În ultimele decenii, oamenii de știință au descoperit că există mult mai mult universului decât întâlnirea cu ochiul: cosmosul pare să fie umplut nu doar cu unul, ci cu doi constituenți invizibili - materia întunecată și energia întunecată - a cărei existență a fost propusă bazate exclusiv pe efectele lor gravitaționale asupra materiei și energiei obișnuite.
Acum, fizicianul teoretic Robert J. Scherrer a venit cu un model care ar putea tăia misterul pe jumătate, explicând materia întunecată și energia întunecată ca două aspecte ale unei singure forțe necunoscute. Modelul său este descris într-o lucrare intitulată „Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter” publicată online de Physical Review Letters pe 30 iunie și disponibilă online la http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
„Un mod de a gândi acest lucru este că universul este umplut cu un fluid invizibil care exercită presiune asupra materiei obișnuite și schimbă modul în care universul se extinde”, spune Scherrer, profesor de fizică la Universitatea Vanderbilt.
Potrivit Scherrer, modelul său este extrem de simplu și evită problemele majore care au caracterizat eforturile anterioare de unificare a materiei întunecate și a energiei întunecate.
În anii '70, astrofizicienii au postulat existența unor particule invizibile numite materie întunecată pentru a explica mișcarea galaxiilor. Pe baza acestor observații, ei estimează că trebuie să existe aproximativ 10 ori mai multă materie întunecată în univers decât materia obișnuită. O posibilă explicație a materiei întunecate este aceea că este alcătuită dintr-un nou tip de particule (numite particule masive slab interacționate sau WIMP) care nu emit lumină și abia interacționează cu materia obișnuită. O serie de experimente caută dovezi ale acestor particule.
De parcă nu ar fi fost suficient, în anii 90 a apărut energia întunecată, ceea ce produce o forță repulsivă care pare să distrugă universul. Oamenii de știință au invocat energia întunecată pentru a explica descoperirea surpriză că ritmul cu care universul se extinde nu încetinește, așa cum au crezut majoritatea cosmologilor, ci se accelerează în schimb. Conform ultimelor estimări, energia întunecată constituie 75 la sută din univers, iar materia întunecată reprezintă încă 23 la sută, lăsând materia obișnuită și energia cu un rol distinct minoritar de doar 2 la sută.
Ideea de unire a lui Scherrer este o formă exotică de energie cu proprietăți bine definite, dar complicate, numite câmp scalar. În acest context, un câmp este o cantitate fizică care posedă energie și presiune, care este răspândită în tot spațiul. Cosmologii au invocat pentru prima dată câmpuri scalare pentru a explica inflația cosmică, o perioadă la puțin timp după Big Bang, când universul pare să fi suferit un episod de hiper-expansiune, umflând miliarde de miliarde de ori în mai puțin de o secundă.
Mai exact, Scherrer folosește un model scalar de a doua generație, cunoscut sub numele de esență k, în modelul său. Câmpurile esențiale K au fost avansate de Paul Steinhardt la Universitatea Princeton și altele ca o explicație pentru energia întunecată, dar Scherrer este primul care subliniază că un simplu tip de câmp esențial k poate produce și efectele atribuite materiei întunecate.
Oamenii de știință diferențiază între materia întunecată și energia întunecată, deoarece par să se comporte diferit. Materia întunecată pare să aibă masă și să formeze aglomerații gigantice. De fapt, cosmologii calculează că atracția gravitațională a acestor aglomerații a jucat un rol cheie în determinarea materiei obișnuite să formeze galaxii. În schimb, energia întunecată pare a fi fără masă și se răspândește uniform în spațiul în care acționează ca un fel de anti-gravitație, o forță repulsivă care împinge universul deoparte.
Câmpurile esențiale K își pot schimba comportamentul în timp. Când cercetăm un tip foarte simplu de câmp esențial k-unul în care energia potențială este o constantă-Scherrer a descoperit că pe măsură ce câmpul evoluează, trece printr-o fază în care poate aglomera și imita efectul particulelor invizibile urmată de o fază când se răspândește uniform în întreg spațiul și preia caracteristicile energiei întunecate.
„Modelul evoluează în mod natural într-o stare în care pare o materie întunecată pentru o perioadă și apoi pare o energie întunecată”, spune Scherrer. „Când mi-am dat seama de asta, m-am gândit:„ Acest lucru este convingător, să vedem ce putem face cu el ”.
Când a examinat mai detaliat modelul, Scherrer a descoperit că acesta evită multe dintre problemele care au afectat teoriile anterioare care încearcă să unifice materia întunecată și energia întunecată.
Primul model de energie întunecată a fost realizat prin modificarea teoriei generale a relativității pentru a include un termen numit constantă cosmologică. Acesta a fost un termen pe care Einstein l-a inclus inițial pentru a echilibra forța gravitației pentru a forma un univers static. Dar a lăsat vesel constanta când observațiile astronomice ale zilei au descoperit că nu era nevoie. Modelele recente care reintroduc constanta cosmologică fac o treabă bună în reproducerea efectelor energiei întunecate, dar nu explică materia întunecată.
O încercare de unificare a materiei întunecate și a energiei întunecate, numită modelul de gaz Chaplygin, se bazează pe munca unui fizician rus din anii 30. Produce o etapă inițială asemănătoare cu materia întunecată, urmată de o evoluție întunecată asemănătoare energiei, dar are probleme în a explica procesul formării galaxiei.
Formularea lui Scherrer are unele asemănări cu o teorie unificată propusă la începutul acestui an de Nima Arkani-Hamed la Universitatea Harvard și colegii săi, care încearcă să explice materia întunecată și energia întunecată care rezultă din comportamentul unui fluid invizibil și omniprezent pe care ei îl numesc „ condensul fantomă.
Deși modelul Scherrer are o serie de caracteristici pozitive, are și unele dezavantaje. Pentru un lucru, este nevoie de unele „reglări fine” extreme pentru a funcționa. Fizicianul avertizează, de asemenea, că va fi necesar mai mult studiu pentru a determina dacă comportamentul modelului este în concordanță cu alte observații. În plus, nu poate răspunde la problema coincidenței: de ce trăim în singura perioadă din istoria universului, când densitățile calculate pentru materia întunecată și energia întunecată sunt comparabile. Oamenii de știință sunt bănuitori de acest lucru, deoarece sugerează că există ceva special în epoca actuală.
Sursa originală: Comunicat de presă al Universității Vanderbilt
