Under de senaste decennierna har forskare upptäckt att det finns mycket mer i universum än som möter ögat: Kosmos verkar vara fylld med inte bara en utan två osynliga beståndsdelar - mörk materia och mörk energi - vars existens har föreslagits baserat enbart på deras gravitationseffekter på vanlig materia och energi.
Nu har den teoretiska fysikern Robert J. Scherrer kommit fram till en modell som kan skära mysteriet i halva genom att förklara mörk materia och mörk energi som två aspekter av en enda okänd kraft. Hans modell beskrivs i ett papper med titeln "Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter" publicerad online av Physical Review Letters den 30 juni och tillgänglig online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Ett sätt att tänka på detta är att universum är fyllt med en osynlig vätska som utövar tryck på vanligt ämne och förändrar hur universum expanderar," säger Scherrer, professor i fysik vid Vanderbilt University.
Enligt Scherrer är hans modell extremt enkel och undviker de stora problemen som har präglat tidigare ansträngningar för att förena mörk materia och mörk energi.
På 1970-talet postulerade astrofysiker förekomsten av osynliga partiklar som kallas mörk materia för att förklara galaxernas rörelse. Baserat på dessa observationer uppskattar de att det måste finnas cirka tio gånger så mycket mörk materia i universum som vanlig materia. En möjlig förklaring till mörk materia är att den består av en ny typ av partikel (kallad Weakly Interacting Massive Particles, eller WIMP: er) som inte avger ljus och knappt interagerar med vanligt ämne. Ett antal experiment söker bevis för dessa partiklar.
Som om det inte räckte, kom på 1990-talet mörk energi, som producerar en avvisande kraft som verkar riva universum isär. Forskare åberopade mörk energi för att förklara överraskningsupptäckten att hastigheten med vilken universum expanderar inte avtar, som de flesta kosmologer trodde, utan accelererar istället. Enligt de senaste uppskattningarna utgör mörk energi 75 procent av universum och mörk materia står för ytterligare 23 procent, vilket lämnar vanligt material och energi med en tydlig minoritetsroll på bara 2 procent.
Scherrer förenar idén är en exotisk form av energi med väl definierade men komplicerade egenskaper som kallas ett skalfält. I detta sammanhang är ett fält en fysisk kvantitet som har energi och tryck som sprids över rymden. Kosmologer åberopade först skalfält för att förklara kosmisk inflation, en period kort efter Big Bang när universum tycks ha genomgått en episod med hyperutvidgning och blåst upp miljarder gånger på miljarder gånger på mindre än en sekund.
Speciellt använder Scherrer ett andra generations skalfält, känt som en k-essens, i sin modell. K-essensfält har avancerats av Paul Steinhardt vid Princeton University och andra som en förklaring för mörk energi, men Scherrer är den första som påpekar att en enkel typ av k-essensfält också kan ge effekter som tillskrivs mörk materia.
Forskare skiljer mellan mörk materia och mörk energi eftersom de verkar bete sig annorlunda. Mörkt material verkar ha massa och bilda jätteklumpar. I själva verket beräknar kosmologer att gravitationsattraktionen hos dessa klumpar spelade en nyckelroll i att få vanlig materia att bilda galaxer. Mörk energi, däremot, verkar vara utan massa och sprider sig jämnt i rymden där den fungerar som en slags anti-gravitation, en avvisande kraft som skjuter universum isär.
K-essensfält kan ändra sitt beteende över tid. När man undersöker en mycket enkel typ av k-essensfält, där potentiell energi är en konstant, upptäckte Scherrer att när fältet utvecklas passerar det genom en fas där den kan klumpa och efterlikna effekten av osynliga partiklar följt av en fas då det sprider sig jämnt i rymden och tar på sig egenskaperna hos mörk energi.
"Modellen utvecklas naturligt till ett tillstånd där det ser ut som mörk materia ett tag och sedan ser det ut som mörk energi," säger Scherrer. "När jag insåg detta tänkte jag: 'Detta är övertygande, låt oss se vad vi kan göra med det.'"
När han granskade modellen mer detaljerat, fann Scherrer att den undviker många av de problem som har plågat tidigare teorier som försöker förena mörk materia och mörk energi.
Den tidigaste modellen för mörk energi gjordes genom att modifiera den allmänna relativitetsteorin för att inkludera en term som kallas den kosmologiska konstanten. Detta var en term som Einstein ursprungligen inkluderade för att balansera tyngdkraften för att bilda ett statiskt universum. Men han tappade muntert konstanten när astronomiska observationer av dagen konstaterade att det inte behövdes. Nya modeller som återinför den kosmologiska konstanten gör ett bra jobb med att reproducera effekterna av mörk energi men förklarar inte mörk materia.
Ett försök att förena mörk materia och mörk energi, kallad Chaplygin-gasmodellen, är baserat på arbete av en rysk fysiker på 1930-talet. Det producerar ett initialt mörkmaterial-liknande steg följt av en mörk energiliknande utveckling, men det har problem att förklara galaxbildningen.
Scherrer's formulering har vissa likheter med en enhetlig teori som föreslogs tidigare i år av Nima Arkani-Hamed vid Harvard University och hans kollegor, som försöker förklara mörk materia och mörk energi som uppstår från beteendet hos en osynlig och allmänt vätska som de kallar en " spöke kondensat. ”
Även om Scherrer's modell har ett antal positiva funktioner har den också några nackdelar. För en sak kräver det extrem extrem "finjustering" för att fungera. Fysikern varnar också att mer studie kommer att krävas för att avgöra om modellens beteende överensstämmer med andra observationer. Dessutom kan den inte svara på sammanfallsproblemet: Varför vi lever vid den enda tiden i universums historia när tätheterna beräknade för mörk materia och mörk energi är jämförbara. Forskare misstänker detta eftersom det antyder att det finns något speciellt med den aktuella eran.
Originalkälla: Vanderbilt University News Release
