Mørk materie og energi: 7 nøkler til universet

Universet er en gigantisk hemmelighet. Ni av ti deler består av stoff som vi ikke kan se, røre eller måle med noen instrumenter vi har på Jorden i dag. Mørk materie og mørk energi driver alt som vi observerer, fra stjernenes bevegelse inne i galaksene til hvordan hele universet ekspanderer raskere og raskere utover. Selv de smarteste fysikerne og astronomene vet ikke helt hva disse mystiske kraftene er. Men de vet at de er der. Og de vet omtrent hvor stor andel av universet som består av disse usynlige tingene.

Denne artikkelen er en komplett guide for hele familien til å forstå det mørkeste mysteriet innen naturvitenskapen. Vi skal starte fra toppen av historien — fra big bang og universets aller første sekunder — og arbeide oss fram mot dagens mest avanserte observasjoner fra teleskoper som koster milliarder av kroner. Underveis skal vi stanse ved viktige konsepter som du enkelt kan forklare videre til barnet ditt. Vi skal se eksempler som gir mening i hverdagen. Vi skal utforske hvordan dette påvirker oss her på Jorden. Og vi skal finne aktiviteter som dere kan gjøre sammen for å dykke dypere inn i temaet.

Leseren av denne artikkelen sitter igjen med en solid grunnforståelse av hva mørk materie og mørk energi egentlig er. Du forstår hvorfor astronomer er så sikre på at de finnes, selv om vi ikke kan se dem direkte med våre øyne. Du får innsikt i hva slags påvirkning disse kraftene har på universet vi lever i. Du lærer hvordan fremtiden til hele kosmos avhenger av mørk energi. Og du får konkrete aktiviteter som hele familien kan gjøre — fra YouTube-videoer til praktisk himmelkikking på kvelden eller et besøk på planetariet.

Det som driver alt i universet

Hvis du tok vekk all mørk materie og mørk energi fra universet, ville alt som vi kan se — hele Melkeveien, alle stjerner, alle planeter, og til og med vi mennesker selv — forsvinne som en dårlig drøm på bare ett sekund. Ikke fordi vi ville bli borte fysisk, men fordi de tyngdekrefter som holder galaksene sammen ville kollapse helt. Mørk materie virker som et usynlig limstoff som binder alle stjerner sammen i galaksene. Det gjør at stjernene ikke bare drøner bort i rommet hver for seg. Uten mørk materie ville galaksene ha løst seg opp for milliarder av år siden.

Mørk energi er en helt annen kraft — den er det motsatte av mørk materie. Der mørk materie trekker alt innover og presser det hele sammen, så presser mørk energi alt utover og fra hverandre. Universet ekspanderer, og fra omkring år 1998 så astronomer noe fantastisk — denne ekspansjonen ikke bare fortsetter, men at den akselererer. Det hele blir større og større, raskere og raskere. Hvis vi tenker på universet som en gigantisk ballong som blir pustet opp, så er mørk energi det som øker lufttrykket innvendig. Den gjør at ballongen vokser fortere og fortere, ikke bare jevnt, men med økende hastighet.

Det som gjør dette spesielt mystisk er at vi ikke vet hva mørk energi egentlig er laget av. Fysikerne har flere teorier — noen tror det er noe som kalles «kvantumvakuum», en uendelig energi som finnes overalt i ethvert tomrom i universet. Andre tror det kunne være noe helt tredje vi ikke har oppdaget ennå. Det samme gjelder mørk materie — den kunne være små partikler som kalles WIMP-er, eller det kunne være svarte hull fra universets tidlige dager, eller noe helt tredje.

Uansett hva som er sannheten, så vet vi noe helt sikkert: mørk materie og mørk energi er ikke bare små detaljer ved siden av, de er hovedfortellingen i universet. Hvis universet var en feature film på to timer, ville kjent materie — alt vi kan se — være bare et par sekunder av reklamen før filmen begynner. Alle stjerner, alle planeter, hele menneskeheten og alle liv på Jorden tilsammen utgjør mindre enn fem prosent av alt som finnes. Resten — hele 95 prosent — er mørk og ennå ikke forklart. Det er de usynlige stoffene som virkelig driver showet.

