Нова теория за тъмната материя и тъмната енергия

Нито тъмната материя, нито тъмната енергия не могат да се наблюдават директно, но вместо това се знае, че съществуват поради тяхното въздействие върху обекти около тях. Например, макар да не излъчва или отразява светлина, тъмната материя може да огъва светлина около нея.

Точно преди един век, на вечер през 1918 г., известният физик Алберт Айнщайн записва идея в страниците на своята тетрадка. Тази идея може да бъде ключът към разрешаването на една от най-великите и неуловими мистерии във цялата физика: тази на тъмната материя и тъмната енергия. Заедно те съставляват над 95% от Вселената, като работят невидимо за обгръщането на галактиките и едновременно с това продължават да разширяват нашата Вселена с ускоряваща се скорост, прогонвайки ни от близките звездни системи и в бъдеще с големи разлики.

Идеята, за която Айнщайн писа, е корекция на общата относителност, при която празното пространство ще се превърне в отрицателна маса, движеща се под въздействието на гравитацията. Тези отрицателни маси биха заселили междузвездното пространство. Но тази идея се появи като начин да се обясни космологичната константа - или това, което Айнщайн посочи като най-голямата грешка в живота си. По времето, когато е създадена космологичната константа, беше широко прието вярване, че Вселената е статична. Тоест, нито се разширяваше, нито се свиваше. Но ако това е вярно, тогава трябваше да противодейства на гравитацията, за да не се разпадне Вселената. Така се роди космологичната константа с антигравитационни свойства.

Днес ние разбираме, че Вселената не е статична и че тя продължава да се разширява и затова космологичната константа придоби ново значение. Той представлява тъмна енергия в рамките на Ламбда CDM - нашия настоящ и най-приет модел на Вселената. Най-новата теория за тъмната материя и тъмната енергия не противоречи на стандартния модел и вместо това надгражда бележката, която Айнщайн направи на себе си през всички онези години.

Теорията, създадена от астрофизика Джейми Фарнс от Оксфордския университет, обединява тъмната материя и тъмната енергия в едно единствено проникващо вещество, известно като тъмна течност. Тъмната течност е изградена от отрицателни маси, които притежават отрицателна гравитация. С положителна, нормална материя и положителна гравитация обектите се привличат един друг. Но обектите с отрицателна маса биха отблъснали материята, така че изтласкването на отрицателна маса от вас всъщност доведе до нейното приближаване, а не по-далеч. Но това също означава, че две частици с отрицателна маса биха отблъснали една друга, явление, което противоречи на общата относителност. Тази характеристика на отблъскването не е подкрепена от никакви математически уравнения и е просто допълнение на Фарнес, направено въз основа на неговата собствена интуиция. Това е решаващо за неговата хипотеза.

Константата на Хъбъл е скоростта, с която вселената се разширява, но е различна в зависимост от това къде измервате. Вселената около нас се разширява със скорост 45,6 мили в секунда (73,5 километра в секунда) на мегапарсек. По-далечната фонова вселена се движи със 41,6 мили в секунда (67 км в секунда) на мегапарсек.

Тази тъмна течност ще помогне да се обясни образуването на ореоли на тъмна материя около галактики. Както са, галактиките се въртят толкова бързо, че звездите към външните региони трябва да се раздробят и да се разпръснат във Вселената. Това е така, защото има по-малко гравитационно влияние, колкото по-далеч човек се движи от центъра на галактиката, оставяйки звездите в покрайнините да се въртят по-бързо и да се разпръснат. Но тъмната материя позволява да се образуват галактики, тъй като създава невидим „ореол“ около структурата. Собствената ни слънчева система се движи през тази тъмна материя със 230 мили (230 км) в секунда, възприемайки я повече като неоткриваем, бързо движещ се вятър.

Но физиците са скептични към теорията на Фарнес по много причини, като една от тях е плътността на Вселената, тъй като тя се разширява. Ако тъмната енергия беше направена от отрицателна маса, нейната плътност ще намалее с разширяването на Вселената, докато изследванията показват, че плътността на Вселената остава същата, докато расте. За да отговори на този проблем, Фарнес използва друга утвърдена идея, известна като „създаване на материя“. Това казва, че материята се създава през цялото време на вселената, като постоянно я населява с все повече негативни маси. Тези новосъздадени отрицателни маси биха заместили тези, които изчезват, поддържайки плътността фиксирана. Но това от своя страна води до друг проблем. Според квантовата механика всичко би станало нестабилно, ако във вакуума на космоса може да се създаде отрицателна маса. Доколкото можем да кажем, това не е така.

Въпреки че няма нищо, което научно да спира отрицателната маса от съществуващата във Вселената, тя също никога не е наблюдавана извън лаборатория. Учените не са сигурни какъв естествен механизъм би позволил да съществува отрицателна маса, но проучванията, които се провеждат в CERN и бъдещата технология, като Square Kilometer Array (проект за изграждане на най-големия радиотелескоп в света), могат да помогнат на концепцията на Farnes да получи по-солидна основа. Засега се основава на някои по-стари идеи и предварителни изследвания с помощта на компютърни симулации и математика.

Впечатление на художник за това как ще изглежда масивът от квадратни километри, когато бъде завършен. Сградата трябва да започне през 2019 г. и когато експлоатацията ще бъде 50 пъти по-чувствителна от всеки друг радиоинструмент.

Досега най-известната теория за тъмната материя предполага, че това е екзотична частица, която не взаимодейства със светлината, но все пак упражнява гравитация върху обекти около нея. Експериментите на Големия адронен колайдер продължават да търсят редки частици - една от които може да е отговорна за тъмната материя. Други учени смятат, че гравитацията в по-големи мащаби се различава значително от гравитацията, на която сме свикнали в по-малък мащаб и за да разрешим тъмната материя, трябва да гледаме гравитацията от различна гледна точка. Що се отнася до идеите за тъмната енергия, е, това е още по-голяма мистерия, която се борим да дефинираме.

Докато теорията на Фарнес предполага, че лодки от положителна материя се плъзгат над тъмно течно море, тя е привлекателна и заради симетрията, която предоставя. Две от най-великите мистерии са били кондензирани в една и Вселената проявява балансирана положителност и негативност. Този огромен океан от тъмна енергия и тъмна материя, който ни избягва толкова дълго, може да се обясни с малък, елегантен знак за минус.

Моделите, които Farnes създаде досега, са обещаващи; те отчитат непрекъснатото разширение на Вселената и няколко свойства на галактическо въртене. Колегите астрофизици предупреждават, че е важно да поддържаме открит ум, когато става дума за нови теории. Те могат да бъдат странни и може да изглеждат като предизвикателство за нашите утвърдени научни представи, но много от най-големите ни прозрения във Вселената започнаха точно по този начин - с чувство на неверие.