de două ori pe zi, șapte zile pe săptămână, din februarie până în noiembrie în ultimii patru ani, doi cercetători s-au stratificat cu lenjerie termică și îmbrăcăminte exterioară, cu lână, flanelă, mănuși duble, șosete duble, salopete căptușite și parcuri roșii pufoase, mumificându-se până când arată ca bărbați Gemeni Michelin. Apoi ies afară, tranzacționând căldura și facilitățile moderne ale unei stații științifice (foosball, centru de fitness, cafenea de 24 de ore) pentru un peisaj Fahrenheit de minus 100 de grade, mai plat decât Kansas și unul dintre cele mai reci locuri de pe planetă. Ei trudge în întuneric aproape o milă, pe un platou de zăpadă și gheață, până când discern, pe fundalul mai multor stele decât orice observator din curtea din buzunar a văzut vreodată, silueta discului uriaș al telescopului Polului Sud, unde se alătură unui efort global pentru a rezolva, eventual, cea mai mare enigmă din univers: din ce este făcută cea mai mare parte.

de mii de ani specia noastră a studiat cerul nopții și s-a întrebat dacă mai este ceva acolo. Anul trecut am sărbătorit cea de-a 400-a aniversare a răspunsului lui Galileo: Da. Galileo a antrenat un nou instrument, telescopul, pe ceruri și a văzut obiecte pe care nici o altă persoană nu le-a văzut vreodată: sute de stele, munți pe lună, sateliți ai lui Jupiter. De atunci am găsit mai mult de 400 de planete în jurul altor stele, 100 de miliarde de stele în galaxia noastră, sute de miliarde de galaxii dincolo de a noastră, chiar și radiația slabă care este ecoul Big Bang-ului.

acum, oamenii de știință cred că chiar și acest recensământ extravagant al universului ar putea fi la fel de depășit ca cosmosul cu cinci planete pe care Galileo l-a moștenit de la antici. Astronomii au adunat dovezi că ceea ce ne—am gândit întotdeauna ca universul real—eu, Tu, această revistă, planete, stele, galaxii, toată materia din spațiu-reprezintă doar 4% din ceea ce este de fapt acolo. Restul le numesc, din lipsă de un cuvânt mai bun, întuneric: 23 la sută este ceva ce ei numesc materie întunecată, iar 73 la sută este ceva și mai misterios, pe care ei îl numesc energie întunecată.

„avem un inventar complet al universului”, a spus Sean Carroll, un cosmolog al Institutului de Tehnologie din California, „și nu are sens.”

oamenii de știință au câteva idei despre ceea ce ar putea fi materia întunecată—particule exotice și încă ipotetice—dar nu au nici o idee despre energia întunecată. În 2003, Consiliul Național de cercetare a enumerat „care este natura energiei întunecate?”ca una dintre cele mai presante probleme științifice din deceniile următoare. Șeful comitetului care a scris raportul, cosmologul Universității din Chicago, Michael S. Turner, merge mai departe și clasifică energia întunecată drept „cel mai profund mister din toată știința.”

efortul de a o rezolva a mobilizat o generație de astronomi într-o regândire a fizicii și cosmologiei pentru a rivaliza și poate depăși Revoluția inaugurată de Galileo într-o seară de toamnă la Padova. Ei se împacă cu o ironie profundă: vederea însăși ne-a orbit aproape de întregul univers. Iar recunoașterea acestei orbiri, la rândul său, ne-a inspirat să ne întrebăm, ca și cum ar fi pentru prima dată: ce este acest cosmos pe care îl numim acasă?

