Dossier Cosmologia 5: L’expansió de l’Univers s’està accelerant

No, la Terra no és el centre de l’Univers. El Sol tampoc. El nostre planeta, la nostra galàxia són uns anònims perduts en la immensitat del cosmos. Descobriu aquí algunes nocions de cosmologia que us permetran comprendre millor quin és el nostre lloc a l’Univers.

L’expansió de l’Univers s’està accelerant. Els investigadors van arribar a aquesta conclusió a la segona meitat de la dècada de 1990 mitjançant l'observació de la brillantor de les estrelles considerades candeles estàndard. Aquesta acceleració de l’expansió de l’Univers seria recent.

 La observació de certes estrelles va permetre descobrir l’acceleració de l’expansió
de l’Univers. Aquí, una imatge artística d'una supernova. © ESO, CC per 4,0

Un material molt atractiu

El model cosmològic que dóna una formulació teòrica al fenomen d’expansió és el model del Big Bang. Al model estàndard del Big Bang, el "contingut d'energia-matèria" consisteix en matèria o radiació. Les prediccions teòriques d’aquest “model estàndard” i l’observació del cosmos (galàxies, cúmuls, supercúmuls) condueixen a la idea que l’Univers actual ha entrat definitivament a la “era de la matèria” i que la seva l'expansió està governada per ella, ja sigui "ordinària" o "negra".

A aquest contingut de matèria correspon, en el diagrama de la relativitat general, un terme sempre equivalent a una gravitació atractiva. A continuació predim, sigui quina sigui la causa inicial de l’expansió, que s’ha d’alentir amb el pas del temps si la matèria domina el contingut energètic del cosmos (la situació física és de fet similar a la d’un projectil que llancem i que acaba caient sota l'acció de la gravetat.

Candeles estàndard al cel

No obstant això, els anys 1995, dos grups de científics van anunciar que, segons les seves mesures, l’expansió de l’Univers, en lloc d’alentir-se com tothom esperaria, està en acceleració. D'on va sorgir aquesta certesa? Es va obtenir analitzant la variació, en funció de la distància, de la brillantor de les estrelles considerades candeles estàndard, és a dir de les estrelles que tenen la mateixa lluminositat absoluta.

Supernova a la galàxia NGC 4526. © NASA

Les supernoves són estrelles que, al final de la seva vida, exploten, alliberant una energia considerable (equivalent a l’energia emesa per una galàxia poblada per milers de milions d’estrelles ordinàries). Això les fa visibles fins i tot a llargues distàncies i per tant fa possible la exploració del cosmos llunyà.

L’energia total alliberada en forma de radiació durant aquesta explosió (si encara es poden dilucidar els detalls del fenomen, les raons relacionades amb la física fonamental permeten entendre el seu aspecte universal) apareix gairebé constant d’una estrella a una altra, d’aquí el seu nom de “candeles estàndard” astronòmiques (vegeu imatges a continuació).

L’energia total alliberada en forma de radiació durant aquesta explosió (si encara es poden dilucidar els detalls del fenomen, les raons relacionades amb la física fonamental permeten entendre el seu aspecte universal) apareix gairebé constant d’una estrella a una altra, d’aquí el seu nom de “candeles estàndard” astronòmics (vegeu imatges a continuació).

Imatges obtingudes amb el telescopi CFH, a partir del projecte d'estudis de supernoves SNLS.
Veiem una galàxia observada en dos moments diferents. A la imatge a la part inferior dreta
es mostra la supernova que havia explotat a la galàxia. La gran lluminositat intrínseca d’aquestes
estrelles (unes 100 mil milions de vegades el Sol) associades a la seva quasi constància
les converteixen en “candeles estàndard” que permeten sondejar l’univers llunyà. La distància
de la galàxia amfitriona de la supernova es mesura mitjançant instruments des del VLT del ESO. © DR

A continuació, podem seguir la variació amb la distància de la seva brillantor aparent, aquesta última disminuint com els fars d'un cotxe a mesura que s’allunya. Els models cosmològics prediuen lleis de variació d’aquesta brillantor, lleis diferents segons l’Univers s’està expandint o no i segons si s’alenteix o s’accelera (vegeu gràfics a continuació).

L’expansió de l’Univers s’està accelerant (vegeu les explicacions a continuació). © DR

Una recent acceleració en l’expansió de l’Univers

En un univers corbat en expansió, la brillantor de les estrelles en funció de la seva distància respecte de l'observador, varia diferent segons si aquesta expansió s'accelera o es desaccelera. Observar la brillantor de les candeles estàndard, com les supernoves, en funció de la seva distància (o del seu desplaçament espectral) permet distingir diversos comportaments. A la part superior, el gràfic superior mostra l'evolució de la brillantor (eix vertical) en funció del desplaçament espectral (eix horitzontal) per a una expansió en desacceleració constant (línia puntejada) i per a una fase d'acceleració (línia sòlida).

Les observacions actuals (aquí les mesures del SNLS* amb les seves barres d’error) afavoreixen el cas d’una recent acceleració (a causa d’una energia fosca repulsiva) després d’una fase de desacceleració (per l’acció de la matèria atractiva). El gràfic inferior mostra els mateixos resultats en una altra representació, però amb les mateixes convencions (línia puntejada: desacceleració, línia sòlida: acceleració).

L’enfrontament d’observacions i prediccions va resoldre, per a sorpresa dels cosmòlegs, a favor de l’acceleració de l’expansió de l’Univers!.

Nota:
* SNLS: Supernova Legacy Survey (Estudi del llegat de les Supernoves)

- Capítol anterior: Cosmos: un univers en expansió

- Capítol següent: L'Univers, un sistema quàntic? 

Autor de l'original: Alain Mazure, astrofísic
Ho he vist aquí