Roman pornește sâmbătă spre un miliard de galaxii pentru a dezlega energia întunecată

Telescopul Spațial Roman se lansează sâmbătă chiar în mijlocul celei mai mari probleme de măsurare deschise din cosmologie: două metode independente de a măsura cât de repede se extinde universul diferă cu 8 procente. Măsurați fondul cosmic de microunde – lumina de acum 380.000 de ani după Big Bang – iar rata de expansiune iese în jur de 67 de kilometri pe secundă pe megaparsec. Măsurați stelele Cefeide și supernovele de tip Ia din apropiere și obțineți circa 73. Diferența dintre ele are o lățime de 4 până la 6 deviații standard. În fizică, aceasta nu este o eroare de rotunjire. Este un semnal că ceva este greșit în modelul standard.

Telescopul Spațial Nancy Grace Roman, care se va lansa la ora 7:26 AM, ora Coastei de Est, de la Centrul Spațial Kennedy, la bordul unei rachete SpaceX Falcon Heavy, este cel mai capabil instrument conceput până acum pentru a descoperi ce anume. Cu o oglindă de 2,4 metri – același diametru ca al lui Hubble – și o cameră în infraroșu apropiat de 300 de megapixeli care vede o porțiune de cer de 200 de ori mai largă decât câmpul vizual al lui Hubble, Roman poate construi hărțile pe scară largă ale distribuției galaxiilor pe care tensiunea actuală le cere.

Dovezile care au spart modelul standard

Energia întunecată a fost identificată în 1998, când două echipe independente care măsurau distanțele și vitezele de recesiune ale supernovelor de tip Ia au descoperit că galaxiile îndepărtate se îndepărtau mai repede decât ar fi permis expansiunea decelerată de gravitație. Observația a adus Premiul Nobel în 2011 și a introdus un termen – constanta cosmologică Λ – în modelul standard al cosmologiei. Λ susține că energia întunecată este constantă atât în densitate, cât și în caracter, o proprietate fixă a spațiului însuși.

Lecturi recomandateDESI nu căuta erori în modelul standard. Hărțile sale le-au găsit.

Două descoperiri recente au complicat această imagine. Instrumentul Spectroscopic pentru Energia Întunecată (DESI) a publicat rezultate care arată că oscilațiile acustice ale baryonilor – modele periodice de densitate înghețate în rețeaua cosmică de acum 380.000 de ani după Big Bang – se potrivesc mai bine datelor dacă puterea energiei întunecate s-a schimbat în timp. Descoperirea nu dovedește variația; este un indiciu, iar cazul statistic nu este încă concludent. Dar este cea mai semnificativă provocare empirică la adresa Λ de la Premiul Nobel încoace.

Tensiunea Hubble adaugă un al doilea punct de presiune. Dacă modelul standard este corect, atât măsurătorile din universul timpuriu, cât și cele locale ar trebui să convergă spre aceeași rată de expansiune. Nu o fac. Cea mai recentă analiză care folosește Cefeide calibrate cu JWST confirmă valoarea locală de aproximativ 73 km/s/Mpc. Valoarea derivată din CMB rămâne în jur de 67. Discrepanța nu s-a redus cu mai multe date – a crescut.

Ce va măsura Roman și cum

Roman va ataca problema energiei întunecate prin trei canale independente.

Primul sunt supernovele de tip Ia, care acționează ca markeri de distanță standardizabili: fiecare atinge o luminozitate de vârf previzibilă care arată cât de departe se află. Compararea distanței cu deplasarea spre roșu – cât de mult a fost întinsă lumina unei galaxii de expansiunea universului – oferă rata de expansiune la acea epocă cosmică. Se așteaptă ca Roman să descopere mii de supernove pe an într-o gamă mult mai largă de deplasări spre roșu decât studiile terestre, cartografiind istoria accelerației universului cu o precizie pe care instrumentele actuale nu o pot atinge.

Al doilea canal sunt oscilațiile acustice ale baryonilor. Acele unde sonore din universul timpuriu au lăsat o scară caracteristică imprimată în modul în care se grupează galaxiile – o preferință statistică pentru perechi de galaxii separate de aproximativ 490 de milioane de ani-lumină. Această scară acționează ca o „riglă standard”: măsurați cât de mare pare la diferite deplasări spre roșu și puteți reconstrui istoria expansiunii universului la fiecare epocă cosmică. Imagistica pe câmp larg a lui Roman va cartografia milioane de galaxii, oferind o putere statistică pe care studiile actuale nu o pot egala.

Al treilea este lentila gravitațională slabă: ușoara distorsionare a formelor galaxiilor de fundal de către masa structurii din prim-plan. Lentila urmărește modul în care materia s-a aglomerat în timp, ceea ce este sensibil atât la densitatea materiei întunecate, cât și la comportamentul energiei întunecate. Combinată cu datele despre supernove și BAO, lentila oferă o verificare încrucișată care poate izola dacă vreo discrepanță în istoria expansiunii este reală sau instrumentală.

Comparat cu ceea ce a venit înainte

Camera infraroșie a lui Hubble acoperă aproximativ 10 minute de arc pătrate per expunere. Roman acoperă aproximativ 0,28 grade pătrate – de aproximativ 100 de ori aria la rezoluție și adâncime comparabile. Instrumentul său cu câmp larg va vedea porțiuni de cer care i-ar lua lui Hubble ani de zile să le studieze în câteva săptămâni. JWST oferă o adâncime extraordinară, dar un câmp vizual similar cu al lui Hubble; JWST este microscopul, Roman este obiectivul grandangular. Euclid al ESA, lansat în 2023 și care deja returnează date, acoperă un câmp mai larg decât Roman, dar la o rezoluție și adâncime spațială mai scăzute; se așteaptă ca ambele misiuni să se completeze reciproc.

