За последние несколько десятилетий ученые обнаружили, что во вселенной гораздо больше, чем кажется на первый взгляд: кажется, что космос заполнен не одной, а двумя невидимыми составляющими - темной материей и темной энергией, существование которых было предложено основанный исключительно на их гравитационном воздействии на обычную материю и энергию.
Теперь физик-теоретик Роберт Дж. Шеррер придумал модель, которая могла бы разрезать тайну пополам, объяснив темную материю и темную энергию как два аспекта одной неизвестной силы. Его модель описана в статье под названием «Чисто кинетическая сущность как единая темная материя», опубликованной в сети Physical Review Letters 30 июня и доступной в Интернете по адресу http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
«Один из способов думать об этом состоит в том, что вселенная заполнена невидимой жидкостью, которая оказывает давление на обычную материю и меняет способ расширения вселенной», - говорит Шеррер, профессор физики в университете Вандербильта.
По словам Шеррера, его модель чрезвычайно проста и позволяет избежать основных проблем, которые характеризовали предыдущие попытки объединить темную материю и темную энергию.
В 1970-х астрофизики постулировали существование невидимых частиц, называемых темной материей, чтобы объяснить движение галактик. Основываясь на этих наблюдениях, они оценивают, что во вселенной должно быть примерно в 10 раз больше темной материи, чем обычной материи. Одно из возможных объяснений темной материи состоит в том, что она состоит из частиц нового типа (называемых Слабо взаимодействующими массивными частицами, или WIMP), которые не излучают свет и едва взаимодействуют с обычной материей. Ряд экспериментов ищет доказательства этих частиц.
Как будто этого было недостаточно, в 1990-х годах появилась темная энергия, которая производит отталкивающую силу, которая, кажется, разрывает вселенную. Ученые призвали темную энергию объяснить неожиданное открытие, что скорость расширения вселенной не замедляется, как думали большинство космологов, а ускоряется. Согласно последним оценкам, темная энергия составляет 75 процентов вселенной, а темная материя - еще 23 процента, в результате чего обычная материя и энергия имеют явно меньшую роль, составляющую всего 2 процента.
Объединяющая идея Шеррера - это экзотическая форма энергии с четко определенными, но сложными свойствами, называемая скалярным полем. В этом контексте поле - это физическая величина, обладающая энергией и давлением, которые распространяются по всему пространству. Космологи впервые применили скалярные поля для объяснения космической инфляции, периода вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная, похоже, пережила эпизод гиперпространства, раздувающего миллиарды на миллиарды раз менее чем за секунду.
В частности, Шеррер использует в своей модели скалярное поле второго поколения, известное как k-сущность. Поля K-сущности были предложены Полом Стейнхардтом в Принстонском университете и другими в качестве объяснения темной энергии, но Шеррер первым указал, что один простой тип поля K-сущности также может производить эффекты, приписываемые темной материи.
Ученые различают темную материю и темную энергию, потому что они, кажется, ведут себя по-разному. Темная материя, кажется, имеет массу и образует гигантские комки. На самом деле космологи подсчитывают, что гравитационное притяжение этих скоплений сыграло ключевую роль в образовании галактик из обычной материи. Темная энергия, напротив, кажется, не имеет массы и равномерно распространяется по всему пространству, где она действует как своего рода антигравитация, отталкивающая сила, которая раздвигает вселенную.
Поля K-сущности могут со временем изменять свое поведение. При исследовании очень простого типа поля с k-сущностью, в котором потенциальная энергия является константой, Шеррер обнаружил, что по мере развития поля оно проходит через фазу, в которой оно может слипаться и имитировать действие невидимых частиц, за которым следует фаза, когда он равномерно распространяется по всему пространству и приобретает характеристики темной энергии.
«Модель естественным образом эволюционирует в состояние, когда некоторое время выглядит как темная материя, а затем выглядит как темная энергия», - говорит Шеррер. «Когда я понял это, я подумал:« Это убедительно, давайте посмотрим, что мы можем с этим сделать »».
Рассматривая модель более подробно, Шеррер обнаружил, что она избегает многих проблем, которые преследовали предыдущие теории, которые пытались объединить темную материю и темную энергию.
Самая ранняя модель для темной энергии была сделана путем изменения общей теории относительности, чтобы включить термин, называемый космологической постоянной. Это был термин, который Эйнштейн первоначально включил, чтобы уравновесить силу гравитации, чтобы сформировать статическую вселенную. Но он с радостью отбросил константу, когда астрономические наблюдения того дня показали, что в этом нет необходимости. Недавние модели, повторно вводящие космологическую постоянную, хорошо воспроизводят эффекты темной энергии, но не объясняют темную материю.
Одна попытка объединить темную материю и темную энергию, названную газовой моделью Чаплыгина, основана на работах русского физика 1930-х годов. Он производит начальную стадию, подобную темной материи, за которой следует эволюция, подобная темной энергии, но у него есть проблемы с объяснением процесса формирования галактики.
Формулировка Шеррера имеет некоторые сходства с единой теорией, предложенной ранее в этом году Нимой Аркани-Хамедом в Гарвардском университете и его коллегами, которые пытаются объяснить темную материю и темную энергию как результат поведения невидимой и вездесущей жидкости, которую они называют « призрачный конденсат.
Хотя модель Шеррера имеет ряд положительных особенностей, она также имеет некоторые недостатки. Во-первых, для работы требуется крайняя «подстройка». Физик также предупреждает, что потребуется больше исследований, чтобы определить, соответствует ли поведение модели другим наблюдениям. Кроме того, он не может ответить на проблему совпадений: почему мы живем в единственное время в истории Вселенной, когда плотности, рассчитанные для темной материи и темной энергии, сравнимы. Ученые с подозрением относятся к этому, потому что это говорит о том, что есть что-то особенное в нынешнюю эпоху.
Первоначальный источник: пресс-релиз университета Вандербильта
