Es vergonzoso, pero los astrofísicos son los primeros en admitirlo. Nuestro mejor modelo teórico solo puede explicar el 5% del universo. El 95% restante está compuesto casi en su totalidad por invisibles, material desconocido denominado energía oscura y materia oscura. Entonces, aunque hay mil millones de billones de estrellas en el universo observable, en realidad son extremadamente raros.

Las dos misteriosas sustancias oscuras solo se pueden inferir a partir de los efectos gravitacionales. La materia oscura puede ser un material invisible, pero ejerce una fuerza gravitacional sobre la materia circundante que podemos medir. La energía oscura es una fuerza repulsiva que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado. Los dos siempre se han tratado como fenómenos separados. Pero mi nuevo estudio publicado en Astronomía y Astrofísica , sugiere que ambos pueden ser parte del mismo concepto extraño:un solo, "fluido oscuro" unificado de masas negativas.

Las masas negativas son una forma hipotética de materia que tendría un tipo de gravedad negativa, repeliendo todo el resto del material a su alrededor. A diferencia de la materia de masa positiva familiar, si se empuja una masa negativa, aceleraría hacia usted en lugar de alejarse de usted.

Las masas negativas no son una idea nueva en cosmología. Al igual que la materia normal las partículas de masa negativa se extenderían más a medida que el universo se expande, lo que significa que su fuerza repulsiva se debilitaría con el tiempo. Sin embargo, Los estudios han demostrado que la fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo es implacablemente constante. Esta inconsistencia ha llevado previamente a los investigadores a abandonar esta idea. Si existe un fluido oscuro, no debe diluirse con el tiempo.

En el nuevo estudio, Propongo una modificación a la teoría de la relatividad general de Einstein para permitir que las masas negativas no solo existan, pero para ser creado continuamente. La "creación de materia" ya estaba incluida en una teoría alternativa temprana al Big Bang, conocido como el modelo de estado estable. La suposición principal era que la materia (masa positiva) se creaba continuamente para reponer material a medida que el universo se expande. Ahora sabemos por la evidencia observacional que esto es incorrecto. Sin embargo, eso no significa que no se pueda crear continuamente materia de masa negativa. Muestro que este supuesto fluido oscuro nunca se esparce demasiado fino. En cambio, se comporta exactamente como la energía oscura.

También desarrollé un modelo informático en 3-D de este universo hipotético para ver si también podía explicar la naturaleza física de la materia oscura. La materia oscura se introdujo para explicar el hecho de que las galaxias giran mucho más rápido de lo que predicen nuestros modelos. Esto implica que debe estar presente alguna materia invisible adicional para evitar que se separen.

Mi modelo muestra que la fuerza repulsiva circundante del fluido oscuro también puede mantener unida a una galaxia. La gravedad de la galaxia de masa positiva atrae masas negativas de todas las direcciones, ya medida que el fluido de masa negativa se acerca a la galaxia, a su vez ejerce una fuerza repulsiva más fuerte sobre la galaxia que le permite girar a velocidades más altas sin separarse. Por tanto, parece que un simple signo menos puede resolver uno de los problemas más antiguos de la física.

¿Es el universo realmente tan extraño?

Se puede argumentar que esto suena un poco inverosímil. Pero mientras las masas negativas son extrañas, son considerablemente menos extraños de lo que puede pensar de inmediato. Para principiantes, Estos efectos pueden parecernos peculiares y desconocidos para nosotros, ya que residimos en una región dominada por la masa positiva.

Ya sea físicamente real o no, Las masas negativas ya tienen un papel teórico en un gran número de áreas. Las burbujas de aire en el agua se pueden modelar como si tuvieran una masa negativa. La investigación de laboratorio reciente también ha generado partículas que se comportan exactamente como lo harían si tuvieran masa negativa.

Y los físicos ya se sienten cómodos con el concepto de densidad de energía negativa. Según la mecánica cuántica, El espacio vacío está formado por un campo de energía de fondo fluctuante que puede ser negativo en algunos lugares, dando lugar a ondas y partículas virtuales que aparecen y desaparecen. Esto incluso puede crear una pequeña fuerza que se puede medir en el laboratorio.

El nuevo estudio podría ayudar a resolver muchos problemas de la física moderna. Teoria de las cuerdas, que es nuestra mejor esperanza para unificar la física del mundo cuántico con la teoría del cosmos de Einstein, actualmente se considera incompatible con la evidencia observacional. Sin embargo, La teoría de cuerdas sugiere que la energía en el espacio vacío debe ser negativa, lo que corrobora las expectativas teóricas de un fluido oscuro de masa negativa.

Es más, el equipo detrás del descubrimiento pionero de un universo en aceleración sorprendentemente detectó evidencia de una cosmología de masa negativa, pero tomó la precaución razonable de interpretar estos controvertidos hallazgos como "no físicos".

La teoría también podría resolver el problema de medir la expansión del universo. Esto se explica por la Ley de Hubble-Lemaître, la observación de que las galaxias más distantes se están alejando a un ritmo más rápido. La relación entre la velocidad y la distancia de una galaxia se establece mediante la "constante de Hubble", pero sus medidas han seguido variando. Esto ha provocado una crisis en la cosmología. Afortunadamente, una cosmología de masa negativa predice matemáticamente que la "constante" de Hubble debería variar con el tiempo. Claramente, Hay pruebas de que esta nueva teoría extraña y poco convencional merece nuestra atención científica.

A dónde ir desde aquí

El creador del campo de la cosmología, Albert Einstein, , junto con otros científicos, incluido Stephen Hawking, consideró las masas negativas. De hecho, en 1918, Einstein incluso escribió que su teoría de la relatividad general podría tener que modificarse para incluirlos.

A pesar de estos esfuerzos, una cosmología de masas negativa podría estar equivocada. La teoría parece proporcionar respuestas a tantas preguntas actualmente abiertas que los científicos, con razón, sospecharán. Sin embargo, A menudo son las ideas listas para usar las que brindan respuestas a problemas de larga data. La fuerte evidencia acumulada ha crecido hasta el punto de que debemos considerar esta posibilidad inusual.

El telescopio más grande jamás construido, el Square Kilometer Array (SKA), medirá la distribución de las galaxias a lo largo de la historia del universo. Estoy planeando usar el SKA para comparar sus observaciones con las predicciones teóricas tanto para una cosmología de masa negativa como para la estándar, ayudando en última instancia a probar si existen masas negativas en nuestra realidad.

Lo que está claro es que esta nueva teoría genera una gran cantidad de nuevas preguntas. Así como con todos los descubrimientos científicos, la aventura no acaba aquí. De hecho, la búsqueda para comprender la verdadera naturaleza de esta hermosa, unificado y, tal vez polarizado, el universo apenas ha comenzado.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.