar, e çuditshmja e tyre është se ato mund të punojnë edhe me vlera të tjera. Kështu vijnë të dhënat nga teleskopët e vendosur në terren si në Cerro Tololo. Ato japin një diapazon ndryshueshmërie të “w” midis -1.1 dhe -0.9. DES do të synojë për të ngushtuar hapësirën e pasigurisë më pak se për vetëm 0.01. Për ta bërë këtë, ajo do të marrë një 400 Gigabyte foto të çastit në një natë, për 525 net gjatë pesë viteve (në pjesën tjetër të kohës teleskopi do të përdoret në funksion të projekteve të shkencave të tjera). Dhe kjo do të përdorë një sërë teknikash të avancuara për të analizuar të dhënat.

Ajo çfarë Projekti Supernova Kozmologjia dhe High-Z Kërkimi Supernova kanë zbuluar dhe çfarë të tjerët kanë konfirmuar më vonë, është se yjet e largët të shpërthyer janë të zbehtë dhe kështu duke arsyetuar pak më tej, se nënkuptimi i ndryshimit të nuancës dhe toneve të ngjyrës së kuqe është se universi ka qenë duke u zgjeruar në një gjithëgoditje (klip) të qëndrueshme. Zgjerimi duhet të ketë ndodhur kohët e fundit.

Të dyja grupet e bazuan fillimisht këtë përfundim në të dhënat e 50 fotove të një supernove të thjeshtë. Numri i provave është rritur në dhjetëfish, por ajo ende lë shumë hapësirë për të provuar për konstanten kozmologjike, e sipas të dhënave në vazhdim, jo aq konstante. Jozueu Frieman, i cili kryeson DES, shpreson që ekipi i tij në fund do të analizojë mbi 4000 yje shpërthyes, disa prej tyre deri në 7 miliardë vjet dritë larg. Ata kanë shpërthyer kur universi ishte në gjysmën e moshës së tij aktuale dhe, shkencëtarët tani bëjnë përllogaritjet, ende të mbizotëruar nga graviteti i materies të përfshirë në to, i cili ishte frenues i shpërthimit zgjerues. Energjia e errët, mendohet, realizoi disa ndryshime 5 miliardë vjet më parë. Një vlerësim më i mirë i kohës në të cilën u bë kalimi nga një mënyrë në një tjetër ndihmon të përcaktojmë “w”.
Muzikë e sferave

Përveç kërkimeve supernova, i cili do të trajnojë teleskopët në dhjetë orientime hulumtuese drejtuar hapësirës ku dr. Frieman dhe kolegët e tij shpresojnë të fiksojnë në moment dhe të ndjekin shpërthimet, DES do të survejojë në një të tetën e natës qiellin për të dhëna të tjera, duke përdorur tri metoda të tjera. Këto të gjitha mbështeten në hedhjen e ngarkesave të të dhënave në fuqitë përpunuese kompjuterike, të dhëna si të rastit në dukje që në një mënyrë shkaktojnë anomali të vogla statistikore.

Një metodë studion për efektet e valëve të tingujve, e cila ka filluar zbatimin në Big Beng me: oscilacionet akustike baryon (BAO). Në përzierjen fillestare Big Bang të grimcave, i njohur si lëngu baryon i fotoneve, janë eksperimentuar valët me densitet, si valët zanore në ajër, edhe pse në hapësira të gjera. Kur fluidi ftohet deri në një masë të mjaftueshme, edhe pse, baryons (grimcat nga të cilat bërthamat atomike janë përbërë) dhe fotonet janë të ndarë. Fotonet u transformuan në atë që është tani (CMB): është fakt se ato nuk kanë pasur asgjë të bëjnë me materien përderisa Big Bang që krijoi CMB si një dritare të dallueshme informacioni në lidhje me universin e hershëm.

