Dark Energy Camera (Camera foto pentru energie întunecată) cercetează cerurile din vechime
Dark Energy Camera (Camera foto pentru energie întunecată) cercetează cerurile din vechime
Scris de Mălina Iorga pe 16 Iulie 2009 (Joi). Ultima actualizare pe 17 Iulie 2009 (Vineri)
Studiind spaţiul, oamenii de ştiinţă se întreabă de ce Universul se dilată din ce în ce mai repede. Ce forţă misterioasă lucrează în acest sens? Înregistrând lumina a sute de galaxii, din vârful unui munte din Chile, aceştia speră să afle ce se întâmplă cu adevărat. La laboratorul Fermilab din Batavia, Illinois, Brenna Flaugher şi colegii săi lucrează împreună la construirea unui dispozitiv. Numit „Dark Energy Camera” (camera foto pentru materia întunecată), acesta va studia cerul Emisferei Sudice şi va „privi” în trecut, îngăduind oamenilor de ştiinţă să vadă galaxiile aşa cum erau la doar câteva miliarde de ani de la naşterea Universului.
Echipa de la Fermilab care va folosi camera foto pentru materia întunecată pentru a cerceta adânc în întuneric cuprinde, de la stânga la dreapta, pe fizicienii John Peoples, Brenna Flaugher, Juan Estrada, şi Tom Diehl. Fotografie realizată de Reidar Hahn.
Imaginaţi-vă un aparat care realizează fotografii ale Universului, nu doar aşa cum îl vedem noi astăzi, ci înapoi în timp, aşa cum arăta la începuturile sale, captând imagini a aproximativ 300 de milioane de galaxii. Scopul lui este de a căuta semne ale energiei întunecate – substanţe omniprezente, invizibile, despre care se crede că ar constitui 70% din întregul Univers.
Pentru Flaugher, care a petrecut 15 ani studiind fizica subatomică, perspectivele erau atât de interesante încât aceasta şi-a reorientat cariera. „Am trecut de la a studia cele mai mici lucruri cunoscute din univers - quarcii – la aglomerări de galaxii, cele mai mari lucruri pe care le cunoaştem”, declară aceasta. „Ceea ce le face pe ambele interesante este că te determină să te gândeşti la originile Universului.”
O forţă misterioasă
Cu 80 de ani în urmă, Edwin Hubble a descoperit că Universul nostru se dilată, galaxiile se îndepărtează din ce în ce mai mult una de alta. Oamenii de ştiinţă consideră că atracţia gravitaţională dintre galaxii este cea care încetineşte această dilatare. Însă în 1998, două grupuri independente de oameni de ştiinţă au descoperit o schimbare greu de înţeles în ceea ce priveşte viteza de dilatare a Universului: în primele 8 miliarde de ani după Big Bang, gravitaţia a încetinit, într-adevăr, procesul, aşa cum se credea. Apoi, cu aproximativ 5 miliarde de ani în urmă, dilatarea a început să se accelereze.
Care a fost cauza acestei accelerări?
Răspunsul preliminar îl reprezintă energia întunecată, o „forţă antigravitaţională” misterioasă. Când universul era „tânăr”, gravitaţia era forţa dominantă. Dar odată cu trecerea timpului, materia s-a extins destul cât să diminueze semnificativ atracţia gravitaţională între galaxii. Energia întunecată, o forţă de respingere, a devenit mai puternică decât forţa gravitaţională, îndepărtând galaxiile una de cealaltă.
A confirma existenţa energiei întunecate şi a-i înţelege originile ar avea implicaţii profunde pentru înţelegerea Universului. Însă un rezultat şi mai radical ar fi acela ca oamenii de ştiinţă să descopere că energia întunecată nu există. În locul acesteia, unele modele teoretice sugerează faptul că dimensiunea extraspaţială determină Universul să se dilate cu încă şi mai mare viteză, dezvăluind teoria generală a relativităţii, a lui Einstein. Proiectul Dark Energy Survey, programat pentru anul 2011, ar putea să demonstreze care dintre explicaţii este corectă.