oamenii de știință au ajuns la un consens în anii 1970 că universul este mai mult decât pare. În simulările computerizate ale galaxiei noastre, Calea Lactee, teoreticienii au descoperit că centrul nu ar ține—pe baza a ceea ce putem vedea din ea, galaxia noastră nu are suficientă masă pentru a menține totul la locul său. Pe măsură ce se rotește, ar trebui să se dezintegreze, vărsând stele și gaze în toate direcțiile. Fie o galaxie spirală, cum ar fi Calea Lactee, încalcă legile gravitației, fie lumina care emană din ea—din vastele nori strălucitori de gaz și din nenumăratele stele—este o indicație inexactă a masei galaxiei.dar dacă o parte din masa unei galaxii nu radiază lumină? Dacă galaxiile spiralate ar conține suficientă masă misterioasă, atunci ar putea foarte bine să se supună legilor gravitației. Astronomii au numit masa invizibilă ” materie întunecată.”nimeni nu ne-a spus vreodată că toată materia radiază”, a spus Vera Rubin, un astronom ale cărui observații ale rotațiilor galaxiilor au furnizat dovezi pentru materia întunecată. „Am presupus doar că a făcut-o.”efortul de a înțelege materia întunecată a definit o mare parte din astronomie pentru următoarele două decenii. Este posibil ca astronomii să nu știe ce este materia întunecată, dar deducerea prezenței sale le-a permis să urmărească într-un mod nou o întrebare eternă: Care este soarta universului?

ei știau deja că universul se extinde. În 1929, astronomul Edwin Hubble descoperise că galaxiile îndepărtate se îndepărtau de noi și că, cu cât se îndepărtau mai mult, cu atât păreau să se retragă mai repede.

aceasta a fost o idee radicală. În loc de viața nemișcată impunătoare, veșnic neschimbată, pe care universul părea să fie odată, era de fapt viu în timp, ca un film. Derulați filmul expansiunii și universul va ajunge în cele din urmă la o stare de densitate și energie infinită—ceea ce astronomii numesc Big Bang. Dar ce se întâmplă dacă te-a lovit fast-forward? Cum se va termina povestea?universul este plin de materie, iar materia atrage alte materii prin gravitație. Astronomii au argumentat că atracția reciprocă dintre tot ceea ce contează trebuie să încetinească expansiunea universului. Dar nu știau care va fi rezultatul final. Efectul gravitațional ar fi atât de puternic încât universul s-ar întinde în cele din urmă la o anumită distanță, s-ar opri și s-ar inversa, ca o minge aruncată în aer? Sau ar fi atât de ușor încât universul să scape de sub control și să nu se oprească niciodată din expansiune, ca o rachetă care părăsește atmosfera Pământului? Sau am trăit într—un univers deosebit de echilibrat, în care gravitația asigură o rată de expansiune Goldilocks nici prea rapidă, nici prea lentă-astfel încât universul va ajunge în cele din urmă la un impas virtual?presupunând existența materiei întunecate și că legea gravitației este universală, două echipe de astrofizicieni-una condusă de Saul Perlmutter, la Laboratorul Național Lawrence Berkeley, cealaltă de Brian Schmidt, la Universitatea Națională Australiană—și-au propus să determine viitorul Universului. De-a lungul anilor 1990, echipele rivale au analizat îndeaproape o serie de stele care explodează sau supernove, folosind acele obiecte îndepărtate neobișnuit de strălucitoare, de scurtă durată, pentru a măsura creșterea universului. Ei știau cât de strălucitoare ar trebui să apară supernovele în diferite puncte ale universului dacă rata de expansiune ar fi uniformă. Comparând cât de strălucitoare au apărut supernovele, astronomii s-au gândit că ar putea determina cât de mult încetinește expansiunea universului. Dar, spre surprinderea astronomilor, când au privit până la jumătatea universului, la șase sau șapte miliarde de ani lumină distanță, au descoperit că supernovele nu erau mai strălucitoare-și, prin urmare, mai apropiate—decât se așteptau. Erau mai slabe—adică mai îndepărtate. Cele două echipe au ajuns la concluzia că expansiunea universului nu încetinește. Se accelerează.

implicația acestei descoperiri a fost importantă: însemna că forța dominantă în evoluția universului nu este gravitația. Este…altceva. Ambele echipe și-au anunțat concluziile în 1998. Turner a dat” ceva ” o poreclă: energie întunecată. S-a blocat. De atunci, astronomii au urmărit misterul energiei întunecate până la marginile pământului—literalmente.

