In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler entdeckt, dass das Universum viel mehr enthält, als man denkt: Der Kosmos scheint nicht nur mit einem, sondern zwei unsichtbaren Bestandteilen gefüllt zu sein - dunkle Materie und dunkle Energie - deren Existenz vorgeschlagen wurde basierend ausschließlich auf ihren Gravitationseffekten auf gewöhnliche Materie und Energie.
Der theoretische Physiker Robert J. Scherrer hat nun ein Modell entwickelt, das das Rätsel halbieren könnte, indem dunkle Materie und dunkle Energie als zwei Aspekte einer einzigen unbekannten Kraft erklärt werden. Sein Modell wird in einem Artikel mit dem Titel „Rein kinetische Essenz als einheitliche dunkle Materie“ beschrieben, der am 30. Juni online von Physical Review Letters veröffentlicht wurde und online unter http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316 verfügbar ist.
"Eine Möglichkeit, sich das vorzustellen, besteht darin, dass das Universum mit einer unsichtbaren Flüssigkeit gefüllt ist, die Druck auf gewöhnliche Materie ausübt und die Art und Weise verändert, wie sich das Universum ausdehnt", sagt Scherrer, Professor für Physik an der Vanderbilt University.
Laut Scherrer ist sein Modell äußerst einfach und vermeidet die Hauptprobleme, die frühere Bemühungen zur Vereinigung von Dunkler Materie und Dunkler Energie charakterisiert haben.
In den 1970er Jahren postulierten Astrophysiker die Existenz unsichtbarer Teilchen, die als dunkle Materie bezeichnet werden, um die Bewegung von Galaxien zu erklären. Basierend auf diesen Beobachtungen schätzen sie, dass es im Universum ungefähr zehnmal so viel dunkle Materie geben muss wie gewöhnliche Materie. Eine mögliche Erklärung für dunkle Materie ist, dass sie aus einem neuen Partikeltyp (WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)) besteht, der kein Licht emittiert und kaum mit gewöhnlicher Materie interagiert. Eine Reihe von Experimenten suchen nach Beweisen für diese Partikel.
Als ob das nicht genug wäre, kam in den 1990er Jahren dunkle Energie, die eine abstoßende Kraft erzeugt, die das Universum auseinander zu reißen scheint. Wissenschaftler beriefen sich auf dunkle Energie, um die überraschende Entdeckung zu erklären, dass sich die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, nicht verlangsamt, wie die meisten Kosmologen gedacht hatten, sondern sich stattdessen beschleunigt. Nach den neuesten Schätzungen macht die Dunkle Energie 75 Prozent des Universums aus, und die Dunkle Materie macht weitere 23 Prozent aus, so dass gewöhnliche Materie und Energie eine deutlich untergeordnete Rolle von nur 2 Prozent spielen.
Scherrers einheitliche Idee ist eine exotische Energieform mit genau definierten, aber komplizierten Eigenschaften, die als Skalarfeld bezeichnet wird. In diesem Zusammenhang ist ein Feld eine physikalische Größe, die Energie und Druck besitzt und sich über den Raum verteilt. Kosmologen beriefen sich zuerst auf Skalarfelder, um die kosmische Inflation zu erklären, eine Zeit kurz nach dem Urknall, in der das Universum eine Episode der Hyperexpansion durchgemacht zu haben scheint, die Milliarden von Milliarden in weniger als einer Sekunde aufbläst.
Insbesondere verwendet Scherrer in seinem Modell ein Skalarfeld der zweiten Generation, das als k-Essenz bekannt ist. K-Essenzfelder wurden von Paul Steinhardt an der Princeton University und anderen als Erklärung für die Dunkle Energie vorgebracht, aber Scherrer weist als erster darauf hin, dass eine einfache Art von K-Essenzfeld auch die der Dunklen Materie zugeschriebenen Effekte hervorrufen kann.
