I de sidste par årtier har forskere opdaget, at der er meget mere i universet, end det møder øjet: Kosmos ser ud til at være fyldt med ikke kun en, men to usynlige bestanddele - mørkt stof og mørk energi - hvis eksistens er blevet foreslået udelukkende baseret på deres tyngdepåvirkninger på almindeligt stof og energi.
Nu er den teoretiske fysiker Robert J. Scherrer kommet med en model, der kunne skære mysteriet i halve ved at forklare mørkt stof og mørk energi som to aspekter af en enkelt ukendt styrke. Hans model er beskrevet i et papir med titlen ”Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter”, der blev offentliggjort online af Physical Review Letters den 30. juni og tilgængelig online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
”En måde at tænke på dette er, at universet er fyldt med en usynlig væske, der udøver pres på almindelig stof og ændrer den måde, universet ekspanderer på,” siger Scherrer, professor i fysik ved Vanderbilt Universitet.
Ifølge Scherrer er hans model ekstremt enkel og undgår de store problemer, der har kendetegnet tidligere bestræbelser på at forene mørkt stof og mørk energi.
I 1970'erne postulerede astrofysikere eksistensen af usynlige partikler kaldet mørkt stof for at forklare galakernes bevægelse. Baseret på disse observationer estimerer de, at der skal være omkring 10 gange så meget mørkt stof i universet som almindeligt stof. En mulig forklaring på mørk stof er, at den består af en ny type partikel (kaldet Weakly Interacting Massive Particles, eller WIMP'er), der ikke udsender lys og knap interagerer med almindeligt stof. En række eksperimenter søger efter bevis for disse partikler.
Som om det ikke var nok, kom der i 1990'erne mørk energi, der producerer en frastødende kraft, der ser ud til at rive universet fra hinanden. Forskere påkaldte mørk energi for at forklare overraskelsesopdagelsen om, at hastigheden, som universet ekspanderer til ikke aftager, som de fleste kosmologer havde troet, men accelererer i stedet. I henhold til de seneste skøn udgør mørk energi 75 procent af universet, og mørk materie tegner sig for yderligere 23 procent, hvilket efterlader almindelig stof og energi med en markant mindretalsrolle på kun 2 procent.
Scherrer's samlende idé er en eksotisk form for energi med veldefinerede, men komplicerede egenskaber, der kaldes et skalarfelt. I denne sammenhæng er et felt en fysisk mængde, der besidder energi og tryk, der er spredt over rummet. Kosmologer påkaldte først skalarfelter for at forklare den kosmiske inflation, en periode kort efter Big Bang, hvor universet ser ud til at have gennemgået en episode af hyperekspansion, og der pumpes milliarder på milliarder af gange på mindre end et sekund.
Specifikt bruger Scherrer et andet generations skalarfelt, kendt som en k-essens, i sin model. K-essensfelter er blevet avanceret af Paul Steinhardt ved Princeton University og andre som en forklaring på mørk energi, men Scherrer er den første til at påpege, at en simpel type k-essensfelt også kan frembringe de effekter, der tilskrives mørkt stof.
Forskere skelner mellem mørk stof og mørk energi, fordi de ser ud til at opføre sig anderledes. Mørke stof ser ud til at have masse og danne kæmpe klumper. Faktisk beregner kosmologer, at gravitationsattraktionen af disse klumper spillede en nøglerolle i at få almindeligt stof til at danne galakser. Mørk energi derimod ser ud til at være uden masse og spreder sig ensartet i rummet, hvor den fungerer som en slags anti-gravitation, en frastødende kraft, der skubber universet fra hinanden.
K-essensfelter kan ændre deres adfærd over tid. Når man undersøger en meget simpel type k-essensfelt, hvor potentiel energi er en konstant, opdagede Scherrer, at når feltet udvikler sig, passerer det gennem en fase, hvor det kan klumpe og efterligne effekten af usynlige partikler efterfulgt af en fase, hvor det spreder sig ensartet i rummet og tager egenskaber ved mørk energi.
”Modellen udvikler sig naturligvis til en tilstand, hvor den ser ud som mørk stof i et stykke tid, og derefter ser den ud som mørk energi,” siger Scherrer. ”Da jeg indså dette, tænkte jeg,” Dette er overbevisende, lad os se, hvad vi kan gøre med det. ””
Da han undersøgte modellen mere detaljeret, fandt Scherrer, at den undgår mange af de problemer, der har plaget tidligere teorier, der forsøger at forene mørkt stof og mørk energi.
Den tidligste model for mørk energi blev lavet ved at ændre den generelle relativitetsteori til at omfatte et udtryk kaldet den kosmologiske konstant. Dette var et udtryk, som Einstein oprindeligt inkluderede for at afbalancere tyngdekraften for at danne et statisk univers. Men han droppede muntert konstanten, da astronomiske observationer af dagen fandt, at det ikke var nødvendigt. Nylige modeller, der genindfører den kosmologiske konstant, gør et godt stykke arbejde med at gengive virkningerne af mørk energi, men forklarer ikke mørkt stof.
Et forsøg på at forene mørkt stof og mørk energi, kaldet Chaplygin-gasmodellen, er baseret på arbejde fra en russisk fysiker i 1930'erne. Det producerer en indledende mørk stoflignende fase efterfulgt af en mørk energilignende udvikling, men det har problemer med at forklare processen med dannelse af galakse.
Scherrer's formulering har nogle ligheder med en samlet teori foreslået tidligere i år af Nima Arkani-Hamed ved Harvard University og hans kolleger, der forsøger at forklare mørk stof og mørk energi som følge af opførslen af en usynlig og allestedsnærværende væske, som de kalder en " spøgelseskondensat. ”
Selvom Scherrer's model har en række positive egenskaber, har den også nogle ulemper. For det første kræver det en vis ekstrem "finjustering" for at arbejde. Fysikeren advarer også om, at der kræves mere undersøgelse for at afgøre, om modellens adfærd er i overensstemmelse med andre observationer. Derudover kan det ikke svare på tilfældighedsproblemet: Hvorfor vi lever på det eneste tidspunkt i universets historie, når densiteterne beregnet for mørkt stof og mørk energi er sammenlignelige. Forskere er mistænkelige over dette, fordi det antyder, at der er noget specielt ved den nuværende æra.
Original kilde: Vanderbilt University News Release
