I løpet av de siste tiårene har forskere oppdaget at det er mye mer i universet enn det som møter øyet: Kosmos ser ut til å være fylt med ikke bare en, men to usynlige bestanddeler - mørk materie og mørk energi - hvis eksistens er blitt foreslått utelukkende basert på gravitasjonseffektene deres på vanlig materie og energi.
Nå har den teoretiske fysikeren Robert J. Scherrer kommet med en modell som kan kutte mysteriet i to ved å forklare mørk materie og mørk energi som to aspekter av en eneste ukjent styrke. Hans modell er beskrevet i et papir med tittelen “Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter” publisert online av Physical Review Letters 30. juni og tilgjengelig online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"En måte å tenke på dette er at universet er fylt med en usynlig væske som utøver press på vanlig materie og endrer måten universet utvider," sier Scherrer, professor i fysikk ved Vanderbilt University.
I følge Scherrer er modellen hans ekstremt enkel og unngår de store problemene som har preget tidligere anstrengelser for å forene mørk materie og mørk energi.
På 1970-tallet postulerte astrofysikere eksistensen av usynlige partikler kalt mørk materie for å forklare galaksenes bevegelse. Basert på disse observasjonene anslår de at det må være omtrent 10 ganger så mye mørk materie i universet som vanlig materie. En mulig forklaring på mørk materie er at den består av en ny type partikkel (kalt Weakly Interacting Massive Particles, eller WIMPs) som ikke avgir lys og knapt samhandler med vanlig materie. En rekke eksperimenter søker etter bevis på disse partiklene.
Som om ikke det var nok, kom det på 1990-tallet mørk energi, som produserer en frastøtende kraft som ser ut til å rive universet fra hverandre. Forskere påkalte mørk energi for å forklare overraskelsesoppdagelsen om at hastigheten som universet utvider seg ikke avtar, slik de fleste kosmologer hadde trodd, men akselererer i stedet. I følge de siste estimatene utgjør mørk energi 75 prosent av universet og mørk materie står for ytterligere 23 prosent, og etterlater vanlig materie og energi med en utpreget minoritetsrolle på bare 2 prosent.
Scherreres samlende ide er en eksotisk form for energi med veldefinerte, men kompliserte egenskaper som kalles et skalarfelt. I denne sammenhengen er et felt en fysisk mengde som har energi og trykk som er spredt over hele rommet. Kosmologer påkalte først skalarfelt for å forklare den kosmiske inflasjonen, en periode kort tid etter Big Bang da universet ser ut til å ha gjennomgått en episode med hyperekspansjon, og blåst opp milliarder av milliarder ganger på mindre enn et sekund.
Spesielt bruker Scherrer et andre generasjons skalarfelt, kjent som en k-essens, i sin modell. K-essensfelt er blitt avansert av Paul Steinhardt ved Princeton University og andre som en forklaring på mørk energi, men Scherrer er den første som påpeker at en enkel type k-essensfelt også kan gi effektene tilskrevet mørk materie.
Forskere skiller mellom mørk materie og mørk energi fordi de ser ut til å oppføre seg annerledes. Mørk materie ser ut til å ha masse og danne gigantiske klumper. Faktisk beregner kosmologer at gravitasjonsattraksjonen til disse klumpene spilte en nøkkelrolle i å få vanlig stoff til å danne galakser. Mørk energi, derimot, ser ut til å være uten masse og sprer seg jevnt over hele rommet der den fungerer som en slags tyngdekraft, en frastøtende kraft som skyver universet fra hverandre.
K-essensfelt kan endre oppførsel over tid. Når man undersøker en veldig enkel type k-essensfelt, der potensiell energi er en konstant, oppdaget Scherrer at når feltet utvikler seg, går det gjennom en fase der den kan klumpe og etterligne effekten av usynlige partikler etterfulgt av en fase når den sprer seg jevnt over hele rommet og tar på seg egenskapene til mørk energi.
"Modellen utvikler seg naturlig til en tilstand der den ser ut som mørk materie en stund, og da ser den ut som mørk energi," sier Scherrer. "Da jeg skjønte dette, tenkte jeg: 'Dette er overbevisende, la oss se hva vi kan gjøre med det.'"
Da han undersøkte modellen mer detaljert, fant Scherrer at den unngår mange av problemene som har plaget tidligere teorier som forsøker å forene mørk materie og mørk energi.
Den tidligste modellen for mørk energi ble laget ved å modifisere den generelle relativitetsteorien for å inkludere et begrep som kalles den kosmologiske konstanten. Dette var et begrep som Einstein opprinnelig inkluderte for å balansere tyngdekraften for å danne et statisk univers. Men han droppet muntert konstanten da astronomiske observasjoner av dagen fant ut at det ikke var nødvendig. Nyere modeller som gjeninnfører den kosmologiske konstanten, gjør en god jobb med å reprodusere effekten av mørk energi, men forklarer ikke mørk materie.
Et forsøk på å forene mørk materie og mørk energi, kalt Chaplygin-gassmodellen, er basert på arbeid fra en russisk fysiker på 1930-tallet. Det produserer et innledende mørk materie-lignende stadium etterfulgt av en mørk energilignende evolusjon, men det har problemer med å forklare prosessen med galaksdannelse.
Scherrer's formulering har noen likhetstrekk med en samlet teori foreslått tidligere i år av Nima Arkani-Hamed ved Harvard University og hans kolleger, som forsøker å forklare mørk materie og mørk energi som følge av oppførselen til en usynlig og allestedsnærværende væske som de kaller en " spøkelseskondensat. ”
Selv om Scherrer-modellen har en rekke positive funksjoner, har den også noen ulemper. For det første krever det litt ekstrem "finjustering" for å fungere. Fysikeren advarer også om at mer undersøkelse vil være nødvendig for å avgjøre om modellens oppførsel er i samsvar med andre observasjoner. I tillegg kan det ikke svare på tilfeldighetsproblemet: Hvorfor vi lever på det eneste tidspunktet i universets historie når tetthetene beregnet for mørk materie og mørk energi er sammenlignbare. Forskere er mistenksomme overfor dette fordi det antyder at det er noe spesielt med den nåværende æra.
Originalkilde: Vanderbilt University News Release
