Les forces fosques que governen l’univers

Axions? Energia fantasma? Els astrofísics malden per posar un pegat en els models de l’univers i, alhora, en reescriuen la seva història

DENNIS OVERBYE / NEW YORK TIMES

Fa molt de temps, quan l’univers només tenia uns 100.000 anys -i era una vibrant massa de radiació i partícules en expansió-, es va encendre un camp d’energia nou i estrany. Aquesta energia va impregnar l’espai d’una mena d’antigravetat còsmica que va impulsar, sense gaire suavitat, l’expansió de l’univers. Posteriorment, al cap de 100.000 anys, aquest nou camp es va apagar de sobte sense deixar cap més rastre que un univers accelerat. Això és el que explica l’estranya història publicada per un grup d’astrònoms de la Universitat Johns Hopkins. En un salt atrevit i especulatiu al passat, aquest equip proposa l’existència d’aquest camp per explicar un puzle astronòmic: sembla que l’univers creix més de pressa del que caldria.

Una expansió fora mida

El cosmos està creixent només un 9% més de pressa del que prescriu la teoria. Però aquesta discrepància, que no sembla gran cosa, intriga els astrònoms, que pensen que potser revela una cosa que desconeixíem sobre l’univers. Així doncs, aquests últims anys s’han anat reunint en tallers i congressos per buscar un error o una llacuna en les mesures i càlculs anteriors, ara com ara sense resultats palpables.

Per a alguns investigadors, el problema es podria resoldre partint de l’existència d’unes partícules subatòmiques abans desconegudes. D’altres, com l’equip de la Johns Hopkins, parlen de nous camps d’energia. Per augmentar la confusió, ja existeix un camp de força -anomenat energia fosca - que fa que l’univers s’expandeixi més de pressa. I un nou informe, força polèmic, indica que aquesta energia fosca potser és cada vegada més forta i densa, la qual cosa ens abocaria a un futur en què els àtoms esclatarien a trossos i el temps s’acabaria. Ara com ara no hi ha proves d’aquestes idees. Si es demostra que una d’aquestes idees és certa, però, els científics hauran d’escriure un nou relat sobre l’origen, la història i potser el destí de l’univers.

La problemàtica constant de Hubble

Grans astrònoms de diferents generacions han fracassat quan han intentat mesurar l’univers. Ara es posa en qüestió un número, anomenat constant de Hubble, que es diu així per Edwin Hubble, l’astrònom de Mount Wilson que el 1929 va descobrir que l’univers s’expandeix. A mesura que l’espai s’expandeix, allunya les galàxies les unes de les altres, com si fossin les panses d’un pastís que creix al forn. Com més distància hi hagi entre dues galàxies, més de pressa s’allunyaran l’una de l’altra. La constant del Hubble ens diu precisament a quina velocitat.

Fins fa unes dècades, els astrònoms no es posaven d’acord sobre el valor de la constant de Hubble: calculaven que era de 50 o 100 quilòmetres per segon per megaparsec (un megaparsec equival a 3,26 milions d’anys llum). El 2001, però, un equip dirigit per Wendy Freedman de la Universitat de Chicago i que utilitzava el telescopi espacial Hubble va anunciar que el valor era de 72. Per cada megaparsec que una galàxia s’allunyi de nosaltres, es mourà 72 quilòmetres per segon més de pressa. Les investigacions més recents d’Adam G. Riess -de la Universitat Johns Hopkins i de l’Space Telescope Science Institute- i altres han arribat a unes xifres semblants. Els astrònoms afirmen ara que han reduït al 2,4% el marge d’error de la constant de Hubble.

Un problema de concordança

Però aquesta nova precisió ha provocat nous problemes. Aquests resultats són tan bons que no coincideixen amb els del satèl·lit europeu Planck, que preveu una constant de Hubble de 67. La discrepància -un 9%- sembla molt greu, però potser no n’hi ha per tant, segons els astrònoms, perquè el satèl·lit Planck i els astrònoms humans fan observacions molt diferents. El Planck es considera el patró d’or de la cosmologia. Durant quatre anys aquest satèl·lit ha estudiat el bany còsmic de microones, és a dir, els vestigis del Big Bang de quan l’univers només tenia 380.000 anys. Però no va mesurar directament la constant de Hubble, sinó que va calcular el valor de la constant, i altres paràmetres còsmics, a partir d’un model matemàtic basat en gran part en aquestes microones. En poques paraules, la constant de Hubble calculada pel Planck es basa en una foto primerenca del cosmos. Per contra, el valor astronòmic clàssic es deriva del que els cosmòlegs en diuen modestament mesures locals, uns quants milers de milions d’anys llum més tard en un univers de mitjana edat. ¿I si aquesta imatge primerenca no captés o ocultés alguna característica important de l’univers?

