Η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια είναι όψεις της ίδιας άγνωστης δύναμης

Από το Πανεπιστήμιο Vanderbilt, 1 Ιουλίου 2004

Στις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ότι υπάρχουν πολύ περισσότερα στο Σύμπαν από ό,τι μπορούμε να δούμε: Το Σύμπαν εμφανίζεται να περιέχει όχι μόνο με ένα, αλλά δύο αόρατα συστατικά - τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια - των οποίων η ύπαρξη έχει προταθεί μόνο λόγω των βαρυτικών αποτελεσμάτων τους πάνω στη συνηθισμένη ύλη και ενέργεια.

Αλλά τώρα, ο θεωρητικός φυσικός Robert J. Scherrer βρήκε ένα μοντέλο που θα μπορούσε να περιορίσει το μυστήριο στη μέση με την εξήγηση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας ως τις δύο πτυχές μιας ενιαίας άγνωστης δύναμης.

Το μοντέλο του περιγράφεται σε μια δημοσίευση στο Physical Review Letters με τον τίτλο "Καθαρώς Κινητική Κ-Ουσία σαν Ενοποιημένη Σκοτεινή Ύλη",  και στη διεύθυνση http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.

"Η βασική σκέψη είναι ότι το σύμπαν πληρούται με ένα αόρατο ρευστό που ασκεί πίεση στη συνηθισμένη ύλη και αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο το σύμπαν επεκτείνεται", λέει ο Scherrer, ένας καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο Vanderbilt.

Σύμφωνα με το Scherrer, το μοντέλο του είναι εξαιρετικά απλό και αποφεύγει τα σημαντικότερα προβλήματα που χαρακτήριζαν τις προηγούμενες προσπάθειες να ενοποιηθεί η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.

Στη δεκαετία του '70, οι αστροφυσικοί αξίωσαν την ύπαρξη αόρατων σωματιδίων, τη λεγόμενη σκοτεινή ύλη, προκειμένου να εξηγηθεί η κίνηση των γαλαξιών. Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, υπολογίζουν ότι πρέπει να υπάρχει, περίπου, 10 φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη στο Σύμπαν από όσο η συνηθισμένη ύλη. Μια πιθανή εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι αποτελείται από έναν νέο τύπο σωματιδίου (που περιγράφεται σαν Ασθενώς Αλληλεπιδρώντας Σωματίδια με Μάζα, ή WIMP) που δεν εκπέμπουν φως και αλληλεπιδρούν ελάχιστα με τη συνηθισμένη ύλη. Αρκετά πειράματα ψάχνουν για τα αποδεικτικά στοιχεία αυτών των σωματιδίων.

Σαν να μην έφτανε αυτό, στη δεκαετία του '90 ήρθε στο προσκήνιο η σκοτεινή ενέργεια, η οποία παράγει μια απωθητική δύναμη που αναγκάζει τα μέρη του σύμπαντος να απομακρύνονται. Οι επιστήμονες επικαλέσθηκαν τη σκοτεινή ενέργεια για να εξηγήσουν την αιφνιδιαστική ανακάλυψη ότι ο ρυθμός με τον οποίο το σύμπαν διαστέλλεται δεν επιβραδύνεται, όπως νόμιζαν οι περισσότεροι κοσμολόγοι, αλλά αντιθέτως επιταχύνεται. Σύμφωνα με τις τελευταίες εκτιμήσεις, η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί το 75% του σύμπαντος και η σκοτεινή ύλη το 23%, ενώ η συνηθισμένη βαρυονική ύλη μαζί με την ενέργεια είναι η μειοψηφία, μόνο το 2 τοις εκατό.

Η ενοποιητική ιδέα του Scherrer είναι ότι πρόκειται για μια εξωτική μορφή ενέργειας, που την ονόμασε βαθμωτό πεδίο, με σαφώς καθορισμένες αλλά περίπλοκες ιδιότητες. Σε αυτό το πλαίσιο, ένα πεδίο είναι μια φυσική ποσότητα που κατέχει ενέργεια και πίεση που διαδίδεται μέσα σε όλο το διάστημα. Οι κοσμολόγοι επικαλέσθηκαν για πρώτη φορά τα βαθμωτά πεδία για να εξηγήσουν τον κοσμικό πληθωρισμό, μια περίοδος αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη στην οποία το σύμπαν υποβάλλεται σε μια τεράστια διαστολή, με αποτέλεσμα το μέγεθος του να αυξηθεί δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων φορές σε χρόνο λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Συγκεκριμένα, ο Scherrer χρησιμοποιεί στο μοντέλο του ένα  βαθμωτό πεδίο δεύτερης γενιάς, γνωστό ως Κ-ουσία. Τα πεδία της Κ-ουσίας έχουν προωθηθεί από τον Paul Steinhardt στο Πανεπιστήμιο του Princeton αλλά και από άλλους για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά ο Scherrer είναι ο πρώτος που επισημαίνει ότι ένας απλός τύπος πεδίου Κ-ουσίας μπορεί, επίσης, να παραγάγει τα αποτελέσματα που αποδίδονται στη σκοτεινή ύλη.

