En ny teori om mørk materie og mørk energi

Hverken mørkt stof eller mørk energi kan observeres direkte, men er i stedet kendt for at eksistere på grund af deres indvirkning på genstande omkring dem. For eksempel kan mørke stoffer bøje lys omkring det, selvom de ikke udsender eller reflekterer lys.

For præcis et århundrede siden, på en aften i 1918, skrev den kendte fysiker Albert Einstein en idé på siderne på sin notesbog. Denne idé kunne være nøglen til at løse et af de bedst og mest undvigende mysterier i hele fysikken: mørk stof og mørk energi. Sammen udgør de over 95% af universet, de arbejder usynligt for at omslutte galakser og fortsætter med en gang at udvide vores univers med en accelererende hastighed, og driver os væk fra nærliggende stjernesystemer og ind i en fremtid med store splittelser.

Ideen, som Einstein skrev om, var en tilpasning til den generelle relativitet, hvor tomt rum ville blive negativ masse, der bevæger sig under tyngdekraftens indflydelse. Disse negative masser ville befolke det interstellare rum. Men denne idé opstod som en måde at forklare den kosmologiske konstant - eller hvad Einstein omtalte som hans livs største fejl. På det tidspunkt, hvor den kosmologiske konstant blev skabt, var det en bredt accepteret tro, at universet var statisk. Det vil sige, det var hverken ekspanderende eller kontraherende. Men hvis dette var sandt, måtte noget modvirke tyngdekraften for at forhindre, at universet kollapser på sig selv. Således blev den kosmologiske konstant med antigravitetsegenskaber født.

I dag forstår vi, at universet ikke er statisk, og at det fortsætter med at udvide sig, og derfor har den kosmologiske konstant fået en ny betydning. Det repræsenterer mørk energi i Lambda CDM, vores nuværende og mest accepterede model af universet. Den nyeste teori om mørk stof og mørk energi er ikke i modstrid med standardmodellen og bygger i stedet af den note Einstein gjorde for sig selv for alle disse år siden.

Teorien, skabt af astrofysiker Jamie Farnes fra Oxford University, forener mørkt stof og mørk energi til et enkelt gennemgribende stof kendt som en mørk væske. Den mørke væske er lavet af negative masser, der har negativ tyngdekraft. Med positiv, normal stof og positiv tyngdekraft tiltrækker objekter hinanden. Men genstande med negativ masse ville afvise sagen, så at skubbe negativ masse væk fra dig faktisk resulterede i, at den bevæger sig tættere og ikke længere væk. Men dette betyder også, at to negative massepartikler ville afvise hinanden, et fænomen, der er i modstrid med den generelle relativitet. Denne egenskab ved frastødelse understøttes ikke af nogen matematiske ligninger og er simpelthen en tilføjelse, som Farnes har lavet baseret på hans egen intuition. Det er dog afgørende for hans hypotese.

Hubble-konstanten er den hastighed, som universet ekspanderer til, men det er anderledes afhængigt af, hvor du måler. Universet tæt omkring os udvides med en hastighed på 45,6 miles per sekund (73,5 kilometer per sekund) pr. Megaparsek. Det fjernere baggrundsunivers bevæger sig med 41,6 miles per sekund (67 km per sekund) pr. Megaparsek.

Denne mørke væske ville hjælpe med at forklare dannelsen af ​​mørke stoffer haloer omkring galakser. Som de er, galakser snurrer så hurtigt, at stjerner mod de ydre regioner skal makulere og sprede sig i universet. Dette skyldes, at der er mindre tyngdepåvirkning, jo længere man bevæger sig fra midten af ​​galaksen, hvilket efterlader stjerner i udkanten for at rotere hurtigere og sprede. Men mørkt stof tillader galakser at dannes, da det skaber en usynlig "glorie" omkring strukturen. Vores eget solsystem bevæger sig gennem dette mørke stof med 230 km (230 km) pr. Sekund og opfatter det mere som en uopdagelig, hurtigt bevægende vind.

Men fysikere er skeptiske overfor Farnes's teori af mange grunde, hvoraf den ene er universets densitet, når den udvides. Hvis mørk energi blev lavet af negativ masse, ville dens densitet falde, når universet ekspanderede, mens forskning viser, at universets densitet forbliver den samme, som det vokser. For at besvare dette problem trækker Farnes på en anden etableret idé kendt som ”materieoprettelse”. Dette siger, at stof skabes hele tiden i hele universet og konstant befolker det med flere og flere negative masser. Disse nyoprettede negative masser ville erstatte dem, der forsvinder, og holde massefylden fast. Men dette fører igen til et andet problem. Ifølge kvantemekanikken ville alt blive ustabilt, hvis der kunne skabes negativ masse i rumvakuumet. Så vidt vi kan sige, er det ikke tilfældet.

Mens der ikke er noget, der videnskabeligt hindrer negativ masse i at eksistere i universet, er den heller aldrig blevet observeret uden for et laboratorium. Forskere er ikke sikre på, hvilken naturlig mekanisme der vil tillade negativ masse at eksistere, men forskning, der foregår på CERN og fremtidig teknologi som Square Kilometer Array (et projekt til at bygge verdens største radioteleskop) kunne hjælpe med at give Farnes's koncept et mere solidt fundament. For tiden er det baseret på nogle ældre ideer og foreløbig forskning ved hjælp af computersimuleringer og matematik.

En kunstners indtryk af, hvordan Square Kilometre Array vil se ud, når den er færdig. Bygningen er indstillet til at starte i 2019, og når operationen er 50 gange mere følsom end noget andet radioinstrument.

Indtil nu antyder den mest fremtrædende teori om mørk stof, at det er en eksotisk partikel, der ikke interagerer med lys, men alligevel udøver tyngdekraft på genstande omkring den. Eksperimenter på Large Hadron Collider søger fortsat efter sjældne partikler - hvoraf den ene kan være ansvarlig for mørkt stof. Andre forskere mener, at tyngdekraften på større skalaer adskiller sig meget fra den tyngdekraft, vi er vant til i mindre skala, og for at løse mørkt stof har vi brug for at se på tyngdekraften fra et andet perspektiv. Hvad angår ideer om mørk energi, ja, det er et endnu større mysterium, vi kæmper for at definere.

Mens Farnes 'teori antyder, at vi er både med positiv stof, der glider over et mørkt flydende hav, er det også attraktivt på grund af symmetrien, det giver. To af de største mysterier er blevet kondenseret til et, og universet udviser en afbalanceret positivitet og negativitet. Det enorme hav af mørk energi og mørk stof, der har undgået os så længe, ​​kan forklares med et lille, elegant minustegn.

Modellerne, som Farnes har skabt indtil videre, er lovende; de redegør for universets fortsatte ekspansion og flere egenskaber ved galaktisk rotation. Anden astrofysikere advarer om, at det er vigtigt at holde et åbent sind, når det kommer til nye teorier. De kan være mærkelige og kan synes at udfordre vores etablerede videnskabelige forestillinger, men mange af vores største indsigter i universet begyndte nøjagtigt på den måde - med en følelse af vantro.