Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno scoperto che nell'universo c'è molto di più di quanto non sembri: il cosmo sembra essere riempito non solo di uno, ma di due componenti invisibili - materia oscura ed energia oscura - la cui esistenza è stata proposta basato esclusivamente sui loro effetti gravitazionali sulla materia e sull'energia ordinarie.
Ora, il fisico teorico Robert J. Scherrer ha escogitato un modello che potrebbe dimezzare il mistero spiegando la materia oscura e l'energia oscura come due aspetti di un'unica forza sconosciuta. Il suo modello è descritto in un articolo intitolato "Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter" pubblicato online da Physical Review Letters il 30 giugno e disponibile online all'indirizzo http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Un modo di pensare a questo è che l'universo è pieno di un fluido invisibile che esercita pressione sulla materia ordinaria e cambia il modo in cui l'universo si espande", afferma Scherrer, professore di fisica alla Vanderbilt University.
Secondo Scherrer, il suo modello è estremamente semplice ed evita i principali problemi che hanno caratterizzato i precedenti sforzi per unificare la materia oscura e l'energia oscura.
Negli anni '70, gli astrofisici hanno postulato l'esistenza di particelle invisibili chiamate materia oscura per spiegare il moto delle galassie. Sulla base di queste osservazioni, stimano che ci deve essere circa 10 volte più materia oscura nell'universo rispetto alla materia ordinaria. Una possibile spiegazione per la materia oscura è che è costituita da un nuovo tipo di particella (soprannominata Particelle voluminose che interagiscono debolmente, o WIMP) che non emette luce e interagisce a malapena con la materia ordinaria. Numerosi esperimenti stanno cercando prove di queste particelle.
Come se ciò non bastasse, negli anni '90 arrivò l'energia oscura, che produce una forza ripugnante che sembra lacerare l'universo. Gli scienziati hanno invocato l'energia oscura per spiegare la scoperta a sorpresa che il ritmo con cui l'universo si sta espandendo non sta rallentando, come aveva pensato la maggior parte dei cosmologi, ma sta invece accelerando. Secondo le ultime stime, l'energia oscura costituisce il 75 percento dell'universo e la materia oscura rappresenta un altro 23 percento, lasciando la materia ordinaria e l'energia con un ruolo distintamente minoritario di solo il 2 percento.
L'idea unificante di Scherrer è una forma esotica di energia con proprietà ben definite ma complicate chiamata campo scalare. In questo contesto, un campo è una quantità fisica che possiede energia e pressione che si diffondono nello spazio. I cosmologi hanno prima invocato i campi scalari per spiegare l'inflazione cosmica, un periodo poco dopo il Big Bang in cui l'universo sembra aver subito un episodio di iperespansione, gonfiando miliardi su miliardi di volte in meno di un secondo.
Nello specifico, Scherrer utilizza un campo scalare di seconda generazione, noto come k-essence, nel suo modello. I campi K-essence sono stati avanzati da Paul Steinhardt alla Princeton University e altri come una spiegazione per l'energia oscura, ma Scherrer è il primo a sottolineare che un semplice tipo di campo K-essence può anche produrre gli effetti attribuiti alla materia oscura.
Gli scienziati fanno una distinzione tra materia oscura ed energia oscura perché sembrano comportarsi diversamente. La materia oscura sembra avere massa e formare ammassi giganteschi. In effetti, i cosmologi calcolano che l'attrazione gravitazionale di questi gruppi ha avuto un ruolo chiave nel causare la formazione di galassie da parte della materia ordinaria. L'energia oscura, al contrario, sembra essere priva di massa e si diffonde uniformemente nello spazio in cui agisce come una sorta di antigravità, una forza repulsiva che sta allontanando l'universo.
I campi di K-essence possono cambiare il loro comportamento nel tempo. Studiando un tipo molto semplice di k-essence field-one in cui l'energia potenziale è una costante, Scherrer ha scoperto che mentre il campo si evolve, passa attraverso una fase in cui può raggrupparsi e imitare l'effetto di particelle invisibili seguito da una fase in cui si diffonde uniformemente nello spazio e assume le caratteristiche dell'energia oscura.
"Il modello si evolve naturalmente in uno stato in cui sembra materia oscura per un po 'e poi sembra energia oscura", afferma Scherrer. "Quando ho realizzato questo, ho pensato," Questo è convincente, vediamo cosa possiamo farci. ""
Quando ha esaminato il modello in modo più dettagliato, Scherrer ha scoperto che evita molti dei problemi che hanno afflitto teorie precedenti che tentano di unificare la materia oscura e l'energia oscura.
Il primo modello per l'energia oscura è stato creato modificando la teoria generale della relatività per includere un termine chiamato costante cosmologica. Questo era un termine che Einstein inizialmente includeva per bilanciare la forza di gravità al fine di formare un universo statico. Ma lasciò allegramente la costante quando le osservazioni astronomiche del giorno scoprirono che non era necessario. I modelli recenti che reintroducono la costante cosmologica fanno un buon lavoro nel riprodurre gli effetti dell'energia oscura, ma non spiegano la materia oscura.
Un tentativo di unificare la materia oscura e l'energia oscura, chiamato modello del gas Chaplygin, si basa sul lavoro di un fisico russo negli anni '30. Produce uno stadio iniziale simile alla materia oscura seguito da un'evoluzione simile all'energia oscura, ma ha difficoltà a spiegare il processo di formazione della galassia.
La formulazione di Scherrer ha alcune somiglianze con una teoria unificata proposta all'inizio di quest'anno da Nima Arkani-Hamed all'Università di Harvard e ai suoi colleghi, che tentano di spiegare la materia oscura e l'energia oscura come derivanti dal comportamento di un fluido invisibile e onnipresente che chiamano " fantasma condensa. "
Sebbene il modello di Scherrer abbia una serie di caratteristiche positive, presenta anche alcuni svantaggi. Per prima cosa, richiede qualche estrema "messa a punto" per funzionare. Il fisico avverte inoltre che saranno necessari ulteriori studi per determinare se il comportamento del modello è coerente con altre osservazioni. Inoltre, non può rispondere al problema della coincidenza: perché viviamo nell'unica volta nella storia dell'universo quando le densità calcolate per la materia oscura e l'energia oscura sono comparabili. Gli scienziati sono sospettosi di ciò perché suggerisce che c'è qualcosa di speciale nell'era attuale.
Fonte originale: comunicato stampa della Vanderbilt University
