Article:

TdC: Expansió accelerada de l'univers - Pilar Ruiz-Lapuente

19-06-2016 Josep Lluís Díez

Pilar Ruiz-Lapuente és cosmòloga de l'Instituto de Física Fundamental, CSIC, Madrid i de l'Institut de Ciències del Cosmos. Universitat de Barcelona. Ha estat membre del projecte internacional d'observació de supernoves que va descobrir l'expansió accelerada de l'univers el 1999 i que va suposar el Premi Nobel de Física 2011 al director del projecte Saul Perlmutter.

Pilar R-L comença la seva exposició parlant de les primers evidències de que l'univers s'està expandint: el 1916, Vesto Slipher mesurà la velocitat de les galàxies properes i va descobrir que s'estan allunyant de nosaltres. Per fer la mesura va utilitzar l'efecte Doppler, segons el qual, l'espectre de la llum que ens arriba d'objectes que s'estan allunyant de nosaltres està desplaçat cap al vermell; aquest desplaçament és més gran quan més ràpidament s'allunyen i això permet la mesura de la velocitat. A finals dels anys 20 i començament dels 30 del segle passat, Edwin P. Hubble confirmà les velocitats d'allunyament de les nebuloses extragalàctiques, ja aleshores identificades com galàxies exteriors a la nostra. Era clar que l'univers s'estava expandint. El 1929, Hubble utilitzà les estrelles més brillants de les galàxies més properes, per mesurar la distància a la que es troben, assumint que les estrelles més brillants seran similars en totes les galàxies. Juntament amb Milton L. Humason publicà el 1931 una gràfica que relacionava la distància a la que es troben les galàxies amb la velocitat a la que es movien. A la gràfica apareix una constant Ho, la constant de Hubble, el valor de la qual permet determinar el ritme d'expansió de l'univers.

Però, com es podia interpretar el fet que les galàxies s'allunyen de nosaltres a velocitats proporcionals a les seves distàncies, es demana Pilar R-L? Hem de trobar la resposta a la Teoria General de la Relativitat (TGR) d'Albert Einstein, publicada el 1915 que és, des d'aleshores, el marc teòric per interpretar l'univers. La TGR ha estat provada en nombroses ocasions, des de poc després de ser publicada, quan va servir per explicar el corriment anormal del periheli del planeta Mercuri, fins a finals del segle passat, quan va explicar correctament la contracció de l'òrbita del púlsar 1913+16 deguda a l'emissió d'ones gravitacionals, estudiada al llarg de 30 anys.

A la TGR, la geometria de l'espai-temps és determinada per la distribució de la massa-energia. Una distribució de massa-energia uniforme és la hipòtesi més senzilla i està d'acord amb les observacions. Les equacions d'Einstein predeien inicialment que l'univers hauria d'estar contraientse o expandint-se. Com que aleshores se suposava que l'univers era estàtic, Einstein va incloure a la TGR la famosa constant cosmològica, per adaptar-la a aquesta suposició. Però després de les observacions de Hubble de l'expansió de l'univers, Einstein va considerar innecessària la constant cosmològica i la va treure de la TGR. L'aplicació de la TGR a la cosmologia, feta independentment per Alexander Friedmann i Georges Lemaître, va donar el model teòric que explicava l'expansió de l'univers.

Entre els anys 40 i 60 del segle passat va sorgir un nou model d'univers oposat a l'expansió, promogut entre d'altres per Fred Hoyle, el model estacionari, del que una de les característiques era que implicava la contínua creació de noves galàxies, el que era difícilment acceptable. Fred Hoyle, per fer una crítica del model d'expansió, es va referir a ell com el Big Bang, nom que va fer fortuna i va servir des d'aleshores per identificar el model d'univers en expansió. Quan el 1965 Arno Penzias i Robert Wilson van descobrir el fons còsmic de microones, que era una predicció del model d'expansió o Big Bang, aquesta es va convertir en la teoria generalment acceptada. Per conèixer el ritme d'expansió de l'univers restava però la determinació precisa de la constant de Hubble Ho, i per fer-ho, calia disposar d'un mètode precís de determinació de distàncies a l'univers. Un pas decisiu va ser la detecció d'estrelles variables cefeides al centre del cúmul de Virgo i la mesura de la brillantor i el període de pulsació. Això va permetre obtenir un determinat valor del ritme d'expansió.

Un nou pas en el coneixement de l'acceleració de l'univers va ser donat a finals del segle passat, basat en l'estudi de les supernoves. Les supernoves són explosions estel·lars gegantines, que es poden produir per un col·lapse gravitatori d'una estrella de gran massa o per una explosió termonuclear en un sistema estel·lar doble format per una nana blanca i una altra estrella. En aquest segon cas, la nana blanca augmenta de massa per acreció de la massa de l'estrella companya fins que l'intens camp gravitatori que es produeix la contrau molt ràpidament i això encén, de manera explosiva, el combustible termonuclear (una barreja de carboni i oxigen), produint una gran emissió de llum i energia. És el que es coneix com SuperNova tipus Ia o abreujadament SNeIa que tenen una evolució característica: hi ha un màxim de lluminositat al cap de pocs dies de l'explosió i després aquesta va decreixent lentament.

A començament dels anys 90 del segle passat, el Supernova Cosmologic Project, liderat per Saul Perlmutter del Lawrence Berkeley Laboratori (LBL), amb les observacions del telescopi espacial Hubble i amb una gran participació internacional (inclosa Pilar R-L lider del grup de La Palma, Canarias), desenvolupà una estratègia per a la detecció i seguiment de SNeIa. Es van detectar i analitzar 42 SNeIa i el resultat (publicat el 1999 i signat per Saul Perlmutter i, entre d'altres, Pilar R-L) va ser que l'univers s'està accelerant més ràpidament del que es pensava i que, per un univers pla, el contingut de matèria seria del 28% i d'energia del 72%. Es va provar també que la fase actual d'expansió accelerada de l'univers, fou precedida per una fase de frenada, que va durar fins uns sis mil milions d'anys després del Big Bang.

Pilar R-L acaba la seva exposició resumint:
- El descobriment publicat el 1999 de l'acceleració de l'expansió de l'univers precedida per una fase de frenada ha estat confirmat per noves observacions de SNeIa (fins a 557) i la missió WMAP de NASA ha confirmat la planesa de l'univers.
- El repte actual és determinar la component de l'univers que està produint l'acceleraci, l'energia fosca, i saber si és constant en el temps.
- S'ha de minimitzar la principal font d'error sistemàtic de les observacions de SNeIa, l'extinció per pols de la brillantor de la supernova dins de la galàxia hoste, amb observacions dirigides a galàxies el·líptiques, gairebé lliures de pols.

Els aplaudiments i les preguntes dels assistents van posar punt final a una magnífica i exhaustiva classe de cosmologia feta per un dels especialistes mundials.