Οι επιστήμονες διακρίνουν τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια επειδή φαίνονται να συμπεριφέρονται διαφορετικά. Η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται να έχει μάζα και να σχηματίζει γιγάντιες συγκεντρώσεις μάζας. Στην πραγματικότητα, οι κοσμολόγοι υπολογίζουν ότι η βαρυτική έλξη αυτών των μαζών διαδραμάτισε βασικό ρόλο στον σχηματισμό των γαλαξιών από τη συνηθισμένη ύλη. Η σκοτεινή ενέργεια, σε αντίθεση, εμφανίζεται να είναι χωρίς μάζα και διαδίδεται ομοιόμορφα σε όλο το διάστημα όπου ενεργεί ως ένα είδος αντι-βαρύτητας, μιας απωστικής δύναμης που ωθεί το σύμπαν να διαχωρίζεται.

Τα πεδία της Κ-ουσίας μπορούν να αλλάξουν τη συμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια του χρόνου. Όταν εξετάστηκε ένας πολύ απλός τύπος πεδίου της Κ-ουσίας, στο οποίο η δυναμική ενέργεια είναι σταθερή - ο Scherrer ανακάλυψε ότι καθώς το πεδίο εξελίσσεται, περνά μέσω μιας φάσης όπου μπορεί να κάνει συγκεντρώσεις ύλης και να μιμηθεί το φαινόμενο των αόρατων σωματιδίων, ακολουθούμενη δε από μια άλλη φάση κατά την οποία διαδίδεται ομοιόμορφα σε όλο το διάστημα και παίρνοντας τα χαρακτηριστικά της σκοτεινής ενέργειας.

"Το μοντέλο εξελίσσεται φυσιολογικά σε μια κατάσταση, όπου μοιάζει με την σκοτεινή ύλη για μια στιγμή και έπειτα μοιάζει με τη σκοτεινή ενέργεια", λέει ο Scherrer. "Όταν το κατάλαβα, σκέφτηκα, ας δούμε τι μπορούμε να κάνουμε με αυτό".

Όταν ο Scherrer εξέτασε το μοντέλο του λεπτομερέστερα,  διαπίστωσε ότι αποφεύγει πολλά από τα προβλήματα που έχουν χαλάσει τις προηγούμενες θεωρίες, που προσπαθούν να ενοποιήσουν τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια.

Το αρχικό μοντέλο για τη σκοτεινή ενέργεια έγινε τροποποιώντας τη γενική θεωρία της σχετικότητας για να συμπεριλάβει έναν όρο, τη λεγόμενη κοσμολογική σταθερά. Αυτή ήταν ένας όρος που ο Einstein την είχε προσθέσει αρχικά στις εξισώσεις του για να εξισορροπήσει τη βαρυτική δύναμη, προκειμένου να διαμορφωθεί ένα στατικό σύμπαν, όπως πρόβλεπαν τότε οι κοσμολόγοι. Αλλά όταν οι αστρονομικές παρατηρήσεις βρήκαν ότι το σύμπαν δεν είναι σταθερό, την πέταξε. Τα πρόσφατα μοντέλα που επανεισάγουν την κοσμολογική σταθερά εξηγούν καλά τα αποτελέσματα της σκοτεινής ενέργειας αλλά δεν εξηγούν τη σκοτεινή ύλη.

Μια προσπάθεια να ενοποιηθεί η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, που ονομάζεται μοντέλο αερίου Chaplygin, βασίζεται στην εργασία ενός ρώσου φυσικού στη δεκαετία του '30. Αυτό παράγει ένα αρχικό στάδιο σαν τη σκοτεινή ύλη, που ακολουθείται από μια εξέλιξη προς τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά έχει το πρόβλημα της εξήγησης της διαδικασίας του σχηματισμού των γαλαξιών.

Η διατύπωση του Scherrer έχει μερικές ομοιότητες με μια ενοποιημένη θεωρία, που προτάθηκε στις αρχές του 2004 από το θεωρητικό φυσικό Nima Arkani-Hamed στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο οποίος προσπαθεί να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, όπως αναδύεται από τη συμπεριφορά ενός αόρατου και πανταχού παρόντος ρευστού που την ονομάζουν "συμπύκνωμα φάντασμα" (ghost condensate).

Αν και το μοντέλο του Scherrer έχει αρκετά θετικά γνωρίσματα, έχει επίσης και μερικά μειονεκτήματα. Για κάποιο λόγο απαιτεί κάποιο ακραίο "ακριβή συντονισμό" για να δουλέψει. Ο φυσικός, επίσης, προειδοποιεί ότι θα χρειαστεί περισσότερη μελέτη για να προσδιοριστεί εάν η συμπεριφορά του μοντέλου είναι σύμφωνη με άλλες παρατηρήσεις.

Επιπρόσθετα, δεν μπορεί να απαντήσει στο συμπτωτικό πρόβλημα: Γιατί ζούμε σε μια εποχή που στο σύμπαν οι υπολογισμένες πυκνότητες  για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια είναι συγκρίσιμες. Οι επιστήμονες είναι καχύποπτοι για αυτή την σύμπτωση, γιατί υποθέτουν ότι υπάρχει κάτι το ξεχωριστό σε σχέση με τη σημερινή εποχή.