„Folosim uneltele erei digitale pentru vechea întrebare – unde ne aflăm?” declară Craig Hogan, directorul Centrului pentru Astrofizica Particulelor, din cadrul Fermilab.
O discuţie hotărâtoare
În vara anului 2003, fostul director de la Fermilab, John Peoples, şi fizicianul Universităţii Chicago John Carlstrom, se intorceau în acelaşi taxi de la o conferinţă din Seattle. Tema energiei întunecate îl preocupa deja pe Peoples, iar Carlstrom lucra la Telescopul de la Polul Sud, a cărui construcţie avea să înceapă în curând în Antarctica. Încă din 2007, telescopul a înregistrat radiaţii de fond păstrate din timpul Big Bang-ului, şi a căutat deformări în aglomerările de galaxii. Dar telescopul nu poate să determine cât sunt de departe, şi, deci, ce vârstă au aceste grupări de galaxii – informaţie esenţială pentru a putea asocia observaţiile cu calculele legate de energia întunecată.
Cei doi fizicieni au hotărât că aveau nevoie de un proiect care să umple acest gol, determinând cât de departe de Pământ se găsesc aceste grupări.
„Perspectiva era interesantă” îşi aminteşte Peoples. La vremea aceea tocmai încheiase coordonarea Sloan Digital Sky Survey. Proiectul, în cadrul căruia observaţiile sunt făcute cu ajutorul unui telescop din New Mexico, a furnizat hărţi tridimensionale pentru aproape 1 milion de galaxii şi 120.000 de quasari din Emisfera Nordică. Combinate cu datele înregistrate la alte observatoare, măsurătorile indică faptul că 96% din Univers este compus din materie întunecată şi energie întunecată.
Gravitaţia să fie problema?
Fixată pe un telescop din Chile, camera foto pentru materia întunecată va examina adâncurile cerului, dezvăluind galaxii mai multe şi la distanţe mai mari, decât orice proiect anterior, inclusiv Sloan Digital Sky Survey. Aceasta va colecta date despre distanţele de la supernove la Pământ; aglomerări de galaxii la scară mare; frecvenţa aglomerărilor de galaxii; şi devierea luminii datorată galaxiilor şi aglomerărilor de galaxii.
Oamenii de ştiinţă utilizează aceste 4 metode pentru a determina cât de repede se dilată Universul şi viteza cu care galaxiile şi aglomerările de galaxii s-au format de-a lungul timpului cosmic. Două dintre aceste metode vor oferi răspunsuri care sunt independente de rolul pe care gravitaţia l-a jucat în evoluţia Universului. Celelalte două vor furniza răspunsuri care depind de teoria gravitaţiei.
„Dacă toate patru măsurătorile dau acelaşi rezultat, înseamnă că ideile noastre actuale despre energia întunecată sunt corecte; dacă diferă, atunci există fie o problemă cu modul în care înţelegem gravitaţia, fie altă explicaţie.” spune Flaugher, care conduce construirea camerei foto. Proiectul Dark Energy Survey, în valoare de 50 milioane de dolari, implică 120 de oameni de ştiinţă din 13 instituţii din Statele Unite, Brazilia, Spania şi Regatul Unit.
University College din Londra este responsabilă pentru finisarea celor 5 lentile care alcătuiesc sistemul optic al aparatului. Grupul din Spania va asigura partea electronică, care va procesa semnale slabe de lumină ce au călătorit miliarde de ani prin Univers înainte de a fi captate de „ochii” aparatului.
Călătorie în trecut
În fruntea echipei de construcţie de la Fermilab se află fizicianul Juan Estrada, care s-a alăturat proiectului în calitate de Membru Wilson al Fermilab, în 2004. Estrada era un cercetător postdoctoral, care studia cuarcurile „top” în cadrul experimentului DZero Fermilab, când a devenit atras de posibilitatea de a lucra la camera foto pentru energia întunecată.
