Μια νέα θεωρία για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια

Ούτε σκοτεινή ύλη ούτε σκοτεινή ενέργεια μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, αλλά είναι γνωστό ότι υπάρχουν λόγω των επιδράσεών τους σε αντικείμενα γύρω τους. Για παράδειγμα, ενώ δεν εκπέμπει ή αντανακλά φως, η σκοτεινή ύλη μπορεί να κάμπτει φως γύρω της.

Ακριβώς πριν από έναν αιώνα, σε ένα βράδυ του 1918, ο διάσημος φυσικός Albert Einstein έγραψε μια ιδέα στις σελίδες του σημειωματάριου του. Αυτή η ιδέα θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα και πιο αόριστα μυστήρια σε όλη τη φυσική: αυτό της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Μαζί αποτελούν πάνω από το 95% του σύμπαντος, δουλεύοντας αόρατα για να τυλίγουν γαλαξίες και ταυτόχρονα συνεχίζουν να επεκτείνουν το σύμπαν μας με επιταχυνόμενο ρυθμό, μας απομακρύνουν από τα κοντινά αστρικά συστήματα και σε ένα μέλλον με μεγάλες διαιρέσεις.

Η ιδέα που έγραψε ο Αϊνστάιν ήταν μια προσαρμογή στη γενική σχετικότητα όπου ο κενός χώρος θα γινόταν αρνητική μάζα που κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αυτές οι αρνητικές μάζες θα κατοικούσαν τον διαστρικό χώρο. Αλλά αυτή η ιδέα εμφανίστηκε ως τρόπος εξήγησης της κοσμολογικής σταθεράς - ή αυτό που ο Αϊνστάιν ανέφερε ως το μεγαλύτερο λάθος της ζωής του. Την εποχή που δημιουργήθηκε η κοσμολογική σταθερά, ήταν μια ευρέως αποδεκτή πεποίθηση ότι το σύμπαν ήταν στατικό. Δηλαδή, δεν επεκτάθηκε ούτε συρρικνώθηκε. Αλλά αν αυτό ήταν αλήθεια, τότε κάτι έπρεπε να αντισταθμίζει τη βαρύτητα για να αποτρέψει το σύμπαν να καταρρεύσει. Έτσι γεννήθηκε η κοσμολογική σταθερά με αντιβαρυτικές ιδιότητες.

Σήμερα καταλαβαίνουμε ότι το σύμπαν δεν είναι στατικό και ότι συνεχίζει να επεκτείνεται, και έτσι η κοσμολογική σταθερά έχει αποκτήσει ένα νέο νόημα. Αντιπροσωπεύει τη σκοτεινή ενέργεια στο Lambda CDM, το τρέχον και το πιο αποδεκτό μοντέλο του σύμπαντος. Η νεότερη θεωρία για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια δεν έρχεται σε αντίθεση με το πρότυπο πρότυπο και αντ 'αυτού βασίζεται στη σημείωση που έκανε ο Αϊνστάιν για τον εαυτό του όλα αυτά τα χρόνια.

Η θεωρία, που δημιουργήθηκε από τον αστροφυσικό Jamie Farnes από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ενοποιεί τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια σε μια μοναδική διεισδυτική ουσία γνωστή ως σκοτεινό υγρό. Το σκοτεινό υγρό αποτελείται από αρνητικές μάζες που έχουν αρνητικό βάρος. Με θετική, φυσιολογική ύλη και θετική βαρύτητα, τα αντικείμενα προσελκύουν το ένα το άλλο. Όμως, αντικείμενα με αρνητική μάζα θα απωθούσαν την ύλη, έτσι ώστε η απομάκρυνση της αρνητικής μάζας από εσάς να είχε ως αποτέλεσμα να κινείται πιο κοντά και όχι πιο μακριά. Αλλά αυτό σημαίνει επίσης ότι δύο αρνητικά σωματίδια μάζας θα απωθήσουν το ένα το άλλο, ένα φαινόμενο που έρχεται σε αντίθεση με τη γενική σχετικότητα. Αυτό το χαρακτηριστικό της απώθησης δεν υποστηρίζεται από μαθηματικές εξισώσεις και είναι απλώς μια προσθήκη Farnes που βασίζεται στη δική του διαίσθηση. Είναι, ωστόσο, σημαντικό για την υπόθεσή του.

Το Hubble Constant είναι ο ρυθμός με τον οποίο επεκτείνεται το σύμπαν, αλλά είναι διαφορετικό ανάλογα με το πού μετράτε. Το σύμπαν κοντά μας εκτείνεται με ρυθμό 45,6 μίλια ανά δευτερόλεπτο (73,5 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο) ανά megaparsec. Το πιο μακρινό φόντο του κόσμου κινείται με ταχύτητα 41,6 μίλια ανά δευτερόλεπτο (67 χλμ. Ανά δευτερόλεπτο) ανά megaparsec.

Αυτό το σκοτεινό υγρό θα βοηθούσε στην εξήγηση του σχηματισμού φωτοστέφανων της σκοτεινής ύλης γύρω από τους γαλαξίες. Όπως είναι, οι γαλαξίες περιστρέφονται τόσο γρήγορα ώστε τα αστέρια προς τις εξωτερικές περιοχές θα πρέπει να σπάσουν και να διασκορπιστούν στο σύμπαν. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει λιγότερη βαρυτική επίδραση όσο πιο μακριά κινείται από το κέντρο του γαλαξία, αφήνοντας τα αστέρια στα περίχωρα να περιστρέφονται γρηγορότερα και να διασκορπίζονται. Αλλά η σκοτεινή ύλη επιτρέπει στους γαλαξίες να σχηματιστούν καθώς δημιουργεί ένα αόρατο «φωτοστέφανο» γύρω από τη δομή. Το δικό μας ηλιακό σύστημα κινείται μέσω αυτής της σκοτεινής ύλης στα 143 μίλια (230 km) ανά δευτερόλεπτο, αντιλαμβανόμαστε περισσότερο ως έναν μη ανιχνεύσιμο, γρήγορο άνεμο.

