Muutaman viime vuosikymmenen aikana tutkijat ovat havainneet, että maailmankaikkeudessa on paljon muutakin kuin silmän tapaamista: Kosmos näyttää olevan täynnä ei vain yhtä, vaan kahta näkymätöntä ainesosaa - tummaa ainetta ja tummaa energiaa - joiden olemassaolosta on ehdotettu perustuen yksinomaan niiden painovoimavaikutuksiin tavallisessa aineessa ja energiassa.
Nyt teoreettinen fyysikko Robert J. Scherrer on keksinyt mallin, joka voisi katkaista mysteerin puoliksi selittämällä tumma aine ja tumma energia yhden tuntemattoman voiman kahdeksi näkökulmaksi. Hänen malli on kuvattu julkaisussa "Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter", jonka julkaisee verkossa Physical Review Letters 30. kesäkuuta ja on saatavana verkossa osoitteessa http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Yksi tapa ajatella tätä on, että maailmankaikkeus on täynnä näkymätöntä nestettä, joka painostaa tavallista ainetta ja muuttaa tapaa, jolla maailmankaikkeus laajenee", sanoo Vanderbiltin yliopiston fysiikan professori Scherrer.
Scherrerin mukaan hänen malli on erittäin yksinkertainen ja välttää suuria ongelmia, jotka ovat luonnehtineet aiempia ponnisteluja tumman aineen ja tumman energian yhtenäistämiseksi.
1970-luvulla astrofysiikot postuloivat näkymättömien hiukkasten, nimeltään tummaaine, olemassaoloa selittääkseen galaksien liikettä. Näiden havaintojen perusteella he arvioivat, että maailmankaikkeudessa on oltava noin 10 kertaa enemmän tummaa ainetta kuin tavallista ainetta. Yksi mahdollinen selitys tummalle aineelle on, että se koostuu uudentyyppisestä hiukkasesta (nimeltään Heikosti vuorovaikutteiset massiiviset partikkelit tai WIMP), joka ei säteile valoa ja on tuskin vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa. Lukuisissa kokeissa etsitään todisteita näistä hiukkasista.
Aivan kuin se ei olisi tarpeeksi, 1990-luvulla mukana tuli pimeää energiaa, joka tuottaa karkottavaa voimaa, joka näyttää räjäyttävän maailmankaikkeuden toisistaan. Tutkijat vetosivat pimeään energiaan selittääkseen yllätyksen, jonka mukaan maailmankaikkeuden laajenemisnopeus ei hidasta, kuten useimmat kosmologit olivat ajatelleet, vaan kiihtyy sen sijaan. Viimeisimpien arvioiden mukaan tumma energia muodostaa 75 prosenttia maailmankaikkeudesta ja tumma aine vastaa vielä 23 prosenttia, jättäen tavallisen aineen ja energian selvästi vähemmistörooliin vain 2 prosenttia.
Scherrerin yhdistävä idea on eksoottinen energiamuoto, jolla on selkeästi määritellyt mutta monimutkaiset ominaisuudet, nimeltään skalaarikenttä. Tässä yhteydessä kenttä on fyysinen määrä, jolla on energiaa ja painetta ja joka leviää koko avaruuteen. Kosmologit kehottivat ensin skalaarikenttiä selittämään kosmisen inflaation, jonkin aikaa pian Ison räjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeus näyttää kokenut hyperlaajenemisen jakson, inflaatoimalla miljardeja miljardeja kertoja alle sekunnissa.
Erityisesti Scherrer käyttää mallissaan toisen sukupolven skalaarikenttää, joka tunnetaan nimellä k-olemus. K-olemuskenttiä ovat edenneet Paul Steinhardt Princetonin yliopistossa ja muissa selitykseksi tummalle energialle, mutta Scherrer huomauttaa ensimmäisenä, että yksi yksinkertainen k-olemuskenttä voi myös tuottaa tummalle aineelle omistettuja vaikutuksia.