„Polul Sud are cel mai dur mediu de pe Pământ, dar și cel mai benign”, spune William Holzapfel, un astrofizician al Universității din California la Berkeley, care a fost cercetătorul principal la fața locului la Telescopul Polului Sud (SPT) când am vizitat.

nu se referea la vreme, deși în săptămâna dintre Crăciun și Anul Nou—începutul verii în emisfera sudică—Soarele strălucea non-stop, temperaturile erau abia în minus cifre unice (și într-o zi chiar au rupt zero), iar vântul a fost în mare parte calm. Holzapfel a făcut plimbarea de la stația Amundsen-Scott South Pole a Fundației Naționale pentru științe (o aruncare de bulgăre de zăpadă de la locul tradițional al polului în sine, care este marcat cu, da, un stâlp) până la telescop purtând blugi și pantofi de alergare. Într-o după-amiază, clădirea laboratorului telescopului s-a încălzit atât de mult încât echipajul a deschis o ușă.

dar din perspectiva unui astronom, nu până când soarele nu apune și nu rămâne în jos—din martie până în septembrie— Polul Sud devine „benign.”sunt șase luni de date neîntrerupte”, spune Holzapfel. În timpul întunericului de 24 de ore al toamnei și iernii Australe, telescopul funcționează non-stop în condiții impecabile pentru astronomie. Atmosfera este subțire (polul este la peste 9.300 de metri deasupra nivelului mării, dintre care 9.000 sunt gheață). Atmosfera este, de asemenea, stabilă, datorită absenței efectelor de încălzire și răcire ale unui soare care răsare și apune; Polul are unele dintre cele mai calme vânturi de pe Pământ și aproape întotdeauna suflă din aceeași direcție.poate cel mai important pentru telescop, aerul este extrem de uscat; din punct de vedere tehnic, Antarctica este un deșert. (Mâinile crăpate pot dura săptămâni pentru a se vindeca, iar transpirația nu este într-adevăr o problemă de igienă, astfel încât restricția la două dușuri pe săptămână pentru a conserva apa nu este o problemă prea mare. După cum mi-a spus un veteran polonez, „în momentul în care te întorci prin vamă la Christchurch , atunci vei avea nevoie de un duș.”) SPT detectează microundele, o parte a spectrului electromagnetic care este deosebit de sensibilă la vaporii de apă. Aerul umed poate absorbi microundele și le poate împiedica să ajungă la telescop, iar umiditatea emite propria radiație, care ar putea fi interpretată greșit ca semnale cosmice.pentru a minimiza aceste probleme, astronomii care analizează microundele și undele submilimetrice au făcut din Polul Sud o a doua casă. Instrumentele lor se află în sectorul întunecat, un grup strâns de clădiri în care lumina și alte surse de radiații electromagnetice sunt menținute la minimum. (În apropiere se află sectorul liniștit, pentru cercetări seismologice, și sectorul aerului curat, pentru proiecte climatice.astronomilor le place să spună că, pentru condiții de observare mai curate, ar trebui să meargă în spațiul cosmic—o propunere exponențial mai scumpă și una pe care NASA, în general, nu-i place să o urmărească decât dacă știința nu poate fi făcută cu ușurință pe Pământ. (Un satelit de energie întunecată a fost pe și de pe placa de desen din 1999, iar anul trecut a mers „înapoi la un pătrat”, potrivit unui consilier NASA.) Cel puțin pe Pământ, dacă ceva nu merge bine cu un instrument, nu trebuie să rechiziționați o navetă spațială pentru a o remedia.

Statele Unite și-au menținut prezența pe tot parcursul anului la pol din 1956, iar până acum programul Antarctic al Fundației Naționale pentru științe din SUA a ajuns viața acolo până la, ei bine, o știință. Până în 2008, stația a fost găzduită într-o cupolă geodezică a cărei coroană este încă vizibilă deasupra zăpezii. Noua stație de bază seamănă cu o navă de croazieră mică mai mult decât un avanpost îndepărtat și doarme mai mult de 150, toate în cartiere private. Prin hublourile care aliniază cele două etaje, puteți contempla un orizont la fel de hipnotic ca orice ocean. Noua stație se sprijină pe ascensoare care, pe măsură ce zăpada se acumulează, îi permit să fie conectată la două etaje complete.