El repte cosmològic

Així doncs, els cosmòlegs intenten ara ajustar aquest model de l’univers primerenc perquè s’expandeixi una mica més de pressa, sense eliminar-ne, però, el que funciona correctament. Una proposta recent de l’equip de la Johns Hopkins ens parla d’uns camps d’energia exòtica antigravitacional. Aquesta idea aprofita un aspecte de la teoria de cordes, la putativa teoria del tot encara no demostrada, que postula que els components elementals de la realitat són cordes diminutes que es recargolen. La teoria de cordes apunta que l’espai podria estar lligat a camps d’energia exòtica associats amb partícules o forces encara no descobertes. Aquests camps, anomenats col·lectivament quinta essència, podrien actuar en oposició a la gravetat i evolucionar amb el pas del temps: podrien aparèixer, deteriorar-se o alterar el seu efecte, que passaria de la repulsió a l’atracció.

L’equip de la John Hopkins s’ha centrat en els efectes dels camps associats a unes hipotètiques partícules anomenades axions. En un article de finals de l’any passat deien que si un d’aquests camps hagués aparegut quan l’univers tenia uns 100.000 anys, potser hauria produït l’energia necessària per corregir la discrepància de la constant de Hubble. D’aquesta força teòrica en diuen energia fosca primerenca.

“Em va sorprendre com va sorgir”, diu Marc Kamionkowski, un cosmòleg de la Johns Hopkins que va participar en l’estudi. “I funciona”. Però encara no s’han posat d’acord. Riess diu que aparentment la idea funciona, però això no vol pas dir que hi estigui d’acord o que sigui correcta. La naturalesa, que es manifestarà en futures observacions, tindrà l’última paraula.

Lloyd Knox, un cosmòleg de la Universitat de Califòrnia a Davis, diu que l’estudi de la Johns Hopkins demostra que es podria resoldre el problema de la constant de Hubble: “I això és nou, crec”. Ara com ara, però, els experts encara estan immersos en la confusió còsmica. Tal com diu Michael Turner, veterà cosmòleg de la Universitat de Chicago i organitzador fa poc d’un acte en què es va airejar la polèmica sobre la constant de Hubble: “En efecte, tot plegat ens supera. Estem confosos. Esperem que, d’aquesta confusió, en surti alguna cosa bona!”

El dia del judici final? No, no patiu

L’energia fosca comprèn el 70% de l’energia de l’univers. I -això fa posar els pèls de punta- es comporta igual que l’anomenada constant cosmològica, una força repulsiva còsmica que Einstein va introduir en les seves equacions fa un segle pensant que impediria el col·lapse de l’univers pel seu propi pes. Més tard va abandonar la idea, potser massa aviat. La grandària del cosmos es dobla ara cada 10.000 milions d’anys per influència de l’energia fosca, però ningú sap per què. L’energia fosca primerenca, la força citada per l’equip de la Johns Hopkins, potser vol dir que un tercer episodi d’antigravetat s’ha apoderat de l’univers i l’està accelerant. Podria ser que tots tres episodis siguin manifestacions diferents d’una mateixa tendència subjacent de l’univers a rebel·lar-se i accelerar-se ocasionalment. En un correu electrònic, Adam G. Riess diu: “I si és una cosa que l’univers fa de tant en tant?”

En aquest cas això significaria que, al capdavall, la manifestació actual de l’energia fosca no és la constant d’Einstein. Potser un dia s’apagarà, cosa que alliberaria els astrònoms -i tothom- del malson existencial sobre el futur de l’univers. Si l’energia fosca es manté constant, tot el que hi ha fora de la nostra galàxia acabarà allunyant-se de nosaltres més de pressa que la velocitat de la llum i ja no serà visible. L’univers esdevindrà inert i totalment fosc. Però si l’energia fosca és temporal -si un dia s’apaga-, els cosmòlegs i els metafísics poden tornar a plantejar-se la possibilitat d’un demà.

