Într-un articol, recent publicat în revista Physical Review Letters, a fost propusă o nouă metodă pentru a măsura expansiunea Universului, folosind undele gravitaționale generate de coliziuni de găuri negre și efectul de lentilă gravitațională. Această metodă ar putea contribui la rezolvarea misterului expansiunii Universului, adică discrepanța rezultatelor obținute prin aplicarea diverselor metode în ceea ce privește așa-numita constantă a lui Hubble.

Expansiunea Universului

Expansiunea Universului a fost descoperită acum aproape 100 de ani, când, în urma observațiilor astronomice din ce în ce mai precise, s-a măsurat așa-numită deplasare spre roșu a spectrelor care proveneau de la stele, ceea ce însemna că acestea se îndepărtează de noi. Această descoperire a marcat începutul unei revoluții în Cosmologie și în teoriile noastre despre Univers. S-a născut astfel teoria Big Bangului – cea care ne spune că Universul a luat naștere acum circa 13.8 miliarde de ani și de atunci este în continuă expansiune.

Care este viteza de expansiune a Universului?

Cât de rapidă este expansiunea Universului? Dacă la început măsurătorile efectuate erau destul de aproximative, la ora actuală există măsurători din ce în ce mai precise și efectuate cu diverse metode. Doar că noile metode dau rezultate diferite! Există metode care obțin viteza de expansiune a Universului, dată de așa-numita „constantă a lui Hubble” (în unități de km/s/MPc – unde MPc reprezintă circa 3,26 milioane de ani-lumină), din măsurarea deplasării spre roșu a spectrelor stelelor sau a supernovelor; această metodă însă are nevoie de o măsurătoare independentă a distanței obiectelor respective față de noi, ceea ce se obține din folosirea unor obiecte cu luminozitate absolută cunoscută. Alte măsurători folosesc radiația cosmică de fond, care, la rândul ei, poate să fie folosită pentru a obține constanta lui Hubble din micile variații ale acestei radiații. Valorile obținute prin cele două metode nu sunt aceleași – variază între circa 67 și 77 km/s/MPc, cu erori care nu acoperă diferența. Este așa-numita criză a constantei lui Hubble. Să fie de vină erori de măsurătoare sau o nouă fizică? Este foarte important în acest context realizarea unor măsurători independente.

O nouă idee: măsurarea constantei lui Hubble cu undele gravitaționale

Într-un articol, publicat recent în Physical Review Letters, se arată cum, cu ajutorul undelor gravitaționale, în viitor, s-ar putea obține o valoare independentă a constantei lui Hubble. Undele gravitaționale sunt un fel de vibrații ale structurii spațiului și timpului care se propagă în Univers atunci când mase mari se mișcă în mod accelerat. Astfel de unde gravitaționale au fost măsurate începând cu 2015 cu antenele gravitaționale interferometrice LIGO și VIRGO. Coliziunile de găuri negre produc unde gravitaționale. Dacă aceste unde întâlnesc în drumul lor spre noi mase mari care deformează geometria spațiului și a timpului (relativitatea generală) poate avea loc efectul de lentilă gravitațională. Adică undele gravitaționale ar putea ajunge la noi urmând traiectorii diverse (ca un fel de lentilă care deformează lumina) și să ne dea imagini multiple. Analiza acestor imagini și a diferenței de timp dintre ele ne pot da valoarea constantei lui Hubble; evident, pentru a obține acest rezultat este nevoie să măsurăm multe astfel de imagini de unde gravitaționale care au suferit efectul lentilei gravitaționale.

Viitorul undelor gravitaționale

La ora actuală, au fost măsurate zeci de unde gravitaționale, în mare parte generate de coliziuni de găuri negre. Pentru a extrage constanta lui Hubble ar fi nevoie să măsurăm milioane, întrucât cele care suferă efectul de lentilă gravitațională sunt o mică parte din toate undele gravitaționale. Că să avem deci o statistică suficientă este necesară măsurarea multor unde. Acest lucru va fi posibil în viitor cu instrumente din ce în ce mai sensibile și cu antene gravitaționale care vor funcționa în spațiu (există inclusiv propuneri de a instala antene gravitaționale pe Lună).

Între timp, constanta lui Hubble rămâne un subiect foarte actual – ar putea reprezenta semnalul unei noi fizici sau, dimpotrivă, o eroare pe care o facem în măsurătorile noastre sau în interpretarea datelor.

Credit imagine: phys.org; articolul: DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.261401

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul” Sfântu Gheorghe