Me fotonet që me kalimin e kohës nuk do të jenë më aktive, nuk mund të ketë më (fluid) lëng baryon të fotoneve. Baryons do të qëndrojnë të palëvizura. Kur oscilacionet në lëngun kanë grupuar baryons, ato mbeten të grupuara dhe për pasojë në ato pjesë që ishin më të lira mbetën të rralla. Rajonet me densitet më të lartë u bënë fara e galaktikave dhe ndarja mesatare e atyre galaktikave kështu i përgjigjet së njëjtës gjatësi vale të luhatjeve në lëngun fillestar. Ky nivel karakteristik ka qenë i shtrirë në hapësirë rreth 450 milionë vite drite; kështu duke e matur atë në kohët më të hershme është një tjetër mënyrë për të treguar se sa shpejt universi ka qenë duke zgjeruar.

Matjet e të dyja teknikave të fundit të DES matin jo vetëm saktësisht shkallën e zgjerimit, si supernova dhe BAO kërkimet bëjnë, por edhe rritjen e strukturave kozmike si grupime të galaktikave. Studimi i madhësisë dhe formës së grupimeve për një kohë të dhënë jep një ide të tërheqjes së luftës, të tërheqjes së gravitetit dhe tërheqjes midis tyre, dhe energjisë së errët, duke i shtyrë pjesërisht. Kjo mund të ndihmojë të përgjigjet në pyetjen nëse zgjerimi është për shkak të energjisë së errët vetëm, rast në të cilin fizikanët presin një korrelacion midis rezultateve nga të katër teknikat, apo të gravitetit të modifikuar, në qoftë se dy të fundit nuk përshtaten me dy të parat.

Një mënyrë për të provuar strukturën është numërimi i grumbullimeve të një mase të caktuar në një vëllim të caktuar të hapësirës në nuanca të ndryshme të së kuqes. Kjo është më e vështirë nga sa mund të thuhet, sepse 85% e masës është materie e padukshme e errët. Por kjo mund të matet në mënyrë të tërthortë, për shembull, duke parë se si retë e gazit të nxehtë sillen në procesin e shtyrjes së tyre drejt pjesës qendrore të materies së errët nga graviteti i saj.

Nga ana tjetër, shpërndarja e materies, si e errët dhe e zakonshme, mund të analizohet nga efekti që ka mbi dritën. Relativiteti kërkon rrugën e dritës për të qenë i prirur ndaj objekteve masive. Objekti i rëndë aq më tepër të krijon një imazh për diçka tjetër prapa tij që është deformuar. Në shumicën e rasteve, ky deformim është shumë i lehtë e kështu imazhet e galaktikave janë shtrënguar, deformuar dhe mbledhur në rreth 2 për qind apo më shumë nga grumbullime masive të materies në rrugën që imazhet kalojnë për teleskopët në Tokë. Si për të komplikuar gjërat më tepër, vetëm pak prej galaksive janë të rrumbullakëta, për të filluar analizën me to, kështu është e vështirë për të parë nëse deformimi është duke ndodhur, duke parë ndonjë galaksi të veçantë. Për fat të mirë, drita nga të gjitha galaksitë, në një rajon të dhënë qiellor, kalon nëpërmjet të njëjtave grumbullimeve të materies në rrugën e tyre për në Tokë. Pra galaktikat parë nga Toka duhet të gjitha të jenë shtrembëruar në një drejtim të preferuar. Vëzhgimi i mjaft prej tyre, 300 milionë në rastin DES, lejon astronomët për të modeluar strukturat përgjegjëse për përkuljen.

Kombinimi i të katër teknikave dhe një pamje sa më e qartë e shkaqeve të përshpejtimit kozmik, përfundimisht do të konkludojë. Kjo, të paktën, është shpresë. Ofer Lahav nga University College, Londër, i cili është në krye të programit shkencor DES, thotë se shanset janë se DES do të mbyllë diskutimin në lidhje me “w” nëse është e barabartë me -1, një lloj i një konstante kozmologjike.

Pavarësisht nëse këto studime sjellin një rezultat apo jo – energjia e errët apo çfarëdo tjetër qoftë që shkakton zgjerimin e universit ndoshta është një dilemë shumë e madhe për një brez për t’u zgjidhur. Kjo do t’ju shkaktojë kërkuesve shkencorë të mundojnë trurin për vitet që vijnë.