Materia întunecată și energia întunecată sunt două dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne și cosmologiei. Deși nu pot fi observate direct, aceste componente enigmatice par să reprezinte aproximativ 95% din conținutul universului. Materia întunecată constituie în jur de 27%, iar energia întunecată domină cu aproximativ 68%. Restul de doar 5% este materia obișnuită, cea din care sunt alcătuite stelele, planetele și noi înșine. Dar cum studiem ceva ce nu putem vedea? Răspunsul constă în observațiile indirecte și măsurătorile precise ale efectelor acestor componente asupra universului.
Materia întunecată: efectele gravitaționale și observațiile cosmologice
Materia întunecată nu emite, nu absoarbe și nu reflectă lumina, ceea ce o face invizibilă pentru telescoapele optice tradiționale. Totuși, existența sa a fost dedusă din efectele gravitaționale pe care le exercită asupra materiei vizibile. Unul dintre primele indicii ale existenței materiei întunecate a venit din observațiile asupra rotației galaxiilor. Conform legilor fizicii newtoniene, stelele de la marginea galaxiilor ar trebui să se rotească mai încet decât cele din apropierea centrului. Cu toate acestea, observațiile au arătat că stelele din regiunile exterioare ale galaxiilor se rotesc cu viteze surprinzător de mari, sugerând prezența unei cantități semnificative de masă invizibilă, numită materie întunecată.
Un alt mod de a studia materia întunecată este prin fenomenul de lentilă gravitațională. Conform teoriei relativității generale a lui Einstein, masa distorsionează spațiu-timpul din jurul său, curbind calea luminii. Când un obiect masiv, precum un grup de galaxii, se află între un observator și o sursă de lumină, lumina sursei este deviată, creând imagini multiple sau distorsionate ale acesteia. Prin analiza acestor distorsiuni, oamenii de știință pot estima cantitatea de materie prezentă, inclusiv materia întunecată.
Energia întunecată: expansiunea accelerată a universului
Energia întunecată a fost propusă pentru a explica un alt fenomen observat: expansiunea accelerată a universului. În anii 1990, măsurătorile distanțelor la supernovele de tip Ia, care servesc ca „lumânări standard” datorită luminozității lor previzibile, au arătat că universul se extinde mai rapid decât se credea anterior. Acest lucru a sugerat prezența unei forme de energie care contracarează atracția gravitațională și accelerează expansiunea universului.
Pentru a studia energia întunecată, astronomii folosesc mai multe metode. Una dintre acestea este cartografierea distribuției galaxiilor în univers. Modelând modul în care galaxiile sunt distribuite la scară mare, cercetătorii pot deduce proprietățile energiei întunecate. Un alt instrument puternic este efectul Sunyaev-Zel’dovich, care măsoară distorsiunile radiației cosmice de fond. Aceste măsurători oferă indicii despre cum materia și energia întunecată au influențat evoluția universului de la Big Bang până în prezent.
Instrumente și experimente de frontieră
Pentru a înțelege mai bine materia întunecată și energia întunecată, cercetătorii folosesc o gamă largă de instrumente avansate. Printre acestea se numără telescoapele spațiale precum Hubble, care oferă imagini detaliate ale galaxiilor și clusterelor de galaxii, și Planck, care a măsurat cu mare precizie radiația cosmică de fond. Pe Pământ, experimente precum detectorul de materie întunecată de la Gran Sasso din Italia încearcă să capteze interacțiunile rare dintre materia întunecată și particulele obișnuite.
În plus, acceleratoarele de particule precum Large Hadron Collider (LHC) de la CERN sunt folosite pentru a recrea condițiile de imediat după Big Bang, în speranța de a detecta particule de materie întunecată sau de a obține indicii despre natura energiei întunecate. Modele teoretice, cum ar fi teoria superasimetriei, sugerează existența unor particule care ar putea constitui materia întunecată, iar LHC este unul dintre instrumentele care pot testa aceste predicții.
Viitorul studiilor asupra materiei și energiei întunecate
Deși progresele au fost impresionante, suntem încă departe de a înțelege pe deplin aceste fenomene. Viitoarele misiuni spațiale, precum telescopul spațial James Webb, și proiectele de cartografiere cosmică, precum Dark Energy Survey, promit să ofere noi date și să testeze noi teorii. În paralel, dezvoltarea de noi detectoare și experimente la scară mică continuă să fie esențială pentru a prinde materia întunecată în act.