Diferența de scară este argumentul central al misiunii. Măsurarea proprietăților energiei întunecate la precizia necesară pentru a distinge o adevărată constantă cosmologică de una în evoluție necesită eșantioane statistice de milioane de obiecte. Tensiunea Hubble nu poate fi rezolvată cu studii mici – necesită un recensământ.

Ce nu va rezolva Roman

Măsurătorile lui Roman vor strânge considerabil constrângerile asupra energiei întunecate, dar nu vor rezolva fiecare întrebare atașată acum acesteia. Instrumentul nu poate detecta direct energia întunecată – măsoară efectele acesteia asupra cantităților observabile, iar acele măsurători poartă propriile incertitudini sistematice. Calibrarea supernovelor de tip Ia, de exemplu, depinde de măsurătorile de distanță ale Cefeidelor, care la rândul lor depind de modul în care proprietățile de pulsație ale acestor stele sunt afectate de mediul lor chimic. Acest lanț de calibrare este exact acolo unde trăiește în prezent tensiunea Hubble.

Dacă datele lui Roman îngustează decalajul H0 – aducând măsurătorile locale și cele ale universului timpuriu mai aproape de acord – va sugera că tensiunea a apărut dintr-o eroare sistematică necontabilizată în măsurătorile anterioare. Dacă decalajul persistă sau se lărgește după calibrările îmbunătățite ale lui Roman, ar fi o dovadă puternică că modelul standard este cu adevărat incomplet. Acest rezultat ar fi cel mai important, dar nu ar numi singur ce este greșit – doar ar confirma că ceva este.

Jason Rhodes, cosmolog la Laboratorul de Propulsie cu Reacție al NASA (JPL), implicat în misiune, a descris peisajul actual cu claritate: „Începem să vedem tensiuni între măsurătorile universului timpuriu și măsurătorile universului târziu.” Roman a fost conceput special pentru a face ca aceste tensiuni fie să dispară, fie să se transforme într-o anomalie confirmată.

Comisionarea durează aproximativ 90 până la 100 de zile după lansare; se așteaptă ca operațiunile științifice să înceapă la începutul anului 2027. Telescopul va opera la punctul Lagrange L2, la aproximativ 1,5 milioane de kilometri de Pământ, acolo unde JWST orbitează deja. Misiunea principală durează cinci ani.

Întrebări frecvente despre telescopul Roman și energia întunecată

Ce este energia întunecată, mai exact? Energia întunecată este numele dat cauzei necunoscute a expansiunii accelerate a universului. Ea reprezintă aproximativ 68% din conținutul total de energie al universului conform estimărilor actuale, dar natura sa fizică rămâne necunoscută. Cel mai simplu model o tratează ca pe o densitate de energie constantă inerentă spațiului gol. Modele mai complexe îi permit să se schimbe în timp sau să difere ca caracter de constanta cosmologică. Roman este conceput pentru a distinge între aceste posibilități.

Ce este tensiunea Hubble? Constanta Hubble (H0) măsoară cât de repede se extinde universul în prezent. Două categorii largi de măsurători – una care folosește fondul cosmic de microunde ca punct de plecare, cealaltă care folosește lumânări standard din apropiere, cum ar fi stelele Cefeide și supernovele – dau în mod constant valori diferite, aproape de 67 și, respectiv, 73 km/s/Mpc. Discrepanța este suficient de semnificativă statistic încât nu poate fi explicată plauzibil prin întâmplare, dar cauza sa nu este rezolvată.

Cum diferă Roman de Telescopul Spațial James Webb? JWST este optimizat pentru observații profunde, cu câmp îngust, ale obiectelor individuale, cu o sensibilitate extraordinară. Roman are aceeași dimensiune a oglinzii ca Hubble, dar un câmp vizual de 100 până la 200 de ori mai mare; face schimb de adâncime pentru lățime. Cele două telescoape sunt concepute pentru a lucra împreună: Roman găsește și studiază la scară, JWST urmărește ținte specifice în detaliu.

De ce contează energia întunecată dincolo de cosmologie? Energia întunecată determină soarta pe termen lung a universului. Dacă este cu adevărat constantă, universul va continua să accelereze la nesfârșit, separând în cele din urmă galaxiile dincolo de raza luminii reciproce. Dacă energia întunecată se schimbă în timp – sau se inversează – traiectoria se modifică. Măsurătorile lui Roman vor constrânge care dintre aceste scenarii este fizic plauzibil.

Dacă tensiunea Hubble supraviețuiește scrutinului lui Roman, cosmologia va avea nevoie de un model nou – unul capabil să explice de ce cele mai vechi și cele mai recente semne ale expansiunii universului nu mai sunt de acord.

Etichete: știri, nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension

Conținut similar

JWST a găsit un roi de galaxii de 10 miliarde de ani prea dens pentru modelul standard

Jupiter accelerează electroni aproape de viteza luminii, la fel ca supernovele

JWST descoperă că galaxiile antice ascund de patru ori mai multă masă în stele mici

Galaxia Infinitului: O coliziune cosmică ce deschide o nouă perspectivă asupra originii găurilor negre

Webb a măsurat o gaură neagră de 13 miliarde de ani — s-a format înainte de propria galaxie

Vânturile găurii negre din quasarul H1821+643 sunt de 100 de ori mai puternice decât predicțiile