בעשורים האחרונים, מדענים גילו שיש ליקום הרבה יותר ממה שעונה על העין: נראה שהקוסמוס מלא לא רק באחד, אלא בשני מרכיבים בלתי נראים - חומר אפל ואנרגיה אפלה - שקיומם הוצע מבוסס רק על השפעות הכבידה שלהם על חומר ואנרגיה רגילים.
כעת, הפיזיקאי התיאורטי רוברט ג'יי שרר המציא מודל שיכול לחתוך את התעלומה לשניים על ידי הסבר חומר אפל ואנרגיה אפלה כשני היבטים של כוח לא ידוע אחד. המודל שלו מתואר במאמר שכותרתו "טהור קינטית k Essence as Unified Dark Matter" שפורסם באינטרנט על ידי Physical Review Letters ב -30 ביוני וזמין ברשת בכתובת http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"אחת הדרכים לחשוב על זה היא שהיקום מלא בנוזל בלתי נראה שמפעיל לחץ על חומר רגיל ומשנה את הדרך בה היקום מתרחב", אומר שרר, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ונדרבילט.
לדברי שרר, המודל שלו פשוט ביותר ונמנע מהבעיות העיקריות שאפיינו מאמצים קודמים לאיחוד חומר אפל ואנרגיה אפלה.
בשנות השבעים הניחו האסטרופיסיקאים את קיומם של חלקיקים בלתי נראים המכונים חומר אפל על מנת להסביר את תנועת הגלקסיות. בהתבסס על תצפיות אלה, הם מעריכים שחייבים להיות בערך פי עשרה חומר אפל ביקום כמו חומר רגיל. הסבר אפשרי לחומר אפל הוא שהוא מורכב מסוג חדש של חלקיק (המכונה חלקיקים מאסיביים חלשים, או WIMPs) שאינם פולטים אור ובקושי מתקשרים עם חומר רגיל. מספר ניסויים מחפשים עדויות לחלקיקים אלה.
כאילו זה לא הספיק, בשנות התשעים הגיעה אנרגיה אפלה, המייצרת כוח דוחה שנראה כי הוא קורע את היקום. מדענים דרשו אנרגיה אפלה כדי להסביר את גילוי ההפתעה כי הקצב בו היקום מתפשט אינו מאט, כפי שרוב הקוסמולוגים חשבו, אלא הוא מאיץ במקום זאת. על פי ההערכות האחרונות אנרגיה אפלה מהווה 75 אחוז מהיקום והחומר האפל מהווה 23 אחוזים נוספים, ומשאירים חומר ואנרגיה רגילים עם תפקיד מיעוט מובהק של 2 אחוזים בלבד.
הרעיון המאחד של שרר הוא סוג אנרגיה אקזוטי עם תכונות מוגדרות אך מסובכות הנקראות שדה סקלרי. בהקשר זה, שדה הוא כמות פיזית בעלת אנרגיה ולחץ המתפשטת במרחב. הקוסמולוגים הזעיקו תחילה שדות קשקשים כדי להסביר את האינפלציה הקוסמית, תקופה זמן קצר לאחר המפץ הגדול, כאשר נראה כי היקום עבר פרק של התרחבות יתר, וניפח מיליארדי מיליארדי פעמים תוך פחות משנייה.
באופן ספציפי, שרר משתמש בשדה הסקלר מהדור השני, המכונה K-essens, במודל שלו. שדות K-Essence הוקדמו על ידי פול שטיינהרדט באוניברסיטת פרינסטון ואחרים כהסבר לאנרגיה אפלה, אך שרר הוא הראשון שהצביע כי סוג אחד פשוט של שדה K-Essence יכול גם לייצר את האפקטים המיוחסים לחומר אפל.
מדענים מבחינים בין חומר אפל ואנרגיה אפלה מכיוון שנראה שהם מתנהגים אחרת. נראה כי לחומר האפל יש מסה ויוצרים גושים ענקיים. למעשה, הקוסמולוגים מחשבים שהמשיכה הכבידה של גושים אלה מילאה תפקיד מפתח בגרימת חומר רגיל ליצירת גלקסיות. לעומת זאת, אנרגיה אפלה נראית כלא מסה ומתפשטת באופן אחיד ברחבי החלל בו היא פועלת כסוג של אנטי-כוח משיכה, כוח דוחה המרחיק את היקום.
שדות K-essential יכולים לשנות את התנהגותם לאורך זמן. כאשר בוחנים סוג פשוט מאוד של שדה k-מהות - אחד בו האנרגיה הפוטנציאלית היא קבועה - שרר גילה שככל שהשדה מתפתח הוא עובר שלב בו הוא יכול להתגבש ולחקות את ההשפעה של חלקיקים בלתי נראים ולאחריו שלב בו הוא מתפשט באופן אחיד ברחבי החלל ותופס את המאפיינים של אנרגיה אפלה.
"המודל מתפתח באופן טבעי למצב שהוא נראה כמו חומר אפל לזמן מה ואז הוא נראה כמו אנרגיה אפלה," אומר שרר. "כשהבנתי זאת חשבתי 'זה משכנע, בוא נראה מה אנחנו יכולים לעשות עם זה'."
כשבחן את המודל ביתר פירוט, מצא שרר שהוא נמנע מרבים מהבעיות שפקדו תיאוריות קודמות שמנסות לאחד חומר אפל ואנרגיה אפלה.
המודל הקדום ביותר לאנרגיה אפלה נעשה על ידי שינוי תורת היחסות הכללית כך שתכלול מונח המכונה הקבוע הקוסמולוגי. זה היה מונח שכלל איינשטיין במקור כדי לאזן את כוח הכובד כדי ליצור יקום סטטי. אך הוא הפיל בעליזות את הקבוע כאשר התצפיות האסטרונומיות על היום גילו שאין צורך בכך. מודלים אחרונים המציגים מחדש את הקבוע הקוסמולוגי עושים עבודה טובה בכדי לשחזר את השפעות האנרגיה האפלה אך אינם מסבירים חומר אפל.
ניסיון אחד לאחד חומר אפל ואנרגיה אפלה, המכונה מודל הגז צ'אפליגין, מבוסס על עבודה של פיזיקאי רוסי בשנות השלושים. הוא מייצר שלב ראשוני דמוי חומר אפל ואחריו התפתחות דמויית אנרגיה כהה, אך הוא מתקשה להסביר את תהליך היווצרות הגלקסיה.
לניסוחו של שרר יש כמה קווי דמיון לתאוריה אחידה שהציעה מוקדם יותר השנה על ידי נימה ארקני-חאמד מאוניברסיטת הרווארד וחבריו, המנסים להסביר חומר אפל ואנרגיה אפלה הנובעים מהתנהגות נוזל בלתי נראה ויכול הכול שהם מכנים " עיבוי רוח. "
למרות שלמודל של שרר יש מספר תכונות חיוביות, יש לו גם כמה חסרונות. ראשית, זה דורש "כוונון עדין" קיצוני כדי לעבוד. הפיזיקאי גם מזהיר כי יידרש מחקר נוסף כדי לקבוע אם התנהגות המודל עולה בקנה אחד עם תצפיות אחרות. בנוסף, היא אינה יכולה לענות על בעיית צירוף המקרים: מדוע אנו חיים בזמן היחיד בתולדות היקום כאשר הצפיפות המחושבת לחומר אפל ואנרגיה אפלה דומות. מדענים חושדים בכך משום שזה מרמז שיש משהו מיוחד בעידן הנוכחי.
המקור המקורי: מהדורת החדשות של אוניברסיטת וונדרבילט