Wissenschaftler unterscheiden zwischen dunkler Materie und dunkler Energie, weil sie sich unterschiedlich zu verhalten scheinen. Dunkle Materie scheint Masse zu haben und riesige Klumpen zu bilden. Tatsächlich berechnen Kosmologen, dass die Anziehungskraft dieser Klumpen eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Galaxien durch gewöhnliche Materie spielte. Im Gegensatz dazu scheint dunkle Energie ohne Masse zu sein und breitet sich gleichmäßig im Raum aus, wo sie als eine Art Anti-Schwerkraft wirkt, eine abstoßende Kraft, die das Universum auseinander drückt.
K-Essenzfelder können ihr Verhalten im Laufe der Zeit ändern. Bei der Untersuchung eines sehr einfachen Typs eines k-Essenz-Feldes, in dem die potentielle Energie eine Konstante ist, entdeckte Scherrer, dass das Feld bei seiner Entwicklung eine Phase durchläuft, in der es die Wirkung unsichtbarer Teilchen verklumpen und nachahmen kann, gefolgt von einer Phase, in der es breitet sich gleichmäßig im Raum aus und nimmt die Eigenschaften der dunklen Energie an.
„Das Modell entwickelt sich natürlich zu einem Zustand, in dem es für eine Weile wie dunkle Materie aussieht und dann wie dunkle Energie“, sagt Scherrer. "Als ich das erkannte, dachte ich:" Das ist überzeugend, mal sehen, was wir damit machen können. "
Als er das Modell genauer untersuchte, stellte Scherrer fest, dass es viele der Probleme vermeidet, die frühere Theorien geplagt haben, die versuchen, dunkle Materie und dunkle Energie zu vereinen.
Das früheste Modell für Dunkle Energie wurde erstellt, indem die allgemeine Relativitätstheorie so modifiziert wurde, dass sie einen Begriff enthält, der als kosmologische Konstante bezeichnet wird. Dies war ein Begriff, den Einstein ursprünglich einbezog, um die Schwerkraft auszugleichen und ein statisches Universum zu bilden. Aber er ließ die Konstante fröhlich fallen, als astronomische Beobachtungen des Tages herausfanden, dass sie nicht benötigt wurden. Neuere Modelle, die die kosmologische Konstante wieder einführen, reproduzieren die Auswirkungen der Dunklen Energie gut, erklären jedoch nicht die Dunkle Materie.
Ein Versuch, dunkle Materie und dunkle Energie zu vereinen, der als Chaplygin-Gasmodell bezeichnet wird, basiert auf Arbeiten eines russischen Physikers in den 1930er Jahren. Es erzeugt eine anfängliche dunkle Materie-ähnliche Phase, gefolgt von einer dunklen Energie-ähnlichen Entwicklung, aber es hat Schwierigkeiten, den Prozess der Galaxienbildung zu erklären.
Scherrers Formulierung hat einige Ähnlichkeiten mit einer einheitlichen Theorie, die Anfang dieses Jahres von Nima Arkani-Hamed von der Harvard University und seinen Kollegen vorgeschlagen wurde. Diese versuchen, dunkle Materie und dunkle Energie als Folge des Verhaltens einer unsichtbaren und allgegenwärtigen Flüssigkeit zu erklären, die sie als „ Geisterkondensat. "
Obwohl das Modell von Scherrer eine Reihe positiver Merkmale aufweist, weist es auch einige Nachteile auf. Zum einen erfordert es eine extreme „Feinabstimmung“, um zu funktionieren. Der Physiker warnt auch davor, dass weitere Studien erforderlich sein werden, um festzustellen, ob das Verhalten des Modells mit anderen Beobachtungen übereinstimmt. Darüber hinaus kann es das Zufallsproblem nicht beantworten: Warum wir zum einzigen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums leben, wenn die für dunkle Materie und dunkle Energie berechneten Dichten vergleichbar sind. Wissenschaftler sind misstrauisch, weil dies darauf hindeutet, dass die gegenwärtige Ära etwas Besonderes ist.
Originalquelle: Pressemitteilung der Vanderbilt University