În timpul facultăţii, în Argentina, Estrada studiase proprietăţile vidului şi era dornic să reia un subiect pe care îl considera cea mai mare problemă a fizicii: misterioasa energie care pare să vină din nimic.
Pentru asta, mai întâi trebuia să înveţe astronomie. „Fermilab mi-a dat ocazia de a învăţa ceva ce nu mai făcusem înainte”, spune Estrada.
Acesta a învăţat cum funcţionează o cameră foto astronomică de la Tom Droege, un inginer pensionat de la Fermilab, care practică astronomia din observatorul său de acasă. Demontând şi reasamblând aparatul lui Droege, Estrada a învăţat paşii fundamentali ai construirii unui asemenea aparat, lecţie importantă pentru construcţia camerei foto pentru energia întunecată.
Când va fi gata, camera va avea dimensiunile unei maşini Smart. Ceea ce o face atât de puternică sunt 74 de detectori foarte delicaţi: dispozitive cu sarcină cuplată (charge-coupled devices) sau CCD-uri, fiecare având calibrul de 3-6 centimetri şi grosimea de 0,25 milimetri. La fel ca într-o cameră foto digitală obişnuită, aceste dispozitive sunt „filmul” care înregistrează lumina ce pătrunde. CCD-urile vor fi situate pe o placă având diametrul de jumătate de metru, localizată la câţiva centimetri în spatele setului de lentile.
Răcite la -100 grade Celsius pentru a reduce zgomotul de fundal, superbele CCD-uri ale camerei foto vor înregistra lungimi de undă ale luminii, mai mari decât alte camere optice. Acest lucru îi va permite să vadă lumina de la galaxiile care se îndepărtează rapid, lumină ce şi-a mărit lungimea de undă, înspre capătul roşu al spectrului, tot aşa cum sunetul unei sirene scade în intensitate pe măsură ce se îndepărtează. Galaxiile ce se mişcă cu cea mai mare viteză sunt totodată şi cele mai îndepărtate, după cum a descoperit Hubble.
Mai mult, lumina pe care o vedem de la cele mai îndepărtate galaxii este şi cea mai veche, deoarece i-a luat mai mult timp să ajungă la noi. Şi astfel, prin acest lanţ de interferenţe de la cea mai roşie la cea mai rapidă, apoi cea mai îndepărtată şi cea mai veche, Dark Energy Camera va putea să vadă galaxii depărtate aşa cum arătau cu miliarde de ani în urmă, mai aproape de începuturile Universului.
„Schiţăm modul în care galaxiile sunt distribuite, de la modul în care arată astăzi Universul local, până la vremea când Universul nu avea decât câteva miliarde de ani.” spune colaboratorul Dark Energy Survey, Joe Mohr – profesor de fizică şi astronomie la Universitatea Illinois, Urbana-Champaign.
Aparat optic readus la viaţă
Confecţionarea CCD-urilor necesită un proces unic, dezvoltat de inginerii de la Laboratorul Naţional Lawrence Berkeley. Paşii finali ai procesului de manufacturiere au loc într-o clădire în formă de cupolă din cadrul Fermilab. Tehnicienii laboratorului erau deja familiarizaţi cu procesul de asamblare a detectorilor din silicon, utilizaţi în experimentele de fizica particulelor; acum aceştia produc în medie patru CCD-uri pe săptămână.
Odată ce toate CCD-urile vor fi gata – scop pe care echipa se aşteaptă să îl atingă anul viitor – tehnicienii vor termina de asamblat camera şi o vor livra Observatorului Cerro Tololo Inter-American, din Chile, unde va fi poziţionată în vârful unui telescop de 4 metri, numit Bianco.