Tutkijat erottavat tumman aineen ja tumman energian, koska ne näyttävät käyttäytyvän eri tavalla. Pimeällä aineella näyttää olevan massa ja se muodostaa jättiläisiä paakkuja. Itse asiassa kosmologit laskevat, että näiden klumpien gravitaatiovetovoimalla oli avainasemassa aiheuttaen tavallisen aineen muodostumisen galakseihin. Tumma energia, sen sijaan, näyttää olevan ilman massaa ja leviää tasaisesti kaikkialle avaruuteen, missä se toimii eräänlaisena antigravitaationa, työntövoimana, joka ajaa maailmankaikkeuden toisistaan.
K-oletuskentät voivat muuttaa heidän käyttäytymistään ajan myötä. Tutkiessaan hyvin yksinkertaista k-olemuskentän tyyppiä, jossa potentiaalienergia on vakio, Scherrer havaitsi, että kentän kehittyessä se kulkee vaiheen läpi, jossa se voi tarttua ja jäljitellä näkymättömien hiukkasten vaikutusta, jota seuraa vaihe, jolloin se leviää tasaisesti koko avaruuden ja ottaa pimeän energian ominaisuudet.
"Malli kehittyy luonnollisesti tilaan, jossa se näyttää jonkin aikaa tummalta aineelta ja sitten näyttää tummalta energialta", Scherrer sanoo. "Kun tajusin tämän, ajattelin:" Tämä on pakottavaa, katsotaan, mitä voimme tehdä sillä. ""
Tutkiessaan mallia yksityiskohtaisemmin, Scherrer havaitsi, että se välttää monia ongelmia, jotka ovat vaivanneet aiempia teorioita, jotka yrittävät yhdistää tummaa ainetta ja tummaa energiaa.
Varhaisin malli pimeästä energiasta tehtiin modifioimalla yleinen suhteellisuusteoria sisällyttämällä siihen termi, jota kutsutaan kosmologiseksi vakiona. Tämä oli termi, jonka Einstein alun perin sisälsi painovoiman tasapainottamiseksi staattisen maailmankaikkeuden muodostamiseksi. Mutta hän pudotti iloisesti vakion, kun päivän tähtitieteelliset havainnot havaitsivat, että sitä ei tarvittu. Viimeaikaiset mallit, jotka palauttavat kosmologisen vakion uudelleen, tekevät hyvää työtä toistaakseen pimeän energian vaikutukset, mutta eivät selitä tummaa ainetta.
Yksi yritys yhdistää tumma aine ja tumma energia, nimeltään Chaplygin-kaasumalli, perustuu venäläisen fyysikon työhön 1930-luvulla. Se tuottaa ensimmäisen pimeän aineen kaltaisen vaiheen, jota seuraa pimeän energian kaltainen evoluutio, mutta sillä on vaikeuksia selittää galaksien muodostumisprosessia.
Scherrerin formulaatiolla on joitain yhtäläisyyksiä Nima Arkani-Hamedin Harvardin yliopistossa ja hänen kollegoidensa aiemmin tänä vuonna ehdottamaan yhtenäiseen teoriaan, jotka yrittävät selittää tumman aineen ja tumman energian sellaisina, jotka johtuvat näkymättömän ja läsnä olevan nesteen käyttäytymisestä, jota he kutsuvat “ aavekondensaatti. ”
Vaikka Scherrerin mallissa on useita positiivisia piirteitä, sillä on myös joitain haittoja. Ensinnäkin se vaatii äärimmäistä "hienosäätöä" toimiakseen. Fyysikko myös varoittaa, että tarvitaan lisätutkimuksia sen selvittämiseksi, onko mallin käyttäytyminen yhdenmukainen muiden havaintojen kanssa. Lisäksi se ei voi vastata sattumisongelmaan: Miksi elämme ainoana ajankohtana maailmankaikkeuden historiassa, kun tummalle aineelle ja tummalle energialle lasketut tiheydet ovat verrattavissa toisiinsa. Tutkijat epäilevät tätä, koska se viittaa siihen, että nykyaikana on jotain erityistä.
Alkuperäinen lähde: Vanderbiltin yliopiston lehdistötiedote