De viktigste tallene om universet

Her er de viktigste tallene som astronomer har funnet ut om universet. Disse tallene endrer seg hele tiden ettersom nye målinger og observasjoner kommer inn, men de gir deg et bilde av proportjonene vi jobber med.

Fra Big Bang til ekspansjon

For 13,8 milliarder år siden skjedde Big Bang — et uhyre møte mellom ekstrem temperatur, ekstrem energi og helt nye regler for fysikk som vi knapt forstår engang i dag. I løpet av den aller første brøkdelen av sekunder ekspanderte universet fra å være mindre enn en atom til å være større enn vår melkevei med hundrevis av milliarder stjerner. Denne ekspansjonen skjedde på grunn av energi som var innebygd i selve rommet — primordial energi fra starten av tiden. Mange fysikere tror at denne energien fra Big Bang kan være det samme som det vi i dag kaller mørk energi.

Etter at universet var blitt stor nok, kjølnet det ned under bare millisekunder. Energien fra Big Bang begynte å ta form av partikler — først kvarker, som så samlet seg til protoner og nøytroner. Disse bygde opp de første atomenes kjerner. Det tok omkring 380 000 år før universet ble kaldt nok til at elektronene kunne knyttes til kjernene og lage hydrogen og helium. Før det var universet en tett, ugjennomsiktig suppe av plasma, som et stort kog av stjernestoff som ikke ga etter for lyset.

Så kom gravitasjonen til mørk materie inn i bildet — og det var da det ble interessant. Mørk materie og vanlig materie tiltrekker hverandre gjennom tyngdekraft, og under millioner av år dannet det seg små klumper, så større klumper, så enorme filamentstrukturer som størknede stjerner og galakser. Uten mørk materie ville dette aldri skjedd — tyngdekraften fra vanlig materie alene ville ikke være sterk nok til å trekke tingene sammen. Så fra den første sekunden av universets eksistens, var mørk materie til stede og aktiv og påvirket alt som skjedde rundt den.

Hvorfor vi ikke ser det

Lys kan reflekteres fra ting, og det er derfor vi ser dem. Hvis du lyser en lommelykt mot en vegg, ser du veggen fordi lyset fra lykten treffer veggen og spretter av til øynene dine. Men mørk materie reflekterer ikke lys — lys går rett gjennom det som om det ikke var der. Det er akkurat som røntgenstråler går gjennom luft eller de sterkeste røntgenstrålene går gjennom myke vev på kroppen din. Mørk materie er usynlig fordi den ikke samhandler med lys på noen måte vi kjenner til.

Mørk energi er enda mindre synlig — det finnes overalt, selv i «tomt» rom, mellom galaksene, ja til og med mellom atomene i kroppen din akkurat nå mens du leser dette. Men den påvirker ikke noe nær oss — dens effekt blir først merkbar når vi ser på størrelsen av hele universet. Hvis du skulle måle mørk energis kraft på en liten gjenstand på Jorden, ville målingen være så svak at verdens sterkeste instrument ikke ville kunne oppdage den. Det er først når vi ser på avstander på milliarder lysår at effekten blir enorm og merkbar.

Så hvordan vet astronomer at det finnes? De observerer tyngdekraften og dens effekter på galaksene rundt omkring. Galakser beveger seg i mønstre som hvis de oppførte seg som om de var mye tyngre enn det vi faktisk kan se — som om det fantes usynlige miljø kilo materie rundt dem. Når man lager datasimuleringer av hvordan universet skulle utvikle seg uten mørk materie, blir det helt feil — galaksene ville ha løst opp for lenge siden. Bare ved å legge til denne usynlige materien blir simuleringene korrekte. Det er som detektivarbeid, basert på tegn og spor som etterlater seg forseelsen.

Ekspertens perspektiv

Her forklarer en kosmolog hvorfor mørk materie og energi er så fascinerende og viktig for vår forståelse av universet.

