Cel mai bun model teoretic al Universului nu poate explica decât 5% din Univers. Restul de 95% este format, aproape în totalitate, dintr-o formă necunoscută de materie invizibilă, denumită materie întunecată și din energie întunecată.

Materia întunecată și energia întunecată  pot fi deduse numai pe baza efectelor gravitaționale.

Materia întunecată ar putea fi o formă misterioasă de materie invizibilă care exercită o forță gravitațională, pe care o putem măsura, asupra materiei înconjurătoare.

Energia întunecată este o forță repulsivă care provoacă expansiunea accelerată a Universului.

Materia întunecată și energia întunecată  au fost întotdeauna tratate ca fenomene separate.

Teoria unificată a materiei întunecate și energiei întunecate

Nebuloasa Carina. Credit: NASA / ESA / M. Livio / Hubble 20th Anniversary Team, STScI.

Într-un studiu recent, care a fost publicat în Astronomy and Astrophysics (Astronomie și Astrofizică), am sugerat că materia întunecată şi energia întunecată pot fi explicate cu ajutorul unui concept unificat care presupune existenţa unui “fluid întunecat” având o masă negativă.

Masa negativă caracterizează o formă ipotetică de materie care exercită un efect gravitaţional negativ, în sensul că aceasta respinge orice altă formă de materie. Spre deosebire de orice alt obiect fizic cunoscut, atunci când un obiect având o masă negativă este împins într-o direcţie el accelerează într-o direcţie opusă.

Conceptul de masă negativă nu este o idee nouă în cosmologie. La fel ca materia obişnuită, particulele având masă negativă devin tot mai răspândite pe măsură ce Universul se extinde, ceea ce înseamnă că forța lor de respingere va fi tot mai slabă în timp.

Cu toate acestea, studiile au arătat că forța care provoacă expansiunea accelerată a Universului este constantă în timp. Această constatare i-a determinat pe cercetători să renunţe la această idee.

În noul meu studiu am propus o modificare a teoriei relativității generale a lui Einstein pentru a permite existenţa materiei având masă negativă şi crearea acesteia în mod continuu.

Procesul de creare continuă a materiei a fost deja inclus într-o teorie alternativă timpurie a Big Bang-ului, cunoscută sub numele de modelul Universului Staţionar (Steady State Model). Principala ipoteză din această teorie a fost aceea că materia obişnuită, având masă pozitivă, este generată, în mod continuu, pe măsură ce Universul se extinde.

În urma dovezilor observaționale știm acum că această ipoteză nu este corectă. Acest lucru nu înseamnă că materia având masă negativă nu poate fi creată în mod continuu. Mai mult, am arătat că aceasta se comportă exact ca energia întunecată.

Simularea formării unui halo de materie întunecată.

Am dezvoltat, de asemenea, un model computerizat tridimensional al acestui Univers ipotetic pentru a vedea dacă acesta ar putea explica și natura fizică a materiei întunecate.

Materia întunecată a fost introdusă pentru a explica faptul că galaxiile se rotesc mult mai repede decât prezic modelele noastre teoretice pe baza materei obişnuite ce poate fi observată în galaxii.

Modelul meu arată că forța de respingere din jurul “fluidului întunecat” poate asigura, de asemenea, forma şi stabilitatea galaxiilor în timp.

Gravitaţia galaxiilor formate din materie având masă pozitivă atrage materia având masă negativă din toate direcțiile și pe măsură ce “fluidul întunecat” având masă negativă se apropie de o galaxie, acesta exercită, la rândul său, o puternică forță de respingere asupra galaxiei, ceea ce explică vitezele mari de rotaţie ale galaxiilor și stabilitatea acestora în timp (nu-şi modifică forma).

Prin urmare, se pare că masa negativă ar putea rezolva unul dintre cele mai mari mistere din fizică.

Chiar dacă existenţa masele negative ar putea fi considerată o idee bizară, această ipoteză este mai puțin ciudată decât s-ar putea crede. Trebuie menţionat că aceste efecte pot părea ciudate și nefamiliare pentru noi, deoarece trăim într-o regiune a Universului dominată de materia având masă pozitivă.