Camera va readuce la viaţă telescopul vechi de 40 de ani, care a îndeplinit cerinţele studiului, după cum declară Peoples: „A fost ca o nuntă în cer.”
Din Chile până în Illinois
Dark Energy Survey (Studiul Materiei Întunecate) va utiliza telescopul timp de cinci ani între lunile septembrie şi februarie, captând imagini în 105 nopţi pe an şi trimiţând câteva sute de fotografii în fiecare noapte către Universitatea Illinois, Urbana- Champaign. Fiecare imagine are 520 de milioane pixeli, echivalentul a aproximativ 1 gigabyte, cu informaţii înregistrate despre cca. 200.000 de galaxii şi alte obiecte cereşti prea lipsite de strălucire pentru a fi observate de un aparat obişnuit.
Un supercomputer, numit de către Mohr „nava mamă”, va stoca toate aceste imagini şi va detecta în mod automat obiectele pe care le conţin, realizând un catalog al galaxiilor, după luminozitate, poziţia pe cer şi alte proprietăţi. Echipa de oameni de ştiinţă va analiza şi va interpreta aceste informaţii, căutând indicii care ar putea să explice acceleraţia cosmică.
Ce vor afla oamenii de ştiinţă?
„Niciunul dintre noi nu este profet” declară Ofer Lahav, şeful catedrei de astrofizică din cadrul University College London, co-preşedinte al comitetului ştiinţific al proiectului Dark Energy Survey, în colaborare cu Josh Frieman, de la Fermilab. Lahav mărturiseşte că descoperirile vor conduce la o cunoaştere mai complexă a energiei întunecate, sau poate la o versiune modificată a gravitaţiei.
Mai ales în cazul ultimei, o revenire asupra teoriei relativităţii a lui Einstein „ar zgudui fizica din temelii”, crede Lahav. „Oricum ar fi, este interesant.”
În timp ce cercetări viitoare caută să observe cerul mai îndeaproape, în căutarea răspunsurilor despre energia întunecată, proiectul Dark Energy Survey va fi primul care va încerca să rezolve misterul, după spusele lui Lahav.
„Se găseşte printre acele studii care vor da subiectelor energiei întunecate şi a gravităţii modificate o nouă dimensiune”, adaugă acesta. Dar asta nu e tot.
Marea răsplată
Colaboratorii din cadrul proiectului Dark Energy Survey nădăjduiesc ca datele despre stele, quasari şi galaxii să conducă la sute, dacă nu mii de publicaţii ştiinţifice. Aceştia vor face publice datele la un an de la obţinerea lor, abordare folosită, de asemenea, şi pentru datele colectate de proiectul Sloan Digital Sky Survey şi de telescopul Hubble.
Studiul Sloan, care a realizat harta unui sfert din cer, a generat până acum peste 2400 de publicaţii ştiinţifice. Rezultatele sale au fost citate mai des decât ale oricărui alt observator, inclusiv Hubble.
Colaboratorii proiectului Dark Energy Survey speră ca acesta să aibă acelaşi succes. Cercetările asupra cerului sudic vor acoperi o suprafaţă mai mică decât cea acoperită de Sloan pe cerul nordic, dar vor merge mult înapoi în timp.
„Este un proiect mărunt, pentru o răsplată ştiinţifică uriaşă”, spune Flaugher. Cel mai important, ar putea răspunde la întrebarea pe care Flaugher şi colegii săi o consideră „marea întrebare.”
Deşi Flaugher nu poate spune cu certitudine dacă descoperirile vor confirma sau nu existenţa energiei întunecate, aceasta este sigură de un lucru.
„Nu mai vreau discuţii în contradictoriu pe tema aceasta”, spune Flaugher. „Avem nevoie de date, date şi iar date.”
Peste câţiva ani le va şi avea.
Articol tradus pentru www.StiintaAzi.ro de Mălina Iorga din revista Symmetry, cu permisiunea lor.
