Das Chaplygin-Gas (CG) ist eine sehr ungewöhnliche Zustandsgleichung einer Flüssigkeit. Sie wurde ursprünglich von dem russischen Physiker Sergey Chaplygin schon 1904 eingeführt, um in der Aerodynamik die Kräfte auf Flugzeugtragflächen zu beschreiben. Um 1940 wurde Chaplygins Ansatz nochmals in der Aerodynamik eingesetzt. Erst 2001 entdeckten russische Forscher die Tauglichkeit des Chaplygin-Gases in der Kosmologie (Kamenshchik et al. 2001). Diese Disziplin wird bisweilen als Chaplygin-Kosmologie bezeichnet.

Ein Gas mit vielen Gesichtern

Das Chaplygin-Gas wird in seiner ursprünglichen Form durch die Zustandsgleichung rechts beschrieben. Darin ist p der Flüssigkeitsdruck, ρ die Flüssigkeitsdichte (beide im Ruhesystem der Flüssigkeit) und A ist eine positive Konstante. Betrachten wir folgende Grenzfälle: Bei ρ » A wird der Quotient A/ρ klein, d.h. wir haben es mit einer Art Staub (p = 0) zu tun. Bei ρ « A wird der Quotient A/ρ groß und der Druck p insbesondere negativ und groß. Das ist eine Art extreme Form Dunkler Energie, die verwandt ist mit der Phantom-Energie. Die Theoretiker nennen das ein 'Phantom-Chaplygin-Gas'. Es verletzt die starke Energiebedingung.

Kosmologie mit Chaplygin-Gas

Beschreibt man nun den Materieinhalt im Universum mit einem CG, so führt dessen Zustandsgleichung dazu, dass im frühen Kosmos sich das Chaplygin-Gas wie Staub (w-Parameter w = 0) verhält; in späten Entwicklungsphasen hingegen ändert es sein Verhalten: dann ist es vergleichbar mit einer idealen Flüssigkeit mit negativem Druck. Mit anderen Worten: Das CG verhält sich mal wie Dunkle Materie und mal wie Dunkle Energie – es eignet sich damit zur einheitlichen Beschreibung von Dunkler Materie und Dunkler Energie! Insbesondere handelt es sich dabei um eine dynamische Ersatzform von Dunkler Energie und kann somit als Alternative zu Quintessenzen (so auch der Titel des Kamenshchik-Papiers) aufgefasst werden. Dabei ist in diesem Ansatz kein Skalarfeld involviert, die ja sonst weit verbreitet in der Kosmologie sind (siehe z.B. Cosmon, Radion, Inflaton).

Verallgemeinerungen der Zustandsgleichung

Kamenshchik und seine Kollegen haben die fast hundert Jahre zuvor gefundene Zustandsgleichung verallgemeinert und einen Exponenten α eingeführt. Dann resultiert das verallgemeinerte Chaplygin-Gas (engl. generalized Chaplygin gas, GCG) in der Gleichung rechts. Der Parameter α liegt zwischen 0 und 1 – ein häufig betrachteter Fall ist α = 1/3.
Die großräumige Struktur des Universums weist offensichtlich Inhomogenitäten auf, wie astronomische Beobachtungen zeigen. Deshalb scheint es erstrebenswert, die eine Phase des Chaplygin-Gases, nämlich drucklosen Staub (p = 0, also auch w = 0), durch eine Materieform mit Druck zu ersetzen. Tatsächlich ist es möglich, eine solche Verallgemeinerung in Gestalt eines inhomogenen Chaplygin-Gases einzuführen (Bilic et al. 2002). Das gelingt durch Berücksichtigung eines neuen Potentialterms im Lagrange-Fuktional.
Das Chaplygin-Gas birgt auch eine interessante Anwendung in der Physik kompakter Objekte, weil man die Blase Dunkler Energie im Innern von Gravasternen mit einem Chaplygin-Gas auffüllen kann. Dieser kompakte Stern wird Chaplygin-Gravastern genannt.

Vor- und Nachteile des Chaplygin-Gases

Der Vorteil des CG-Modells ist, dass es ebenfalls die astronomisch beobachtete beschleunigte Expansion des Universums zu erklären vermag. Eine weitere gute Eigenschaft ist, dass Dunkle Materie und Dunkle Energie vereinheitlicht werden – Physiker halten ja generell viel von Vereinheitlichung.
Den Preis, den man dafür zahlt ist, dass man eine sehr seltsame Zustandsgleichung physikalisch ernst nehmen muss. Das wird nicht jedem Astrophysiker leicht fallen.

Tests & Fürsprecher

Das Chaplygin-Gas ist eine dynamische Energieform, die insbesondere eine Zunahme der kosmologischen Konstante vorhersagt. Sollte das beobachtet werden, würde das zumindest dem CG-Modell Zulauf verschaffen.
Unter gewissen Voraussetzungen folgt die CG-Zustandsgleichung auch im Rahmen der Stringtheorien.

Papiere

• Kamenshchik, A., Moschella, U. & Pasquier, V.: An alternative to quintessence, Phys. Lett. B 511, 265, 2001; als Preprint gr-qc/0103004
• Bilic, N, Tupper, G.B. & Viollier, R.D.: Unification of dark matter and dark energy: the inhomogeneous Chaplygin gas, Phys. Lett. B 535, 17, 2002