Det är pinsamt, men astrofysiker är de första att erkänna det. Vår bästa teoretiska modell kan bara förklara 5% av universum. De återstående 95% består av nästan helt osynliga, okänt material som kallas mörk energi och mörk materia. Så även om det finns en miljard biljoner stjärnor i det observerbara universum, de är faktiskt extremt sällsynta.

De två mystiska mörka ämnena kan bara utläsas från gravitationseffekter. Mörk materia kan vara ett osynligt material, men det utövar en gravitationskraft på omgivande materia som vi kan mäta. Mörk energi är en frånstötande kraft som får universum att expandera i en accelererande hastighet. De två har alltid behandlats som separata fenomen. Men min nya studie, publiceras i Astronomi och astrofysik , antyder att de båda kan vara en del av samma konstiga koncept – en enda, enhetlig "mörk vätska" av negativa massor.

Negativa massor är en hypotetisk form av materia som skulle ha en typ av negativ gravitation - som stöter bort allt annat material runt dem. Till skillnad från välbekant positiv massa materia, om en negativ massa trycktes, det skulle accelerera mot dig snarare än bort från dig.

Negativa massor är ingen ny idé inom kosmologin. Precis som normal materia, negativa masspartiklar skulle bli mer utspridda när universum expanderar – vilket innebär att deras frånstötande kraft skulle bli svagare med tiden. Dock, studier har visat att kraften som driver den accelererande expansionen av universum är obevekligt konstant. Denna inkonsekvens har tidigare fått forskare att överge denna idé. Om det finns en mörk vätska, det ska inte tunnas ut med tiden.

I den nya studien, Jag föreslår en modifiering av Einsteins allmänna relativitetsteori för att tillåta negativa massor att inte bara existera, men skapas kontinuerligt. "Materia skapande" ingick redan i en tidig alternativ teori till Big Bang, känd som Steady State-modellen. Huvudantagandet var att (positiv massa) materia skapades kontinuerligt för att fylla på material när universum expanderar. Vi vet nu från observationsbevis att detta är felaktigt. Dock, det betyder inte att negativ massa materia inte kan skapas kontinuerligt. Jag visar att denna antagna mörka vätska aldrig sprids för tunt. Istället beter den sig precis som mörk energi.

Jag utvecklade också en 3D-datormodell av detta hypotetiska universum för att se om det också kunde förklara den fysiska naturen hos mörk materia. Mörk materia introducerades för att förklara det faktum att galaxer snurrar mycket snabbare än våra modeller förutspår. Detta innebär att ytterligare osynligt material måste finnas för att förhindra att de snurrar isär.

Min modell visar att den omgivande frånstötande kraften från mörk vätska också kan hålla ihop en galax. Tyngdkraften från den positiva massgalaxen attraherar negativa massor från alla håll, och när den negativa massavätskan kommer närmare galaxen utövar den i sin tur en starkare frånstötande kraft på galaxen som gör att den kan snurra i högre hastigheter utan att flyga isär. Det verkar därför som om ett enkelt minustecken kan lösa ett av fysikens längsta problem.

Är universum verkligen så konstigt?

Man kan hävda att detta låter lite långsökt. Men medan negativa massor är bisarra, de är betydligt mindre konstiga än man kan tro. Till att börja, dessa effekter kan bara verka märkliga och obekanta för oss, eftersom vi bor i en region som domineras av positiv massa.

Oavsett om det är fysiskt verkligt eller inte, negativa massor har redan en teoretisk roll inom ett stort antal områden. Luftbubblor i vatten kan modelleras som att de har en negativ massa. Senare laboratorieforskning har också genererat partiklar som beter sig precis som de skulle om de hade negativ massa.

Och fysiker är redan bekväma med begreppet negativ energitäthet. Enligt kvantmekaniken, tomrum består av ett fält av fluktuerande bakgrundsenergi som kan vara negativ på sina ställen – vilket ger upphov till vågor och virtuella partiklar som dyker in i och ut ur existensen. Detta kan till och med skapa en liten kraft som kan mätas i labbet.

Den nya studien kan hjälpa till att lösa många problem inom modern fysik. Strängteorin, vilket är vårt bästa hopp för att förena kvantvärldens fysik med Einsteins teori om kosmos, ses för närvarande som oförenligt med observationsbevis. Dock, Strängteorin antyder att energin i det tomma utrymmet måste vara negativ, vilket bekräftar de teoretiska förväntningarna på en mörk vätska med negativ massa.

Dessutom, teamet bakom den banbrytande upptäckten av ett accelererande universum upptäckte överraskande bevis för en negativ masskosmologi, men tog den rimliga försiktighetsåtgärden att tolka dessa kontroversiella fynd som "ofysiska".

Teorin skulle också kunna lösa problemet med att mäta universums expansion. Detta förklaras av Hubble-Lemaître-lagen, observationen att mer avlägsna galaxer rör sig bort i snabbare takt. Förhållandet mellan hastigheten och avståndet för en galax bestäms av "Hubbles konstant", men måtten på den har fortsatt att variera. Detta har lett till en kris i kosmologin. Lyckligtvis, en negativ masskosmologi förutspår matematiskt att Hubble-"konstanten" bör variera över tiden. Klart, det finns bevis för att denna konstiga och okonventionella nya teori förtjänar vår vetenskapliga uppmärksamhet.

Vart ska man gå härifrån

Skaparen av fältet kosmologi, Albert Einstein, övervägde – tillsammans med andra forskare inklusive Stephen Hawking – negativa massor. Faktiskt, 1918 skrev Einstein till och med att hans teori om allmänna relativitetsteori kan behöva modifieras för att inkludera dem.

Trots dessa ansträngningar, en negativ masskosmologi kan vara fel. Teorin verkar ge svar på så många för närvarande öppna frågor att forskarna – med rätta – kommer att vara ganska misstänksamma. Dock, det är ofta out-of-the-box idéer som ger svar på långvariga problem. De starka ackumulerande bevisen har nu vuxit till den grad att vi måste överväga denna ovanliga möjlighet.

Det största teleskopet som någonsin byggts – Square Kilometer Array (SKA) – kommer att mäta fördelningen av galaxer genom universums historia. Jag planerar att använda SKA för att jämföra dess observationer med teoretiska förutsägelser för både en negativ masskosmologi och standarden – vilket hjälper till att i slutändan bevisa om negativa massor finns i vår verklighet.

Det som är tydligt är att denna nya teori genererar en mängd nya frågor. Så som med alla vetenskapliga upptäckter, äventyret slutar inte här. Faktiskt, strävan att förstå den sanna naturen hos denna vackra, enat, och – kanske polariserat – universum har bara börjat.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.