Masa negativă are deja un rol teoretic într-un număr vast de domenii ale ştiinţei. De exemplu, bulele de aer din apă pot fi modelate ca având o masă negativă, iar cercetări efectuate în condiţii de  laborator au generat, de asemenea, particule care se comportă ca şi cum ar avea o masă negativă.

Bulele de aer din apă pot fi modelate ca având masă negativă

Bulele de aer din apă pot fi modelate ca având masă negativă. Credit: Mike Lewinski/Flickr, CC BY-ND

Fizicienii sunt familiarizaţi cu conceptul de densitate energetică negativă.

Conform mecanicii cuantice, vidul cuantic este format dintr-un câmp fluctuant de energie care poate fi negativ în anumite locuri şi care generează unde și particule virtuale care apar şi dispar în permanenţă. Acest câmp fluctuant generează, de asemenea, forţa Casimir ce poate fi măsurată în laborator.

Teoria “fluidului întunecat” având masă negativă ar putea ajuta la rezolvarea multor probleme din fizica modernă.

Teoria corzilor, cea mai promiţătoare teorie pe care o avem pentru unificarea mecanicii cuantice cu teoria relativităţii a lui Einstein, este considerată în prezent incompatibilă cu dovezile observaționale.

Cu toate acestea, teoria corzilor sugerează că energia din spaţiul gol trebuie să fie negativă, ceea ce confirmă ipoteza existenţei unui “fluid întunecat” având masă negativă.

Mai mult, cercetătorii care au descoperit expansiunea accelerată a Universului au detectat, în mod surprinzător, dovezi pentru o cosmologie bazată pe conceptul de masă negativă, dar au preferat să ignore aceste constatări controversate.

Teoria “fluidului întunecat” având masă negativă ar putea rezolva și problema măsurării expansiunii Universului.

Expansiunea Universului se explică prin Legea Hubble-Lemaître, care are la bază constatarea că cele  mai multe galaxii îndepărtate se îndepărtează cu o viteză tot mai mare.

Relația dintre viteza cu care se deplasează o galaxie și distanța până la această galaxie este stabilită de “Constanta Hubble”, dar măsurătorile acesteia au furnizat valori diferite, ceea ce a condus la o criză în cosmologie.

Din fericire, o cosmologie bazată pe “masa negativă” prezice matematic că “constanta” lui Hubble ar trebui să varieze în timp.

Albert Einstein, dar şi alți oameni de știință, printre care și Stephen Hawking, au studiat conceptul de masă negativă.

În anul 1918, Einstein chiar a scris că teoria relativității generale ar trebui modificată pentru a include masa negativă.

Cu toate acestea, o cosmologie bazată pe conceptul de masă negativă ar putea fi greșită, deşi teoria “fluidului întunecat” oferă soluţii la numeroase probleme din fizica actuală.

Dovezile de până acum sugerează însă că trebuie să luăm în considerare această posibilitate neobișnuită: existenţa materiei având masă negativă.

Cel mai mare telescop care va fi construit vreodată, Square Kilometre Array (SKA), va măsura distribuția în timp a galaxiilor din Univers.

Voi folosi datele obţinute de SKA pentru a compara observațiile sale cu predicțiile teoretice, atât pentru o cosmologie bazată pe masa negativă, cât și pentru cea standard, pentru a verifica dacă se poate demonstra existenţa materiei având masă negativă.

Telescopul Square Kilometre Array

Telescopul Square Kilometre Array (SKA). Credit: SKA Project Development Office and Swinburne Astronomy Productions, CC BY-SA

Este evident că această nouă teorie generează o mulțime de noi întrebări. Ca în cazul tuturor descoperirilor științifice, aventura cunoaşterii nu se termină aici.

De fapt, încercarea de a înțelege adevărata natură a Universului, printr-o teorie unificată, tocmai a început.

Traducere şi adaptare după Bizarre ‘dark fluid’ with negative mass could dominate the universe – what my research suggests