Måling av det usynlige

Hvis noe er usynlig, hvordan måler du det? Astronomer bruker en rekke kreative metoder som har utviklet seg over tiår. En av dem er å se hvordan lyset fra fjerne stjerner og galakser blir bøyd når det passerer nær det usynlige stoffet. Einstein forklarte at tyngdekraft bøyer rommet selv, så lys følger en buet vei rundt massive gjenstander — akkurat som en kule som ruller rundt en dype. Denne såkalte gravitasjonell linsing lar astronomer tegne kart over hvor mørk materie befinner seg, selv om de ikke kan se den direkte med teleskopet.

En annen viktig metode er å studere kosmisk bakgrunnsstråling — det eldste lyset som er igjen fra omkring 380 000 år etter Big Bang. Dette lyset har reist gjennom hele universet og har blitt påvirket av både mørk materie og mørk energi på sin lange reise gjennom tid og rom. Ved å studiere små temperaturforskjeller i denne gamle strålingen, kan astronomer bestemme hvor mye mørk materie og mørk energi som må ha vært der. Dette var en av de store gjennombruddene da NASA sendte opp teleskopet WMAP i år 2001.

En tredje metode som fungerer veldig godt er å se på hvordan galaksene beveger seg og roterer. Hvis du måler hastigheten til stjerner som går rundt midten av en galakse, burde de nærmeste stjernene bevege seg raskere enn stjernene langt ute. Det er akkurat som planeter nær solen beveger seg raskere enn planeter langt borte. Men det er ikke slik i galaksene — stjernene beveger seg med tilnærmet samme hastighet uansett hvor langt ut i galaksen de befinner seg. Det kan bare forklares hvis det finnes masse mørk materie rundt hele galaksen.

Og så kommer det hele tiden nye metoder — teknologien utvikler seg stadig. Astronomer bruker gravitasjonsbølger — rimpel i romtiden som oppstår når massive gjenstander som sorte hull kolliderer. De bruker nøytrinodetektorer som kan fange opp elementærpartikler som beveger seg gjennom rommet fra kosmiske kilder. De bruker de største radioteleskopene på Jorden som ALMA i Chile. De venter på mulig nye typer stråling eller partikler som mørk materie kunne sende ut. Hvert år kommer det nye idéer til hvordan man kan løse det største mysteriet i fysikken.

Fra teori til praksis

Så hva betyr alt dette for deg og meg her på Jorden? Vel, absolutt alt, faktisk. Mørk materie skapte «støtter» eller «sjøler» som vanlig materie kunne samle seg rundt for å danne galakser. Vår egen Melkevei er omgitt av en gigantisk kule av mørk materie som vi kaller «haloens». Hvis ikke denne mørk materien var der, ville Melkeveien ha sprengt fra hverandre for milliarder av år siden. Solens bane rundt midten av galaksen, og Jordens bane rundt Solen, er begge påvirket av mørk materiens tyngdekraft, selv om vi aldri kan se eller berøre den direkte.

Mørk energi påvirker oss på en helt annen måte — den påvirker fremtiden til hele universet i stor skala. Fordi mørk energi presser alt fra hverandre, og det blir sterkere over tid, så blir universet større, kaldere og mer spredt ut fra hverandre. I milliarder av år framover vil det bli så kaldt og så tomt at nye stjerner nesten ikke lenger vil dannes. Til slutt, i en ubegripelig fjern fremtid, vil alle stjerner ha brent ut, alle svarte hull vil ha fordampet, og universet vil være en enorm, tom, uendelig utvidelse av tomhet. Hvis ikke mørk energi fantes, ville universet kanskje ha kollapset igjen og dannet en ny Big Bang.

Det som er viktig å forstå er at dette ikke er sci-fi eller filosofi eller rein spekulasjon — det er basert på ekte observasjoner som astronomer på hele Jorden kan kontrollere og verifisere. Teleskopene er der, dataene er der, publikasjonene i vitenskapelige magasiner som «Nature» og «The Astrophysical Journal» bekrefter alt dette år etter år. Dette er vitenskap, og det er stadig under utvikling ettersom nye teknologier gir oss bedre verktøy til å studere universet og løse dets største mysterier.

