Studiul undelor gravitaționale emise în coliziuni de stele de neutroni ar putea ajuta în descifrarea misterului energiei întunecate. Este aceasta o energie reală sau un semnal al unei teorii care modifică teoria relativității generale a lui Einstein?

Energia întunecată

Energia întunecată ar fi o formă de energie de origine încă necunoscută, care are ca efect expansiunea accelerată a Universului. Știm că Universul este în expansiune – însă relativ recent (sfârșitul secolului trecut) s-a ajuns la concluzia cum că această expansiune ar accelera. Ba mai mult, calculele făcute de cercetători arată cum că energia întunecată ar fi cea care domină Universul – reprezentând circa 70% din totalul de materie și energie din Univers. Ce anume ar putea să fie această energie? Fluctuații cuantice sau un nou câmp de energie, sau cu totul și cu totul altceva.

La baza teoriei care descrie Universul se află teoria relativității generale – teoria lui Einstein care leagă materia și energia din Univers de geometria spațiului și a timpului. Tocmai pe baza acestei teorii se deduce indirect că în Univers există așa o mare cantitate de energie întunecată. Dacă însă problema este cu teoria? Dacă ar trebui modificată aceasta?

Teorii alternative

Teoria relativității generale a lui Einstein a fost practic confirmată în toată măsurătorile și observațiile astronomice făcute până în prezent. Explică extrem de bine Universul. Dacă totuși la distanțe enorme sau în câmpuri gravitaționale foarte intense această teorie trebuie modificată? Dacă în loc de o energie întunecată ar exista o teorie nouă, care să explice observațiile astronomice fără să fie necesară introducerea acestei energii? Există mai multe versiuni și teorii propuse, care însă au nevoie să fie verificate experimental. În ce condiții? În condiții extreme – precum cele ale coliziunilor de stele de neutroni.

Coliziuni de stele de neutroni

Stelele de neutroni sunt un tip foarte special de stele, ceea ce rămâne atunci când stele cu masă mai mare ca a Soarelui (dar nu extrem de mare) ajung la finalul vieții, dând naștere unei Supernove care lasă în urmă o stea de neutroni. Stelele de neutroni sunt extrem de dense: au masa în jur de 2 ori cea a Soarelui însă o rază de doar circa 10 km. Atunci când se formează sisteme binare de stele de neutroni acestea se rotesc una în jurul celeilalte, pierd energie prin unde gravitaționale (deformări ale geometriei spațiului și a timpului care se propagă prin Univers) și în final se ciocnesc dând naștere cel mai probabil unei găuri negre. Undele gravitaționale emise reflectă condițiile din sistemul binar. Atunci când stelele de neutroni sunt foarte aproape, înainte de ciocnire, se generează câmpuri gravitaționale cu deformări extreme ale spațiului și timpului. Dacă în aceste condiții există o nouă teorie care ar înlocui-o pe cea a lui Einstein ar fi posibil să măsurăm unde gravitaționale care poartă amprenta acestei noi teorii.

Un nou studiu: stelele de neutroni și energia întunecată

Un nou studiu efectuat de un grup de cercetători de la SISSA (Italia) cu ajutorul unor simulări pe computere extrem de puternice ale căror rezultate au fost publicate recent într-un articol în revista Physical Review Letters, arată cum că în prezent undele gravitaționale măsurate în coliziuni de stele de neutroni (puține la număr) cu antenele gravitaționale LIGO și VIRGO sunt compatibile cu ambele teorii – adică nu este posibil de demonstrat că ar fi nevoie de o nouă teorie. Supercomputerele au fost necesare datorată faptului că ecuațiile de rezolvat sunt puternic neliniare – în regimul de gravitație intensă în coliziunea stelelor de neutroni. Totuși, în viitor vor fi construite noi observatoare de unde gravitaționale mult mai sensibile, precum Einstein Telescope în Europa și Cosmic Explorer în SUA. Acestea ar putea descoperi semnale ale unei noi teorii care explică ceea ce măsurăm fără a fi necesară introducerea unei energii întunecate, însă prin înlocuirea teoriei lui Einstein. Vom vedea în anii care urmează dacă energia întunecată dispare sau, dimpotrivă, vom observa semnale care ne întăresc încrederea în  existența acesteia.

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