W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci naukowcy odkryli, że we wszechświecie jest o wiele więcej niż na pierwszy rzut oka: kosmos wydaje się być wypełniony nie tylko jednym, ale dwoma niewidzialnymi składnikami - ciemną materią i ciemną energią - których istnienie zostało zaproponowane oparte wyłącznie na ich wpływie grawitacyjnym na zwykłą materię i energię.
Teraz fizyk teoretyczny Robert J. Scherrer opracował model, który mógłby przeciąć tajemnicę na pół, wyjaśniając ciemną materię i ciemną energię jako dwa aspekty pojedynczej nieznanej siły. Jego model został opisany w artykule zatytułowanym „Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter” opublikowanym online przez Physical Review Letters 30 czerwca i dostępnym online na stronie http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
„Jednym ze sposobów myślenia o tym jest to, że wszechświat jest wypełniony niewidzialnym płynem, który wywiera nacisk na zwykłą materię i zmienia sposób rozszerzania się wszechświata”, mówi Scherrer, profesor fizyki na Uniwersytecie Vanderbilt.
Według Scherrera jego model jest niezwykle prosty i pozwala uniknąć głównych problemów, które charakteryzowały wcześniejsze wysiłki w celu zjednoczenia ciemnej materii i ciemnej energii.
W latach 70. astrofizycy postulowali istnienie niewidzialnych cząstek zwanych ciemną materią, aby wyjaśnić ruch galaktyk. Na podstawie tych obserwacji szacują, że we wszechświecie musi być około 10 razy więcej ciemnej materii niż zwykła materia. Jednym z możliwych wyjaśnień ciemnej materii jest to, że składa się ona z nowego rodzaju cząstek (zwanych słabo oddziałującymi masywnymi cząsteczkami lub WIMP), które nie emitują światła i ledwo oddziałują ze zwykłą materią. Szereg eksperymentów szuka dowodów na obecność tych cząstek.
Jakby tego było mało, w latach 90. pojawiła się ciemna energia, która wytwarza odpychającą siłę, która zdaje się rozrywać wszechświat. Naukowcy powoływali się na ciemną energię, aby wyjaśnić zaskakujące odkrycie, że tempo rozszerzania się wszechświata nie zwalnia, jak myślało większość kosmologów, lecz przyspiesza. Według najnowszych szacunków ciemna energia stanowi 75 procent wszechświata, a ciemna materia stanowi kolejne 23 procent, pozostawiając zwykłą materię i energię z wyraźnie mniejszościową rolą zaledwie 2 procent.
Pomysł Scherrera to egzotyczna forma energii o dobrze określonych, ale skomplikowanych właściwościach, zwana polem skalarnym. W tym kontekście pole jest wielkością fizyczną posiadającą energię i ciśnienie rozproszone w przestrzeni. Kosmologowie po raz pierwszy powołali się na pola skalarne, aby wyjaśnić kosmiczną inflację, okres krótko po Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat zdaje się przeżywać epizod hiper-ekspansji, pompując miliardy razy w mniej niż sekundę.
W szczególności Scherrer wykorzystuje w swoim modelu pole skalarne drugiej generacji, znane jako e-esencja. Pola esencji K zostały rozwinięte przez Paula Steinhardta z Princeton University i innych jako wyjaśnienie ciemnej energii, ale Scherrer jako pierwszy zauważył, że jeden prosty typ pola e-kwity może również wywoływać efekty przypisywane ciemnej materii.
Naukowcy rozróżniają ciemną materię od ciemnej energii, ponieważ wydają się zachowywać inaczej. Ciemna materia wydaje się mieć masę i tworzyć gigantyczne grudki. W rzeczywistości kosmolodzy obliczają, że przyciąganie grawitacyjne tych grud odgrywało kluczową rolę w powodowaniu, że zwykła materia tworzy galaktyki. Z kolei ciemna energia wydaje się pozbawiona masy i równomiernie rozprzestrzenia się w przestrzeni, gdzie działa jak rodzaj antygrawitacji, siły odpychającej, która odsuwa wszechświat od siebie.
Pola K-esencji mogą z czasem zmieniać swoje zachowanie. Podczas badania bardzo prostego rodzaju pola e-e, w którym energia potencjalna jest stała, Scherrer odkrył, że w miarę ewolucji pole przechodzi przez fazę, w której może się zbijać i naśladować efekt niewidzialnych cząstek, a następnie fazę, w której rozprzestrzenia się równomiernie w przestrzeni i przyjmuje cechy ciemnej energii.
„Model naturalnie ewoluuje do stanu, w którym przez chwilę wygląda jak ciemna materia, a potem wygląda jak ciemna energia”, mówi Scherrer. „Kiedy zdałem sobie z tego sprawę, pomyślałem:„ To przekonujące, zobaczmy, co możemy z tym zrobić ”.
Kiedy bardziej szczegółowo zbadał model, Scherrer stwierdził, że pozwala on uniknąć wielu problemów, które nękały poprzednie teorie, które próbują zjednoczyć ciemną materię i ciemną energię.
Najwcześniejszy model ciemnej energii został stworzony przez modyfikację ogólnej teorii względności w celu włączenia terminu zwanego stałą kosmologiczną. Był to termin, który Einstein pierwotnie zawarł w celu zrównoważenia siły grawitacji w celu utworzenia statycznego wszechświata. Ale z radością porzucił stałą, gdy obserwacje astronomiczne tego dnia wykazały, że nie jest to konieczne. Najnowsze modele przywracające stałą kosmologiczną dobrze odwzorowują skutki ciemnej energii, ale nie wyjaśniają ciemnej materii.
Jedna próba unifikacji ciemnej materii i ciemnej energii, zwana modelem gazu Chaplygina, opiera się na pracach rosyjskiego fizyka z lat 30. XX wieku. Wytwarza początkowy etap podobny do ciemnej materii, po którym następuje ewolucja podobna do ciemnej energii, ale ma problem z wyjaśnieniem procesu powstawania galaktyki.
Sformułowanie Scherrera ma pewne podobieństwa do ujednoliconej teorii zaproponowanej na początku tego roku przez Nima Arkani-Hamed z Uniwersytetu Harvarda i jego współpracowników, którzy próbują wyjaśnić ciemną materię i ciemną energię jako wynikające z zachowania niewidzialnego i wszechobecnego płynu, który nazywają „ kondensat ducha. ”
Chociaż model Scherrera ma wiele pozytywnych cech, ma również pewne wady. Po pierwsze, wymaga ekstremalnego „dostrajania” do działania. Fizyk ostrzega również, że konieczne będą dalsze badania w celu ustalenia, czy zachowanie modelu jest zgodne z innymi obserwacjami. Ponadto nie jest w stanie rozwiązać problemu zbiegów okoliczności: dlaczego żyjemy tylko w historii wszechświata, kiedy gęstości obliczone dla ciemnej materii i ciemnej energii są porównywalne. Naukowcy są podejrzliwi, ponieważ sugeruje, że w obecnej erze jest coś wyjątkowego.
Oryginalne źródło: Vanderbilt University News Release