zăpada din această regiune ultra-aridă poate fi minimă, dar ceea ce suflă de la marginile continentului poate face încă o mizerie, creând una dintre sarcinile mai banale pentru echipajul de iarnă al SPT. O dată pe săptămână în lunile întunecate, când populația stației se micșorează la aproximativ 50, cei doi cercetători SPT de la fața locului trebuie să urce în vasul cu microunde de 33 de picioare al telescopului și să-l curețe. Telescopul colectează date și le trimite pe desktop-urile cercetătorilor îndepărtați. Cele două” ierni ” își petrec zilele lucrând și la date, analizându-le ca și cum s-ar fi întors acasă. Dar când telescopul lovește o eroare și sună o alarmă pe laptopurile lor, trebuie să—și dea seama care este problema-rapid.

„o oră de oprire înseamnă mii de dolari de timp de observare pierdut”, spune Keith Vanderlinde, unul dintre cele două ierni din 2008. „Există întotdeauna lucruri mici. Un ventilator se va rupe pentru că este atât de uscat acolo, încât toată lubrifierea dispare. Și apoi computerul se va supraîncălzi și se va opri, și dintr-o dată suntem în jos și nu avem nici o idee de ce.”În acel moment, mediul ar putea să nu pară atât de” benign ” până la urmă. Nu există zboruri către sau de la Polul Sud din martie până în octombrie (uleiul de motor al unui avion s-ar gelatina), așa că, dacă iarna nu poate repara ceea ce este rupt, acesta rămâne rupt—ceea ce nu s-a întâmplat încă.mai mult decât majoritatea științelor, astronomia depinde de simțul vederii; înainte ca astronomii să poată reimagina universul ca întreg, trebuie mai întâi să-și dea seama cum să perceapă părțile întunecate. Știind ce este materia întunecată ar ajuta oamenii de știință să se gândească la modul în care se formează structura universului. Știind ce face energia întunecată ar ajuta oamenii de știință să se gândească la modul în care această structură a evoluat în timp—și cum va continua să evolueze.

oamenii de știință au câțiva candidați pentru compoziția materiei întunecate—particule ipotetice numite neutralinos și axioni. Cu toate acestea, pentru energia întunecată, provocarea este să ne dăm seama nu ce este, ci cum este. În special, astronomii vor să știe dacă energia întunecată se schimbă în spațiu și timp sau dacă este constantă. O modalitate de a o studia este măsurarea așa-numitelor oscilații acustice barionice. Când universul era încă la început, cu o vechime de doar 379.000 de ani, s-a răcit suficient pentru ca barionii (particule formate din protoni și neutroni) să se separe de fotoni (pachete de lumină). Această separare a lăsat în urmă o amprentă—numită fundal cosmic cu microunde—care poate fi detectată și astăzi. Include unde sonore („oscilații acustice”) care au străbătut universul infantil. Vârfurile acestor oscilații reprezintă regiuni ușor mai dense decât restul universului. Și pentru că materia atrage materia prin gravitație, acele regiuni au devenit și mai dense pe măsură ce universul îmbătrânea, fuzionând mai întâi în galaxii și apoi în grupuri de galaxii. Dacă astronomii compară oscilațiile de fond ale microundelor cosmice originale cu distribuția galaxiilor în diferite etape ale istoriei universului, ei pot măsura rata expansiunii universului.o altă abordare a definirii energiei întunecate implică o metodă numită lentilă gravitațională. Conform teoriei relativității generale a lui Albert Einstein, un fascicul de lumină care călătorește prin spațiu pare să se îndoaie din cauza atracției gravitaționale a materiei. (De fapt, spațiul în sine este cel care se îndoaie, iar lumina merge doar pentru plimbare.) Dacă două grupuri de galaxii se află de-a lungul unei singure linii de vedere, clusterul din prim-plan va acționa ca o lentilă care distorsionează lumina provenită din clusterul de fundal. Această distorsiune poate spune astronomilor masa clusterului din prim-plan. Prin eșantionarea a milioane de galaxii din diferite părți ale universului, astronomii ar trebui să poată estima rata la care galaxiile s-au grupat în grupuri de-a lungul timpului, iar această rată le va spune cât de repede s-a extins universul în diferite puncte din istoria sa.

