In de afgelopen decennia hebben wetenschappers ontdekt dat er veel meer in het universum is dan op het eerste gezicht lijkt: de kosmos lijkt gevuld te zijn met niet slechts één, maar twee onzichtbare bestanddelen - donkere materie en donkere energie - waarvan het bestaan is voorgesteld uitsluitend gebaseerd op hun zwaartekrachteffecten op gewone materie en energie.
Nu heeft theoretisch natuurkundige Robert J. Scherrer een model bedacht dat het mysterie zou kunnen halveren door donkere materie en donkere energie te verklaren als twee aspecten van een enkele onbekende kracht. Zijn model wordt beschreven in een paper getiteld "Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter", online gepubliceerd door Physical Review Letters op 30 juni en online beschikbaar op http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
'Een manier om hieraan te denken is dat het universum gevuld is met een onzichtbare vloeistof die druk uitoefent op gewone materie en de manier verandert waarop het universum zich uitbreidt', zegt Scherrer, hoogleraar natuurkunde aan de Vanderbilt University.
Volgens Scherrer is zijn model buitengewoon eenvoudig en vermijdt hij de grote problemen die kenmerkend waren voor eerdere pogingen om donkere materie en donkere energie te verenigen.
In de jaren zeventig postuleerden astrofysici het bestaan van onzichtbare deeltjes, donkere materie genaamd, om de beweging van sterrenstelsels te verklaren. Op basis van deze waarnemingen schatten ze dat er in het universum ongeveer 10 keer zoveel donkere materie moet zijn als gewone materie. Een mogelijke verklaring voor donkere materie is dat het bestaat uit een nieuw type deeltje (genaamd Weakly Interacting Massive Particles of WIMP's) dat geen licht afgeeft en nauwelijks interageert met gewone materie. In een aantal experimenten wordt gezocht naar bewijs van deze deeltjes.
Alsof dat nog niet genoeg was, kwam er in de jaren negentig donkere energie, die een afstotende kracht produceert die het universum lijkt te scheuren. Wetenschappers hebben een beroep gedaan op donkere energie om de verrassende ontdekking te verklaren dat de snelheid waarmee het universum uitdijt niet vertraagt, zoals de meeste kosmologen dachten, maar juist versnelde. Volgens de laatste schattingen vormt donkere energie 75 procent van het universum en donkere materie goed voor nog eens 23 procent, waardoor gewone materie en energie een duidelijk minderheidsrol behouden van slechts 2 procent.
Het verenigende idee van Scherrer is een exotische vorm van energie met goed gedefinieerde maar gecompliceerde eigenschappen die een scalair veld worden genoemd. In dit verband is een veld een fysieke grootheid die energie en druk bezit en die door de ruimte wordt verspreid. Kosmologen hebben eerst scalaire velden aangeroepen om de kosmische inflatie te verklaren, een periode kort na de oerknal waarin het universum een episode van hyperuitbreiding lijkt te hebben ondergaan, waarbij miljarden keren in minder dan een seconde miljarden keren worden opgeblazen.
In het bijzonder gebruikt Scherrer een scalair veld van de tweede generatie, bekend als een k-essence, in zijn model. K-essence-velden zijn door Paul Steinhardt van Princeton University en anderen naar voren gebracht als verklaring voor donkere energie, maar Scherrer is de eerste die erop wijst dat een eenvoudig type k-essence-veld ook de effecten kan veroorzaken die worden toegeschreven aan donkere materie.
Wetenschappers maken onderscheid tussen donkere materie en donkere energie omdat ze zich anders lijken te gedragen. Donkere materie lijkt massa te hebben en gigantische klonten te vormen. In feite berekenen kosmologen dat de aantrekkingskracht van deze klonten een belangrijke rol speelde bij het veroorzaken van sterrenstelsels van gewone materie. Donkere energie daarentegen lijkt zonder massa te zijn en verspreidt zich uniform door de ruimte waar het werkt als een soort antizwaartekracht, een afstotende kracht die het universum uit elkaar duwt.
K-essence-velden kunnen hun gedrag in de loop van de tijd veranderen. Bij het onderzoeken van een heel eenvoudig type k-essence veld-één waarin potentiële energie een constante is, ontdekte Scherrer dat terwijl het veld evolueert, het door een fase gaat waarin het kan klonteren en het effect van onzichtbare deeltjes kan nabootsen, gevolgd door een fase wanneer het verspreidt zich uniform door de ruimte en neemt de kenmerken aan van donkere energie.
'Het model evolueert van nature naar een toestand waarin het een tijdje op donkere materie lijkt en dan op donkere energie', zegt Scherrer. "Toen ik dit besefte, dacht ik: 'Dit is boeiend, laten we eens kijken wat we ermee kunnen doen.'"
Toen hij het model in meer detail onderzocht, ontdekte Scherrer dat het veel van de problemen vermijdt die eerdere theorieën hebben geplaagd die proberen donkere materie en donkere energie te verenigen.
Het vroegste model voor donkere energie is gemaakt door de algemene relativiteitstheorie aan te passen met een term die de kosmologische constante wordt genoemd. Dit was een term die Einstein oorspronkelijk gebruikte om de zwaartekracht in evenwicht te brengen om een statisch universum te vormen. Maar hij liet de constante vrolijk vallen toen astronomische waarnemingen van de dag ontdekten dat het niet nodig was. Recente modellen die de kosmologische constante opnieuw introduceren, kunnen de effecten van donkere energie goed reproduceren, maar verklaren donkere materie niet.
Een poging om donkere materie en donkere energie te verenigen, het Chaplygin-gasmodel genoemd, is gebaseerd op werk van een Russische natuurkundige in de jaren dertig. Het produceert een eerste donkere materie-achtige fase gevolgd door een donkere energie-achtige evolutie, maar het heeft moeite om het proces van de vorming van sterrenstelsels te verklaren.
De formulering van Scherrer vertoont enkele overeenkomsten met een verenigde theorie die eerder dit jaar werd voorgesteld door Nima Arkani-Hamed van de Harvard University en zijn collega's, die proberen donkere materie en donkere energie te verklaren als een gevolg van het gedrag van een onzichtbare en alomtegenwoordige vloeistof die ze een 'noemen' spookcondensaat. '
Hoewel het model van Scherrer een aantal positieve eigenschappen heeft, heeft het ook enkele nadelen. Om te beginnen vereist het een extreme "fijnafstemming" om te werken. De natuurkundige waarschuwt ook dat er meer onderzoek nodig zal zijn om te bepalen of het gedrag van het model consistent is met andere waarnemingen. Bovendien kan het het toevalprobleem niet beantwoorden: waarom we leven op het enige moment in de geschiedenis van het universum wanneer de dichtheden berekend voor donkere materie en donkere energie vergelijkbaar zijn. Wetenschappers staan hier wantrouwig over omdat het suggereert dat er iets speciaals is aan het huidige tijdperk.
Oorspronkelijke bron: Vanderbilt University News Release