Sju nøkkelbegreper du bør kjenne til

Her er de viktigste begrepene som brukes når astronomer og fysikere snakker om mørk materie og energi. Kjenne til disse ordene gjør det lettere å forstå artikler, podcaster og dokumentarer om emnet.

• Gravitasjonell linsing: Fenomenet der tyngdekraften bøyer lys fra fjerne objekter, brukt som verktøy til å kartlegge hvor mørk materie befinner seg i universet
• Kosmisk bakgrunnsstråling: Det eldste lyset i universet som har reist siden omkring 380 000 år etter Big Bang, inneholder spor av både mørk materie og energi
• WMAP og Planck: NASA-teleskoper som har målt universets store struktur med høy presisjon og bevist eksistensen av mørk energi
• Haloeffekten: Den usynlige kulen av mørk materie rundt hver galakse som holder stjernene sammen gjennom tyngdekraft
• Akselerert ekspansion: Universets utvidelse blir raskere over tid på grunn av mørk energi, ikke saktere som før
• Nøytrinoer: Subatomære partikler som beveger seg gjennom rommet og kan være en del av det vi søker etter som mørk materie
• Simulering og modeller: Databaserte kart over universet som viser hvor mørk materie befinner seg og hvordan universet utvikler seg

Aktiviteter hele familien kan gjøre

Hvis barnet ditt er nysgjerrig på dette emnet, finnes det mange konkrete måter å utforske mørk materie og mørk energi på. Du trenger ikke en dyr teleskop eller avansert utstyr — den beste starten er å vise barnet YouTube-videoer fra pålitelige kilder som NASA eller European Southern Observatory (ESO). ESO har fantastiske dokumentarvideoer på norsk om hvordan de største teleskopene fungerer, og mange av videoene handler direkte om mørk materie og gravitasjonell linsing. De er laget for publikum og er veldig visuelt inspirerende — barn fra åtte år og oppover forstår hovedidéene helt fint.

En neste steg kan være å besøke et planetarium eller en vitenskapsmuseum — de finnes i mange større norske byer som Oslo, Bergen, Trondheim, Stavanger, og flere. Mange av dem har show som handler spesifikt om universet og mørk materie. Et godt planetarium-show gjør det visuelt klart hvordan universet er organisert, fra planeter i vår solsystem helt ut til fjerne galakser. Noen planetarier har også interaktive utstillinger hvor barn kan eksperimentere med gravitasjon og romtid — du kan fint bruke to timer på et slikt besøk, og det koster gjerne rundt 100-200 kroner per person.

Hvis dere har tilgang til en mørk lokasjon langt fra byens lys — kanskje på hytta eller på landsbygda — kan dere også gjøre praktisk himmelkikking. Med bare øynene — helt uten teleskop — kan dere se Melkevei på en klar sommernatt som en hvit stripe over himmelen. Det er en fantastisk og ofte berørende opplevelse for barn å se galaksen vår selv og forstå at dette enorme systemet holdes sammen av usynlig mørk materie. Hvis dere skal kjøpe et teleskop for første gang, trenger dere ikke noe super-dyrt — et teleskop for 1000-1500 kroner kan vise mange interessante objekter.

Dere kan også prøve digitale simulatorer og interaktive nettsteder som finnes gratis på internett. Nettsider som NASA's Eyes of the Universe eller ESO's Universe Awareness har interaktive 3D-modeller som viser hvor mørk materie finnes i ulike galakser. Med disse verktøyene kan barnet ditt «fly» gjennom universet fra datamaskinen og se hvordan mørk materie dannes omkring galaksene. Alt er gratis og fungerer på både PC, Mac og nettbrett. Du kan også lage enkle demonstrasjoner hjemme — for eksempel kan du vise hvordan lys blir bøyd ved å bruke en vannfylt ballong som linse.