telescopul Polului Sud folosește o a treia tehnică, numită efectul Sunyaev-Zel ‘ dovich, numită după doi fizicieni sovietici, care se bazează pe fundalul microundelor cosmice. Dacă un foton din acesta din urmă interacționează cu gazul fierbinte într-un cluster, acesta are o ușoară creștere a energiei. Detectarea acestei energii permite astronomilor să cartografieze acele clustere și să măsoare influența energiei întunecate asupra creșterii lor de-a lungul istoriei universului. Asta, cel puțin, este speranța. „O mulțime de oameni din comunitate au dezvoltat ceea ce cred că este un scepticism sănătos. Ei spun: „este minunat, dar arată-ne banii”, spune Holzapfel. „Și cred că într-un an sau doi, vom fi în măsură să putem face acest lucru.”

echipa SPT se concentrează pe grupurile de galaxii, deoarece acestea sunt cele mai mari structuri din univers, adesea constând din sute de galaxii—sunt de un milion de miliarde de ori masa Soarelui. Pe măsură ce energia întunecată împinge universul să se extindă, grupurile de galaxii vor avea un timp mai greu în creștere. Ei vor deveni mai îndepărtați unul de celălalt, iar universul va deveni mai rece și mai singur.

grupurile de galaxii „sunt un fel de Canare într-o mină de cărbune în ceea ce privește formarea structurii”, spune Holzapfel. Dacă densitatea materiei întunecate sau proprietățile energiei întunecate s-ar schimba, abundența clusterelor „ar fi primul lucru care ar fi modificat.”Telescopul de la Polul Sud ar trebui să poată urmări grupurile de galaxii în timp. „Puteți spune:” cu atâtea miliarde de ani în urmă, câte clustere erau acolo și câte sunt acum?””spune Holzapfel. „Și apoi comparați-le cu predicțiile voastre.”

cu toate acestea, toate aceste metode vin cu un avertisment. Ei presupun că înțelegem suficient gravitația, care nu este doar forța care se opune energiei întunecate, ci a fost chiar fundamentul fizicii în ultimele patru secole.

de douăzeci de ori pe secundă, un laser ridicat în Munții Sacramento din New Mexico țintește un puls de lumină către Lună, la 239.000 de mile distanță. Ținta fasciculului este unul dintre cele trei reflectoare de dimensiuni valize pe care astronauții Apollo le-au plantat pe suprafața lunară în urmă cu patru decenii. Fotonii din fascicul sări de pe oglindă și se întorc în New Mexico. Timpul total de călătorie dus-întors: 2,5 secunde, mai mult sau mai puțin.

că „mai mult sau mai puțin” face diferența. Prin sincronizarea călătoriei cu viteza luminii, cercetătorii de la Apache Point Observatory Lunar laser-ranging Operation (APOLLO) pot măsura distanța Pământ-Lună moment la moment și pot cartografia orbita Lunii cu o precizie deosebită. Ca și în povestea apocrifă a lui Galileo aruncând bile din Turnul Înclinat din Pisa pentru a testa universalitatea căderii libere, APOLLO tratează Pământul și luna ca două bile care cad în câmpul gravitațional al Soarelui. Mario Livio, astrofizician la Space Telescope Science Institute din Baltimore, îl numește un „experiment absolut incredibil.”Dacă orbita Lunii prezintă chiar și cea mai mică abatere de la predicțiile lui Einstein, oamenii de știință ar putea fi nevoiți să—și regândească ecuațiile-și poate chiar existența materiei întunecate și a energiei întunecate.

