Επιφέροντας ισορροπία στο Σύμπαν: Νέο μοντέλο προτείνει τρόπο για την ενοποίηση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν μας

Η κανονική ύλη είναι ο βασικός δομικός λίθος των ανθρώπων, των φυτών και του Ηλιακού Συστήματος, όμως ακόμη συνιστά – σύμφωνα με το καλύτερο θεωρητικό μας μοντέλο – το 5% όλης της ύλης του Σύμπαντος. Το άλλο 95% είναι τυπικά αόρατο, εκτός από την περίπτωση που η παρουσία του συμπεραίνεται μέσω των βαρυτικών επιδράσεων. Αυτό το ελλείπον μέρος του Σύμπαντος κανονικά χωρίζεται σε δυο ξεχωριστά και διακριτά φυσικά φαινόμενα, τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, τα οποία είναι δυο από τα μεγαλύτερα προβλήματα στη σύγχρονη αστροφυσική.

Όπως αναφέρθηκε στην ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, με ημερομηνία 5 Δεκεμβρίου 2018, ένα νέο μοντέλο (toy model) από τον Dr Jamie Farnes του Oxford’s e-Research Centre, που δημοσιοποιήθηκε σε δημοσίευση στο Astronomy & Astrophysics (A&A), υποστηρίζει ότι και η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια μπορούν να ενοποιηθούν σε ένα μόνο φαινόμενο – ένα ρευστό που έχει αρνητική μάζα.

Όπως αναφέρει ο συγγραφέας στο άρθρο του στην Conversation, η σκοτεινή ύλη ίσως είναι ένα αόρατο υλικό, όμως ασκεί βαρυτική δύναμη στην ύλη του περιβάλλοντός της που μπορούμε να μετρήσουμε. Η σκοτεινή ενέργεια είναι απωθητική που κάνει το σύμπαν να επεκτείνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Τα δυο αυτά πάντα αντιμετωπίζονται ως δυο ξεχωριστά φαινόμενα. Όμως στη μελέτη υποστηρίζεται η άποψη ότι τα δυο μπορεί να είναι μέρος της ίδιας παράξενης έννοιας – ένα μοναδικό, ενοποιημένο «σκοτεινό ρευστό» αρνητικών μαζών.

Οι αρνητικές μάζες δεν είναι νέα ιδέα στην κοσμολογία. Όπως ακριβώς η κανονική ύλη, σωμάτια αρνητικής μάζας θα πρέπει να απλώνονται περισσότερα καθώς το σύμπαν επεκτείνεται – που σημαίνει ότι η απωστική τους δύναμη θα πρέπει να γίνεται ασθενέστερη με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο, μελέτες έχουν δείξει ότι η δύναμη που οδηγεί την επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος είναι συνεχώς σταθερή. Αυτή η αντίφαση έχει οδηγήσει προηγουμένως τους ερευνητές να εγκαταλείψουν την ιδέα αυτή. Εάν το σκοτεινό ρευστό υπάρχει, δεν θα έπρεπε να αδυνατίζει με το χρόνο.

Στη νέα μελέτη, ο συγγραφέας προτείνει μια τροποποίηση της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Einstein για να επιτρέπει τις αρνητικές μάζες όχι μόνο να υπάρχουν, αλλά να δημιουργούνται συνεχώς. Η «δημιουργία ύλης» περιλαμβάνονταν ήδη σε μια προηγούμενη εναλλακτική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, γνωστής ως μοντέλο Σταθερής Κατάστασης. Η κύρια υπόθεση ήταν ότι (θετικής μάζας) ύλη δημιουργούνταν συνεχώς για να αναπληρώνει το υλικό καθώς το σύμπαν επεκτείνεται. Τώρα γνωρίζουμε από παρατηρησιακά στοιχεία ότι αυτό είναι λανθασμένο. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι η αρνητικής μάζας ύλη δεν μπορεί να δημιουργείται συνεχώς. Η μελέτη δείχνει, σύμφωνα με τον συγγραφέα της Dr Jamie Farnes, ότι αυτό το υποτιθέμενο σκοτεινό ρευστό ποτέ δεν απλώνεται πολύ αραιά. Αντίθετα συμπεριφέρεται ακριβώς όπως η σκοτεινή ενέργεια.

Το προτεινόμενο από τη μελέτη μοντέλο, μια τροποποιημένη ΛCDM (Λάμδα Cold Dark Matter) κοσμολογία, δείχνει – όπως αναφέρεται στην περίληψη που συνοδεύει τη μελέτη – ότι οι συνεχώς δημιουργούμενες αρνητικές μάζες μπορούν να μοιάζουν με τη κοσμολογική σταθερά και μπορούν να ομαλοποιούν τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών. Άλλωστε η σκοτεινή ύλη εισήχθη για να εξηγήσει το γεγονός ότι οι γαλαξίες περιστρέφονται πολύ ταχύτερα από ότι τα μοντέλα μας προβλέπουν, πράγμα που σημαίνει ότι κάποια επιπρόσθετη αόρατη ύλη πρέπει να είναι παρούσα για να τους εμποδίσει να αυτο-διαλυθούν περιστρεφόμενοι. Το μοντέλο οδηγεί σε ένα κυκλικό σύμπαν με χρονικά μεταβαλλόμενη παράμετρο Hubble, που δυνητικά παρέχει συμβατότητα με την τρέχουσα ένταση που αναδύεται στις κοσμολογικές μετρήσεις.

Στην πρώτη, στην επιστημονική βιβλιογραφία, τρισδιάστατη προσομοίωση Ν-σωμάτων της αρνητικής μάζας ύλης, αυτό το εξωτικό υλικό φυσικά διαμορφώνει άλω γύρω από τους γαλαξίες που εκτείνονται αρκετές γαλαξιακές ακτίνες. Αυτές οι άλω είναι ομαλοποιημένες. Το προτεινόμενο κοσμολογικό μοντέλο είναι έτσι ικανό να προβλέπει την παρατηρούμενη κατανομή της σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες από πρώτες αρχές. Το μοντέλο κάνει ορισμένες ελέγξιμες προβλέψεις και φαίνεται να έχει τη δυνατότητα να είναι συνεπές με τα παρατηρησιακά στοιχεία από απομακρυσμένους υπερκαινοφανείς, τη κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και τα γαλαξιακά σμήνη.

Τα ευρήματα αυτά μπορεί να σημαίνουν ότι οι αρνητικές μάζες είναι μια πραγματική και φυσική όψη του σύμπαντός μας ή εναλλακτικά μπορεί να σημαίνει την ύπαρξη μιας διαδόχου θεωρίας που σε ορισμένο όριο μπορεί να μοντελοποιηθεί από αποτελεσματικές αρνητικές μάζες. Και οι δυο περιπτώσεις, σύμφωνα με την μελέτη, οδηγούν στο εκπληκτικό συμπέρασμα ότι ο επιβλητικός γρίφος του σκοτεινού σύμπαντος μπορεί να υφίσταται λόγω ενός απλού λάθους σημείου.