En familieerfaring

Her deler en forelder sine opplevelser med å introdusere barn for astronomi og kosmologien.

Hvordan kunnskapen har utviklet seg

Disse tallene viser hvor raskt kunnskapen om universet har utviklet seg bare i løpet av de siste tiårene og årene.

Hva kommer videre?

Astronomer arbeider intensivt for å løse mysteriet om mørk materie og mørk energi — det er ett av naturvitenskapens største uløste problemer. En av de neste store gjennombruddene kommer kanskje fra Large Hadron Collider (LHC) i Sveits — en gigantisk maskin som knuser partikler sammen på lysenes hastighet for å se hva som skjer når energi blir materie. LHC har allerede funnet Higgs-bosonen som folk kalte «Guds partikkel» i media, og nå leter det etter partikler som kunne være mørk materie. Hvert år blir LHC oppgradert med bedre detektorer og enda mer energi, og kanskje om fem, ti eller femten år vil de oppdage en helt ny partikkeltype som forklarer hva mørk materie egentlig er.

Samtidig arbeider romteleskopet James Webb — som skal erstatte det eldre Hubble-teleskopet — med langt større presisjon og større kraft enn noe teleskop før. James Webb koster over ti milliarder dollar og er i prinsippet en av menneskehetens største vitenskapelige prosjekter fra den siste generasjonen. Det kan se så langt tilbake i tid at det kan observere de aller første galaksene som dannet seg rett etter Big Bang. Ved å studere hvordan disse eldste galaksene dannet seg og utviklet seg, kan astronomer lære mer om hvordan mørk materie påvirket dem i den tidlige universen.

Den neste generasjonen av radioteleskoper er også på vei — store prosjekter som Extremely Large Telescope (ELT) i Chile og Square Kilometre Array (SKA) som vil bygges i Afrika og Australia. Disse teleskopene vil være tusen ganger mer sensitive enn dagens beste teleskoper, og de kan måle effektene av mørk materie og mørk energi med en presisjon vi bare drømte om tidligere. Om tjue år har kanskje en helt ny generasjon astronomer — kanskje et barn som leser denne artikkelen akkurat nå — gjort det gjennombruddet som løser både mysteriet om mørk materie og mørk energi for alltid.

Slik starter dere i dag

Hvis du vil starte å utforske mørk materie og energi med barnet ditt i dag, her er ett konkret program du kan følge for de første dagene og ukene. Dag én: se en YouTube-video fra NASA eller ESO som er laget for barn — søk på «dark matter for kids» eller «mørk materie barn». Det tar rundt 20-30 minutter og gir deg og barnet grunnleggende konsepter som dere kan diskutere etterpå. Dag to: tegn en enkel tegning av en galakse med stjerner, og diskuter hva som kunne holde stjernene på plass hvis det ikke fantes usynlig kraft.

Fra uke to og fremover kan dere gjøre regelmessig himmelkikking — bare med øynene, ingen instrument nødvendig. På en klar sommernatt kan dere gå ut, sette dere ned på bakken eller på en stol, la øynene vante seg til mørket i omkring tjue minutter, og så bare stirre på stjernehem. Forklar barnet at Melkevei som dere ser som en hvit stripe over himmelen, er egentlig hundre milliarder stjerner langt langt borte, alle holdt sammen av usynlig mørk materie. Mange barn finner denne opplevelsen veldig berørende — å forstå at de ser noe så enormt gammelt og så enormt stort med bare øynene sine.

Til slutt — hvis barnet ditt viser vedvarende interesse etter disse ukene — kan dere investere i et beginner-teleskop for 1000-1500 kroner. Ikke noe super-dyrt eller profesjonelt, men nok til å se månens krater, Jupiters måner, eller Saturns vakre ringer. Det skal være nok til å holde interessen ved liv, og kanskje inspireres barnet ditt til å bli den neste astronomen som endelig løser mysteriet om mørk materie. Hvem vet — det kunne ha startet med denne artikkelen og en kveld under stjernene sammen med deg.