El cosmos fantasma

Però el futur encara és incert. Actualment, lluny d’apagar-se, l’energia fosca de l’univers ha anat augmentant al llarg del temps còsmic, segons un informe recent de la revista Nature Astronomy. Si tot continua igual, pot ser que un dia l’univers acabi experimentant el que els astrònoms en diuen el Gran Esquinçament, el Big Rip: els àtoms i les partícules elementals s’esquinçarien i es trencarien a trossos. Seria potser la catàstrofe còsmica definitiva.

Aquesta és la nefasta hipòtesi que es desprèn de l’obra de Guido Risaliti, de la Universitat de Florència, i Elisabeta Lusso, de la Universitat de Durham. Aquests últims quatre anys han sondejat les profunditats de la història de l’univers fins a 12.000 milions d’anys enrere fent servir com a indicadors de distància uns cataclismes violents i llunyans anomenats quàsars, que sorgeixen de forats negres supermassius al centre de les galàxies; són els objectes més brillants de la natura i es poden veure per tot l’univers. Segons aquest estudi, l’energia fosca no és constant, sinó que cada vegada es torna més densa i, per tant, més forta al llarg del temps còsmic. I resulta que amb aquest creixement de l’energia fosca també n’hi hauria prou per resoldre les discrepàncies sobre els mesuraments de la constant de Hubble.

La mala notícia és que, si aquest model és correcte, l’energia fosca podria adoptar una forma especialment virulenta i -segons la majoria de físics- inversemblant anomenada energia fantasma. Segons el model, a mesura que l’univers s’expandís la pressió de l’energia fantasma creixeria sense límits i acabaria superant la gravetat; aleshores, primer faria miques la Terra i després els àtoms.

El conjunt d’estudiosos de la constant de Hubble han reaccionat amb cautela davant del nou informe: “Si es confirma, és un resultat molt interessant”, diu Freedman. Fa dues dècades que els astrònoms intenten quantificar aquesta energia fosca. S’han creat dues missions espacials -l’Euclid de l’Agència Espacial Europea i el WFIRST de la NASA- per estudiar l’energia fosca amb l’esperança de disposar de respostes definitives la pròxima dècada. Està en joc el destí de l’univers.

Traducció de Lídia Fernández Torrell

PRIMERENCA O NO, L’ENERGIA FOSCA ÉS TOT UN MISTERI

L’energia fosca primerenca exerceix una certa atracció sobre alguns cosmòlegs perquè apunta a un lligam amb -o entre- dos episodis misteriosos de la història de l’univers. Com diu Riess: “No és la primera vegada que l’univers s’expandeix massa de pressa”. El primer episodi es va produir quan l’univers tenia menys d’una bilionèsima d’una bilionèsima part d’un segon d’edat (és a dir, una fracció de segon equivalent a un zero seguit d’una coma, vint-i-tres zeros i un u). Els cosmòlegs suposen que, aleshores, un violenta inflació va impulsar el Big Bang; en una fracció d’una bilionèsima part d’un segon, aquest fenomen -anomenat inflació pel cosmòleg Alan Guth, del MIT- va suavitzar i anivellar el caos inicial, i el va transformar en l’univers més ordenat que avui observem. Ningú sap què va provocar aquesta inflació.

El segon episodi té lloc ara: l’expansió còsmica s’està accelerant. Per quina raó? El tema va sortir a la llum el 1998, quan dos equips rivals d’astrònoms es van plantejar una pregunta: si la gravetat col·lectiva de les galàxies podria arribar a frenar l’expansió, amb la qual cosa començaria aleshores un procés de compressió que portaria un dia a una Gran Implosió (Big Crunch). La gran sorpresa va ser que van descobrir tot el contrari: l’expansió s’estava accelerant per influència d’una força antigravitatòria que posteriorment es va anomenar energia fosca. Gràcies a aquesta troballa, els dos equips van guanyar el premi Nobel de física el 2011.

Blogs de ciència

this_image_alt

Despedida