Standardowy model kosmologiczny znany jako model Lambda CDM zgadza się z grubsza z obserwacjami, ale ma poważny mankament: wyjaśnia istnienie zaledwie 5% obserwowalnego przez astronomów Wszechświata. Brakujące 95% określa się zwykle mianem ciemnej materii i ciemnej energii. Te dwie składowe kosmosu są jednak w zasadzie niewidoczne, a do tego trudne do wykrycia innymi metodami. Ich natura fizyczna wciąż jest zagadką. Nowe badania sugerują teraz, że oba ciemne składniki Wszechświata mogą być tym samym – tak zwaną ciemną masą negatywną.
Według dr. Farnesa obie ciemne składowe – ciemna materia i energia – mogą zostać fizycznie sprowadzone (zunifikowane) do pewnej formy kosmicznej cieczy o ujemnej masie i grawitacji. Ma ona to do siebie, że odpycha okoliczną, zwykłą materię. Wydawać się to może dziwne, ale wskazywałoby jednocześnie na coś, czego część fizyków spodziewa się od dawna – istnienie głębszej symetrii w kosmosie (analogicznie do obecności w nim – przykładowo – ładunków elektrycznych dodatnich, jak i ujemnych).
Podobne teorie tworzono już wcześniej, ale dość szybko istnienie „negatywnej” materii zostało wykluczone, ponieważ zauważono, że w modelach kosmologicznych musiałaby ona stawać się coraz mniej gęsta w miarę rozszerzania się Wszechświata, co jest jednak sprzeczne z obserwacjami. Obserwacje kosmosu wskazują raczej na to, że ciemna energia wcale nie zanika w miarę upływu czasu od Wielkiego Wybuchu. Jednak w najnowszej teorii dr. Farnesa zastosowano coś więcej – tak zwany tensor kreacji, który pozwala na ciągłe tworzenie się na nowo mas ujemnych. Co więcej, powoduje to, że coraz więcej mas o ujemnej grawitacji nieustannie powstaje, a negatywna ciecz kosmologiczna bynajmniej nie traci całkowitej gęstości wraz z ekspansją kosmosu. Sama ta ciecz zdaje się też mieć właściwości identyczne z teoretycznie przewidzianą wcześniej ciemną energią.
To wciąż nie wszystko – nowa teoria dostarcza także pierwsze poprawne przewidywania dla ewolucji tak zwanych halo ciemnej materii. Halo to inaczej masywna, ale niewidzialna otoczka galaktyczna. Wiemy, że większość galaktyk obraca się wokół swej osi z tak dużą prędkością, że ruch ten powinien szybko doprowadzić do ich rozerwania i rozpadu. Ponieważ jednak galaktyki istnieją we Wszechświecie, najprawdopodobniej są one zanurzone w niewidzialnych otoczkach z ciemnej materii, które utrzymują je w całości. Wynika to także z ich charakterystycznych krzywych rotacji.
W swych badaniach Farnes przedstawia także wyniki symulacji komputerowych dla właściwości masy ujemnej. Symulacje przewidują między innymi właśnie powstawanie otoczek galaktycznych z ciemnej materii, których istnienie zostało już niezależnie potwierdzone przez obserwacje wykonywane z pomocą nowoczesnych radioteleskopów.
Ciekawostką jest, że już Albert Einstein dał nauce pierwszą wskazówkę na temat ciemnej materii i energii, i to dokładnie 100 lat temu, uwzględniając w swoich równaniach parametr znany dziś jako stała kosmologiczna. Uczony nazwał to potem swym największym błędem, ale współczesne obserwacje astrofizyczne dowodzą, że jest to pewna rzeczywista wielkość. W roku 1918 Einstein opisywał stałą kosmologiczną jako konieczną modyfikację swej słynnej teorii: niezbędną, aby pusta przestrzeń mogła odgrywać we Wszechświecie rolę ujemnej grawitacji, a zarazem ujemnej masy rozproszonej po całym kosmosie.
Teoria Farnesa jest przy tym wszystkim o tyle niezwykła, że łączy w sobie dwa kontrowersyjne pomysły pojawiające się już wcześniej w nauce: negatywne masy i ciągłe tworzenie się materii – w zgodzie z teorią Einsteina. Nie wiemy jeszcze, na ile teoria jest poprawna i jak zostanie przyjęta przez społeczność fizyków. Bez względu na to cechuje ją jednak lubiana w astrofizyce prostota i elegancja: ciemną energię i materię można zunifikować w jedną substancję, a oba te fenomeny tłumaczy się jako współistnienie zwykłej, „pozytywnej” materii dryfującej w oceanie mas negatywnych.
Czytaj więcej:
- Oryginalna publikacja naukowa: J.S. Farnes et al. 2018, A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified ΛCDM framework. A&A 620, A92
- Szerszy opis teorii Farnesa na portalu Kwantowo.pl
- Wyniki przeglądu DES: ciemna energia niezmienna w czasie
Na rysunku: Schemat oddziaływań grawitacyjnych pomiędzy dodatnimi (kolor żółty) i negatywnymi (fioletowy) masami. Czarne wektory wskazują na kierunek i zwrot sił grawitacji Fg = −GM1M2/r2 działającej na cząstki. Strzałki czerwone pokazują przyśpieszenie doświadczane przez cząstki (a = Fg/M). Możliwe są trzy przypadki: (i) zwykłe oddziaływanie pozytywno-pozytywne pomiędzy masami, (ii) oddziaływanie pozytywno-negatywne (obie cząstki są przyśpieszane w tym samym kierunku, od masy negatywnej ku pozytywnej), (iii) negatywno-negatywne, w którym obie cząstki są przyśpieszane przeciwnie do siebie (odpychane grawitacyjnie). Więcej na ten temat można przeczytać pod tym linkiem.
Źródło: Farnes et al. 2018
Na rysunku powyżej: Przewidywane prędkości kołowe w funkcji promienia dla galaktyk o masach podobnych do masy Drogi Mlecznej, na które wpływa obecność stałej kosmologicznej. Krzywe rotacji narysowane są dla wzrastających wartości pozytywnej (kolor niebieski) i negatywnej (czerwony) stałej kosmologicznej. Klasyczna krzywa keplerowska (Λ = 0) zaznaczona jest na czarno.
Źródło: Farnes et al. 2018
