Uus tumedate ainete ja tumeda energia teooria

Tumedat ainet ega tumedat energiat ei saa otseselt vaadelda, vaid on teadaolevalt olemas, kuna nad mõjutavad neid ümbritsevaid esemeid. Näiteks võib tume aine mitte valgust kiirgata ega peegeldada, kuid võib selle ümber valgust painutada.

Täpselt sajand tagasi, 1918. aasta õhtul, kirjutas tuntud füüsik Albert Einstein oma märkmiku lehtedele idee. See idee võiks olla võtmeks kogu füüsika ühe põhjalikuma ja kõige raskema mõistatuse lahendamisel: tumeaine ja tume energia. Üheskoos moodustavad nad üle 95% universumist, töötades nähtamatult ümbritsemaks galaktikaid ja jätkates korraga meie universumi laienemist kiireneva kiirusega, juhtides meid lähedalasuvatest tähesüsteemidest eemale ja suurte lõhedega tulevikku.

Einsteini kirjutatud idee oli kohandamine üldrelatiivsusega, kus tühjast ruumist saab raskusjõu mõjul liikuv negatiivne mass. Need negatiivsed massid asustavad tähtedevahelise ruumi. Kuid see idee tekkis viisina selgitada kosmoloogilist konstanti - või seda, mida Einstein nimetas oma elu suurimaks veaks. Kosmoloogilise konstandi loomise ajal oli laialt aktsepteeritud arvamus, et universum on staatiline. See tähendab, et see ei laienenud ega sõlminud lepinguid. Kuid kui see oli tõsi, siis pidi midagi vastu astuma gravitatsioonile, et vältida universumi enda sisse varisemist. Nii sündis antigravitatsiooniliste omadustega kosmoloogiline konstant.

Täna mõistame, et universum ei ole staatiline ja laieneb edasi ning seetõttu on kosmoloogiline konstant omandanud uue tähenduse. See esindab tumedat energiat Lambda CDM-is, mis on meie praegune ja kõige aktsepteeritum universumi mudel. Uusim tumeaine ja tumeda energia teooria ei ole standardmudeliga vastuolus ja põhineb selle asemel Einsteini nootil kõikidele nendele aastatele tehtud märkusele.

Oxfordi ülikoolist astrofüüsiku Jamie Farnesi loodud teooria ühendab tumeaine ja tumeenergia üheks terviklikuks aineks, mida tuntakse tumeda vedelikuna. Tume vedelik on valmistatud negatiivsetest massidest, millel on negatiivne gravitatsioon. Positiivse, normaalse mateeria ja positiivse raskusega objektid meelitavad üksteist. Kuid negatiivse massiga objektid tõrjuvad asja nii, et negatiivse massi endast eemale tõukamine viis selle lähemale ja mitte kaugemale. Kuid see tähendab ka, et kaks negatiivset massiosakest tõrjuvad üksteist, nähtus, mis on vastuolus üldrelatiivsusega. Seda tõrjumise tunnust ei toeta ükski matemaatiline võrrand ja see on lihtsalt Farnessi enda intuitsiooni põhjal tehtud lisand. See on siiski tema hüpoteesi jaoks ülioluline.

Hubble'i konstant on kiirus, millega universum laieneb, kuid see on erinev sõltuvalt sellest, kus te mõõdate. Meie ümber asuv universum paisub kiirusega 45,6 miili sekundis (73,5 kilomeetrit sekundis) megaparsi kohta. Kaugem taustuniversum liigub kiirusel 41,6 miili sekundis (67 km sekundis) megaparsi kohta.

See tume vedelik aitaks selgitada tumeda aine halogeenide moodustumist galaktikate ümber. Sellised, nagu nad on, keerlevad galaktikad nii kiiresti, et tähed välimiste piirkondade poole peaksid hajuma ja universumis laiali minema. Selle põhjuseks on see, et gravitatsiooniline mõju on väiksem, mida kaugemal galaktika keskmest liigub, jättes tähed äärelinnas kiiremini pöörlema ​​ja hajuma. Kuid tumeaine võimaldab galaktikatel moodustuda, kuna see loob struktuuri ümber nähtamatu “halo”. Meie enda päikesesüsteem liigub sellest tumedast ainest kiirusega 143 miili sekundis, tajudes seda rohkem kui märkamatu ja kiiresti liikuvat tuult.