Αλλά οι φυσικοί είναι δύσπιστοι για τη θεωρία του Farnes για πολλούς λόγους, ένας από αυτούς είναι η πυκνότητα του σύμπαντος καθώς επεκτείνεται. Εάν η σκοτεινή ενέργεια αποτελούσε αρνητική μάζα, η πυκνότητά του θα μειωνόταν καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, ενώ η έρευνα δείχνει ότι η πυκνότητα του σύμπαντος παραμένει η ίδια καθώς μεγαλώνει. Για να απαντήσει σε αυτό το πρόβλημα, ο Farnes βασίζεται σε μια άλλη καθιερωμένη ιδέα γνωστή ως «δημιουργία ύλης». Αυτό λέει ότι η ύλη δημιουργείται συνεχώς σε όλο το σύμπαν, συνεχώς τη γεμίζει με όλο και περισσότερες αρνητικές μάζες. Αυτές οι νεοδημιουργημένες αρνητικές μάζες θα αντικαταστήσουν αυτές που εξαφανίζονται, διατηρώντας την πυκνότητα σταθερή. Αλλά αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε ένα άλλο πρόβλημα. Σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, όλα θα γίνονταν ασταθή, εάν μπορούσε να δημιουργηθεί αρνητική μάζα στο κενό του χώρου. Όσο μπορούμε να πούμε, αυτό δεν ισχύει.

Αν και δεν υπάρχει τίποτα επιστημονικά που να εμποδίζει την αρνητική μάζα να υπάρχει στο σύμπαν, δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ έξω από ένα εργαστήριο. Οι επιστήμονες δεν είναι σίγουροι ποιος φυσικός μηχανισμός θα επέτρεπε την ύπαρξη αρνητικής μάζας, αλλά η έρευνα που διεξάγεται στο CERN και μελλοντική τεχνολογία όπως το Square Kilometer Array (ένα έργο για την κατασκευή του μεγαλύτερου ραδιοτηλεσκοπίου στον κόσμο) θα μπορούσε να βοηθήσει να δώσει στην έννοια του Farnes μια πιο σταθερή βάση. Προς το παρόν βασίζεται σε μερικές παλαιότερες ιδέες και προκαταρκτική έρευνα χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστών και μαθηματικά.

Η εντύπωση ενός καλλιτέχνη για το πώς θα είναι το Square Kilometer Array όταν ολοκληρωθεί. Το κτίριο αναμένεται να ξεκινήσει το 2019 και όταν λειτουργεί θα είναι 50 φορές πιο ευαίσθητο από οποιοδήποτε άλλο ραδιοφωνικό όργανο.

Μέχρι τώρα, η πιο εξέχουσα θεωρία για τη σκοτεινή ύλη υποδηλώνει ότι είναι ένα εξωτικό σωματίδιο που δεν αλληλεπιδρά με το φως αλλά εξακολουθεί να ασκεί βαρύτητα σε αντικείμενα γύρω από αυτό. Τα πειράματα στο Large Hadron Collider συνεχίζουν να αναζητούν σπάνια σωματίδια - ένα από τα οποία μπορεί να είναι υπεύθυνο για τη σκοτεινή ύλη. Άλλοι επιστήμονες πιστεύουν ότι η βαρύτητα σε μεγαλύτερες κλίμακες διαφέρει πολύ από τη βαρύτητα που έχουμε συνηθίσει σε μικρότερη κλίμακα και για την επίλυση της σκοτεινής ύλης πρέπει να εξετάσουμε τη βαρύτητα από διαφορετική οπτική γωνία. Όσον αφορά τις ιδέες για τη σκοτεινή ενέργεια, λοιπόν, αυτό είναι ένα ακόμη μεγαλύτερο μυστήριο που παλεύουμε να ορίσουμε.

Ενώ η θεωρία του Farnes υποδηλώνει ότι είμαστε βάρκες θετικής ύλης που γλιστρούν πάνω σε μια σκοτεινή ρευστή θάλασσα, είναι επίσης ελκυστική λόγω της συμμετρίας που παρέχει. Δύο από τα μεγαλύτερα μυστήρια έχουν συμπυκνωθεί σε ένα και το σύμπαν παρουσιάζει μια ισορροπημένη θετικότητα και αρνητικότητα. Αυτός ο απέραντος ωκεανός σκοτεινής ενέργειας και σκοτεινής ύλης που μας έχει αποφύγει για τόσο πολύ καιρό μπορεί να εξηγηθεί από ένα μικρό, κομψό σύμβολο μείον.

Τα μοντέλα που έχει δημιουργήσει η Farnes μέχρι στιγμής είναι πολλά υποσχόμενα. εξηγούν τη συνεχιζόμενη επέκταση του σύμπαντος και πολλές ιδιότητες της γαλαξιακής περιστροφής. Συνάδελφοι αστροφυσικοί προειδοποιούν ότι είναι σημαντικό να διατηρούμε ανοιχτό μυαλό όταν πρόκειται για νέες θεωρίες. Μπορεί να είναι περίεργα και φαίνεται να προκαλούν τις καθιερωμένες επιστημονικές μας έννοιες, αλλά πολλές από τις μεγαλύτερες γνώσεις μας για το σύμπαν ξεκίνησαν ακριβώς με αυτόν τον τρόπο - με αίσθηση δυσπιστίας.