Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι υπάρχει πολύ περισσότερο στο σύμπαν από ό, τι συναντά το μάτι: Ο Κόσμος φαίνεται να είναι γεμάτος όχι μόνο με ένα, αλλά με δύο αόρατα συστατικά - σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια - των οποίων η ύπαρξη έχει προταθεί βασίζονται αποκλειστικά στις βαρυτικές τους επιδράσεις σε συνηθισμένη ύλη και ενέργεια.
Τώρα, ο θεωρητικός φυσικός Robert J. Scherrer έχει βρει ένα μοντέλο που θα μπορούσε να μειώσει το μυστήριο στο μισό εξηγώντας τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια ως δύο πτυχές μιας και μόνο άγνωστης δύναμης. Το μοντέλο του περιγράφεται σε μια εφημερίδα με τίτλο "Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter" που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο από το Physical Review Letters στις 30 Ιουνίου και διατίθεται στο διαδίκτυο στη διεύθυνση http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
«Ένας τρόπος να το σκεφτούμε αυτό είναι ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με ένα αόρατο υγρό που ασκεί πίεση στη συνηθισμένη ύλη και αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο επεκτείνεται το σύμπαν», λέει ο Scherrer, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt.
Σύμφωνα με τον Scherrer, το μοντέλο του είναι εξαιρετικά απλό και αποφεύγει τα μεγάλα προβλήματα που έχουν χαρακτηρίσει προηγούμενες προσπάθειες ενοποίησης της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας.
Τη δεκαετία του 1970, οι αστροφυσικοί υποστήριξαν την ύπαρξη αόρατων σωματιδίων που ονομάζονται σκοτεινή ύλη για να εξηγήσουν την κίνηση των γαλαξιών. Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, εκτιμούν ότι πρέπει να υπάρχει περίπου 10 φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη στο σύμπαν από τη συνηθισμένη ύλη. Μια πιθανή εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι αποτελείται από έναν νέο τύπο σωματιδίων (που ονομάζεται Weakly Interacting Massive Particles ή WIMPs) που δεν εκπέμπουν φως και μόλις αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη. Ορισμένα πειράματα αναζητούν στοιχεία για αυτά τα σωματίδια.
Σαν να μην ήταν αρκετό, στη δεκαετία του 1990 ήρθε η σκοτεινή ενέργεια, η οποία παράγει μια απωστική δύναμη που φαίνεται να διαλύει το σύμπαν. Οι επιστήμονες επικαλέστηκαν τη σκοτεινή ενέργεια για να εξηγήσουν την εκπληκτική ανακάλυψη ότι ο ρυθμός με τον οποίο επεκτείνεται το σύμπαν δεν επιβραδύνεται, όπως είχαν σκεφτεί οι περισσότεροι κοσμολόγοι, αλλά επιταχύνεται αντ 'αυτού. Σύμφωνα με τις τελευταίες εκτιμήσεις, η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί το 75 τοις εκατό του σύμπαντος και η σκοτεινή ύλη αντιστοιχεί σε άλλο 23 τοις εκατό, αφήνοντας τη συνηθισμένη ύλη και την ενέργεια με έναν σαφώς μειονικό ρόλο μόνο 2 τοις εκατό.
Η ενοποιητική ιδέα του Scherrer είναι μια εξωτική μορφή ενέργειας με σαφώς καθορισμένες αλλά περίπλοκες ιδιότητες που ονομάζονται σκοτεινό πεδίο. Σε αυτό το πλαίσιο, ένα πεδίο είναι μια φυσική ποσότητα που διαθέτει ενέργεια και πίεση που απλώνεται σε όλο το χώρο. Οι κοσμολόγοι κάλεσαν για πρώτη φορά τα σκοτεινά πεδία για να εξηγήσουν τον κοσμικό πληθωρισμό, μια περίοδο λίγο μετά το Big Bang, όταν το σύμπαν φαίνεται να έχει υποστεί ένα επεισόδιο υπερ-επέκτασης, διογκώνοντας δισεκατομμύρια φορές δισεκατομμύρια φορές σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Συγκεκριμένα, ο Scherrer χρησιμοποιεί ένα κλιμακωτό πεδίο δεύτερης γενιάς, γνωστό ως k-essence, στο μοντέλο του. Τα πεδία K-essen έχουν προωθηθεί από τον Paul Steinhardt στο Πανεπιστήμιο του Princeton και άλλοι ως εξήγηση για τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά ο Scherrer είναι ο πρώτος που επισημαίνει ότι ένας απλός τύπος πεδίου k-essence μπορεί επίσης να παράγει τα αποτελέσματα που αποδίδονται στη σκοτεινή ύλη.