„până acum, Einstein ține”, spune unul dintre observatorii principali ai lui APOLLO, astronomul Russet McMillan, în timp ce proiectul ei de cinci ani trece de jumătatea drumului.chiar dacă Einstein nu ar rezista, cercetătorii ar trebui mai întâi să elimine alte posibilități, cum ar fi o eroare în măsura masei Pământului, Lunii sau soarelui, înainte de a admite că relativitatea generală necesită o corecție. Chiar și așa, astronomii știu că iau gravitația de la sine pe propriul lor pericol. Ei au dedus existența materiei întunecate datorită efectelor sale gravitaționale asupra galaxiilor și existența energiei întunecate datorită efectelor sale anti-gravitaționale asupra expansiunii universului. Ce se întâmplă dacă presupunerea care stă la baza acestor inferențe gemene—că știm cum funcționează gravitația—este greșită? Poate o teorie a universului chiar mai bizară decât cea care prezintă materie întunecată și energie întunecată să explice dovezile? Pentru a afla, oamenii de știință testează gravitația nu numai în univers, ci și pe masă. Până de curând, fizicienii nu măsuraseră gravitația la distanțe extrem de apropiate.

„uimitor, nu-i așa?”spune Eric Adelberger, coordonatorul mai multor experimente gravitaționale care au loc într-un laborator de la Universitatea din Washington, Seattle. „Dar nu ar fi uimitor dacă ai încerca să o faci”—dacă ai încerca să testezi gravitația la distanțe mai mici de un milimetru. Testarea gravitației nu este pur și simplu o chestiune de a pune două obiecte aproape unul de celălalt și de a măsura atracția dintre ele. Tot felul de alte lucruri pot exercita o influență gravitațională.”există metal aici”, spune Adelberger, arătând spre un instrument din apropiere. „Există un deal aici” —fluturând spre un moment dat dincolo de zidul de beton care înconjoară Laboratorul. „E un lac acolo.”Există, de asemenea, nivelul apei subterane din sol, care se schimbă de fiecare dată când plouă. Apoi, există rotația Pământului, poziția Soarelui, materia întunecată din inima galaxiei noastre.

în ultimul deceniu, echipa din Seattle a măsurat atracția gravitațională dintre două obiecte la distanțe din ce în ce mai mici, până la 56 microni (sau 1/500 dintr-un inch), doar pentru a se asigura că ecuațiile lui Einstein pentru gravitație sunt valabile și la cele mai scurte distanțe. Până acum, o fac.dar chiar și Einstein a recunoscut că teoria relativității generale nu explica în întregime universul. Și—a petrecut ultimii 30 de ani din viață încercând să-și împace fizica celor foarte mari cu fizica mecanicii cuantice foarte mici. A eșuat.

teoreticienii au venit cu tot felul de posibilități în încercarea de a reconcilia relativitatea generală cu mecanica cuantică: universuri paralele, universuri care se ciocnesc, universuri cu bule, universuri cu dimensiuni suplimentare, universuri care se reproduc veșnic, universuri care sar de la Big Bang la Big Crunch la Big Bang.

Adam Riess, un astronom care a colaborat cu Brian Schmidt la descoperirea energiei întunecate, spune că se uită în fiecare zi la un site de Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) unde oamenii de știință își postează analizele pentru a vedea ce idei noi există. „Cele mai multe dintre ele sunt destul de kooky,” el spune. „Dar este posibil ca cineva să vină cu o teorie profundă.”

pentru toate progresele sale, astronomia se dovedește a fi lucrat sub o presupunere incorectă, dacă rezonabilă: ceea ce vezi este ceea ce primești. Acum, astronomii trebuie să se adapteze la ideea că universul nu este materia noastră—în marea schemă a lucrurilor, specia noastră, planeta noastră și galaxia noastră și tot ceea ce am văzut vreodată sunt, așa cum a spus fizicianul Teoretic Lawrence Krauss de la Universitatea de Stat din Arizona, „un pic de poluare.”

cu toate acestea, cosmologii tind să nu fie descurajați. „Problemele cu adevărat grele sunt grozave”, spune Michael Turner, ” pentru că știm că vor necesita o idee nouă nebună.”După cum a declarat Andreas Albrecht, cosmolog la Universitatea din California din Davis, la o conferință recentă despre energia întunecată: „Dacă puneți cronologia istoriei științei înaintea Mea și aș putea alege orice moment și domeniu, aici aș vrea să fiu.”

Richard Panek a scris despre Einstein pentru Smithsonian în 2005. Cartea sa despre materia întunecată și energia întunecată va apărea în 2011.