Kuid füüsikud suhtuvad Farnessi teooriasse skeptiliselt mitmel põhjusel, üks neist on universumi tihedus selle laienedes. Kui tume energia moodustaks negatiivsest massist, väheneks selle tihedus universumi laienedes, samas kui uuringud näitavad, et universumi tihedus jääb samaks, kui ta kasvab. Sellele probleemile tuginedes tugineb Farnes veel ühele väljakujunenud ideele, mida tuntakse kui “mateeria loomist”. See ütleb, et mateeria luuakse kogu universumis kogu aeg, asustades seda pidevalt üha rohkemate negatiivsete massidega. Need vastloodud negatiivsed massid asendaksid neid, mis kaovad, hoides tiheduse fikseerituna. Kuid see viib omakorda teise probleemini. Kvantmehaanika kohaselt muutuks kõik ebastabiilseks, kui kosmose vaakumis saaks tekkida negatiivne mass. Niipalju kui me võime öelda, pole see nii.

Ehkki miski teaduslikult ei peata negatiivse massi olemasolu universumis, pole seda ka väljaspool laborit täheldatud. Teadlased pole kindlad, milline looduslik mehhanism võimaldaks negatiivsel massil eksisteerida, kuid CERNis tehtavad uuringud ja tulevikutehnoloogia, näiteks Square Kilomeetri massiiv (projekt maailma suurima raadioteleskoobi ehitamiseks), võivad Farnessi kontseptsioonile anda tugevama aluse. Praegu põhineb see mõnedel vanematel ideedel ja eeluuringutel, kasutades arvutisimulatsioone ja matemaatikat.

Kunstniku ettekujutus sellest, milline ruutkilomeetri massiiv välja näeb, kui see valmib. Ehitamine peaks algama 2019. aastal ja kui see on töövalmis, on see 50 korda tundlikum kui mis tahes muu raadioinstrument.

Siiani viitab kõige silmatorkavam tumeaine teooria sellele, et see on eksootiline osake, mis ei interakteeru valgusega, kuid avaldab selle ümbritsevatele objektidele siiski gravitatsiooni. Suure Hadroni põrkeseadmega tehtud katsed jätkavad haruldaste osakeste otsimist - üks neist võib vastutada tumeda aine eest. Teiste teadlaste arvates erineb gravitatsioon suurematel skaaladel suuresti gravitatsioonist, millega oleme harjunud väiksema skaalaga, ja tumeda aine lahendamiseks peame gravitatsiooni vaatama teistsugusest vaatenurgast. Mis puudutab tumeda energia ideid, siis see on veelgi suurem mõistatus, mille määratlemist me vaeva näeme.

Kuigi Farnesi teooria soovitab libiseda positiivse ainega paate üle tumeda vedela mere, on see atraktiivne ka pakutava sümmeetria tõttu. Kaks suurimat saladust on koondatud üheks ja universum näitab tasakaalustatud positiivsust ja negatiivsust. Seda tohutut tumeda energia ja tumeda aine ookeani, mis on meist nii kaua väljunud, saab seletada väikese, elegantse miinusmärgiga.

Farnese seni loodud mudelid on paljulubavad; need kajastavad universumi jätkuvat laienemist ja galaktilise pöörlemise mitmeid omadusi. Kaasas elavad astrofüüsikud hoiatavad, et uute teooriate puhul on oluline olla avatud. Need võivad olla imelikud ja võivad meie väljakujunenud teaduslikele arusaamadele vaidlustada, kuid paljud meie suurimad teadmised universumist algasid just sel viisil - uskumatuse tundega.