Οι επιστήμονες κάνουν διάκριση μεταξύ σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας επειδή φαίνεται να συμπεριφέρονται διαφορετικά. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται να έχει μάζα και να σχηματίζει γιγαντιαίες συστάδες. Στην πραγματικότητα, οι κοσμολόγοι υπολογίζουν ότι η βαρυτική έλξη αυτών των συστάδων έπαιξε βασικό ρόλο στην πρόκληση της συνηθισμένης ύλης να σχηματίζει γαλαξίες. Η σκοτεινή ενέργεια, αντίθετα, φαίνεται να είναι χωρίς μάζα και απλώνεται ομοιόμορφα σε όλο το χώρο όπου δρα ως ένα είδος αντι-βαρύτητας, μια απωστική δύναμη που ωθεί το σύμπαν.
Τα πεδία K-ουσίας μπορούν να αλλάξουν τη συμπεριφορά τους με την πάροδο του χρόνου. Όταν ερευνούμε έναν πολύ απλό τύπο πεδίου k-essence-one στον οποίο η πιθανή ενέργεια είναι μια σταθερά, ο Scherrer ανακάλυψε ότι καθώς το πεδίο εξελίσσεται, περνά μέσα από μια φάση όπου μπορεί να συσσωρεύσει και να μιμηθεί την επίδραση των αόρατων σωματιδίων ακολουθούμενη από μια φάση όταν απλώνεται ομοιόμορφα σε όλο το χώρο και παίρνει τα χαρακτηριστικά της σκοτεινής ενέργειας.
«Το μοντέλο εξελίσσεται φυσικά σε μια κατάσταση όπου μοιάζει με σκοτεινή ύλη για λίγο και στη συνέχεια μοιάζει με σκοτεινή ενέργεια», λέει ο Scherrer. «Όταν το συνειδητοποίησα, σκέφτηκα,« Αυτό είναι συναρπαστικό, ας δούμε τι μπορούμε να κάνουμε με αυτό ».
Όταν εξέτασε το μοντέλο με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, ο Scherrer διαπίστωσε ότι αποφεύγει πολλά από τα προβλήματα που μαστίζουν προηγούμενες θεωρίες που προσπαθούν να ενοποιήσουν τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια.
Το παλαιότερο μοντέλο για τη σκοτεινή ενέργεια δημιουργήθηκε τροποποιώντας τη γενική θεωρία της σχετικότητας για να συμπεριλάβει έναν όρο που ονομάζεται κοσμολογική σταθερά. Αυτός ήταν ένας όρος που αρχικά περιελάμβανε ο Αϊνστάιν για να εξισορροπήσει τη δύναμη της βαρύτητας προκειμένου να σχηματίσει ένα στατικό σύμπαν. Αλλά έπεσε χαρωπά τη σταθερά όταν οι αστρονομικές παρατηρήσεις της ημέρας διαπίστωσαν ότι δεν ήταν απαραίτητη. Πρόσφατα μοντέλα που επαναφέρουν την κοσμολογική σταθερά κάνουν καλή δουλειά στην αναπαραγωγή των επιπτώσεων της σκοτεινής ενέργειας αλλά δεν εξηγούν τη σκοτεινή ύλη.
Μια απόπειρα ενοποίησης της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, που ονομάζεται μοντέλο αερίου Chaplygin, βασίζεται στην εργασία ενός Ρώσου φυσικού τη δεκαετία του 1930. Παράγει ένα αρχικό στάδιο της σκοτεινής ύλης που ακολουθείται από μια εξέλιξη που μοιάζει με σκοτεινή ενέργεια, αλλά έχει πρόβλημα να εξηγήσει τη διαδικασία σχηματισμού γαλαξιών.
Η διατύπωση του Scherrer έχει κάποιες ομοιότητες με μια ενοποιημένη θεωρία που πρότεινε νωρίτερα φέτος η Nima Arkani-Hamed στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και οι συνάδελφοί του, οι οποίοι προσπαθούν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια που προκύπτουν από τη συμπεριφορά ενός αόρατου και παντοδύναμου ρευστού που αποκαλούν « συμπύκνωμα φάντασμα. "
Αν και το μοντέλο του Scherrer έχει ορισμένα θετικά χαρακτηριστικά, έχει επίσης κάποια μειονεκτήματα. Για ένα πράγμα, απαιτεί κάποια ακραία «ρύθμιση» για να λειτουργήσει. Ο φυσικός προειδοποιεί επίσης ότι απαιτείται περισσότερη μελέτη για να προσδιοριστεί εάν η συμπεριφορά του μοντέλου είναι σύμφωνη με άλλες παρατηρήσεις. Επιπλέον, δεν μπορεί να απαντήσει στο πρόβλημα σύμπτωσης: Γιατί ζούμε τη μοναδική στιγμή στην ιστορία του σύμπαντος όταν οι πυκνότητες που υπολογίζονται για σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια είναι συγκρίσιμες. Οι επιστήμονες είναι καχύποπτοι για αυτό, επειδή υποδηλώνει ότι υπάρχει κάτι ιδιαίτερο για την παρούσα εποχή.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο τύπου για το Πανεπιστήμιο Vanderbilt
