Mørk materie og energi: en guide til universet

Universet består i all hovedsak av stoff og energi som ikke kan sees direkte. Mørk materie og mørk energi påvirker alt som observeres, fra hvordan stjernene beveger seg i galaksene til hvordan universet utvider seg. Forskere vet at de finnes, fordi effektene av dem på synlig materie gjennom tyngdekraft kan observeres.

Denne artikkelen er en guide for hele familien til å forstå disse grunnleggende delene av universet. Den starter med universets begynnelse og ser på hvordan mørk materie og mørk energi har formet kosmos. Underveis forklares viktige begreper på en enkel måte, slik at det er lett å dele kunnskapen videre.

Det gis en innføring i hva mørk materie og mørk energi er, hvorfor astronomer er sikre på at de finnes, og hvilke metoder som brukes for å studere dem. Det gis også tips til hvordan temaet kan utforskes videre sammen med barn.

Det som driver alt i universet

Mørk materie virker som et usynlig lim som binder galaksene sammen. Den påvirker stjernenes bevegelser gjennom tyngdekraft, slik at galaksene ikke løser seg opp. Uten mørk materie ville galaksene ha falt fra hverandre for lenge siden, ifølge Store norske leksikon.

Mørk energi er en helt annen kraft. Der mørk materie trekker innover, presser mørk energi universet utover og får utvidelsen til å akselerere. Ifølge Store norske leksikon begynte mørk energi å dominere energiinnholdet etter om lag 10 milliarder år, og universet utvider seg nå med økende hastighet.

Forskerne vet ikke hva mørk energi egentlig er. Én mulighet er at den er en form for vakuumenergi, en såkalt kosmologisk konstant, ifølge Store norske leksikon. Andre modeller foreslår at den kan være en form for «Higgs-energi».

Kjent materie, det vil si alt som kan sees, utgjør bare en liten del av universet. Ifølge Planck-romobservatoriet består resten av mørk materie og mørk energi som ennå ikke er fullt ut forklart.

De viktigste tallene om universet

Ifølge Planck-romobservatoriet utgjør mørk energi 68 prosent, mørk materie 27 prosent og vanlig materie 5 prosent av universet. WMAP målte i 2012 at andelen mørk energi var 71 prosent og mørk materie 24 prosent. Universets alder er anslått til 13,8 milliarder år, ifølge Store norske leksikon.

Fra Big Bang til ekspansjon

Ifølge Store norske leksikon skjedde big bang for omtrent 14 milliarder år siden, og i løpet av den aller første brøkdelen av et sekund — 10−35 sekunder etter big bang — kan universet ha hatt en inflasjonsfase der det utvidet seg med en faktor på minst 10 26 i løpet av 10−33 sekunder.

Etterhvert som universet utvidet seg, ble det kaldere. Ifølge Lille norske leksikon ble de første grunnstoffene hydrogen og helium dannet etter noen minutter. Ifølge WMAP ble universet gjennomsiktig og den kosmiske bakgrunnsstrålingen dannet om lag 380 000 år etter big bang.

Mørk materie har tyngdekraft og påvirket hvordan galaksene dannet seg tidlig i universets historie, ifølge Lille norske leksikon. Dersom det bare fantes vanlig materie, ville galaksene ha brukt mye lengre tid på å trekke til seg materie og vokse seg store. Tyngdekraften fra mørk materie bidro til at strukturene i universet kunne oppstå.

Hvorfor det ikke sees

Mørk materie sender ikke ut stråling og reflekterer ikke lys, ifølge Store norske leksikon. Lyset går rett gjennom det. Derfor kan det ikke observeres direkte med teleskop.

Mørk energi er jevnt fordelt og fyller hele universet, ifølge Store norske leksikon. Den er usynlig fordi den ikke sender ut stråling. Effekten av mørk energi blir merkbar først når man ser på universet som helhet.

Astronomer vet at mørk materie finnes fordi de observerer tyngdekraften den skaper. Ifølge Store norske leksikon beveger stjernene i spiralgalakser seg for fort til at den synlige materien alene kan holde dem fast. Hvis ikke mørk materie fantes, ville galaksene ha løst seg opp. Beregninger og modeller viser at det må finnes langt mer materie enn det som kan sees.

Hva forskerne vet

Forskere vet at mørk materie finnes fordi de ser gravitasjonseffektene den har på synlig materie, ifølge Store norske leksikon. De fleste kosmologer mener også at universet må inneholde mørk energi for å forklare den akselererende utvidelsen, ifølge Store norske leksikon.

Måling av det usynlige

Astronomer bruker gravitasjonell linsing for å kartlegge mørk materie. Lys avbøyes av konsentrasjoner av masse, og en galakse eller galaksehop kan virke som en samlelinse, ifølge Store norske leksikon.

Ifølge Store norske leksikon begynte forskerne omkring år 2000 å bruke den gravitasjonelle linseeffekten systematisk for å kartlegge fordelingen av mørk materie.

En annen metode er å studere den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Ifølge WMAP oppsto denne strålingen om lag 380 000 år etter big bang, og målinger av den er svært viktig for å forstå universets historie og innhold. WMAP ble skutt opp av NASA 30. juni 2001 og målte temperaturforskjeller i strålingen over flere frekvensbånd.

Planck-romobservatoriet, som ble skutt opp 14. mai 2009, er oppfølgeren til WMAP og COBE, ifølge Store norske leksikon. Planck hadde bedre oppløsning og følsomhet, og kunne registrere temperaturforskjeller på noen få milliondeler av en grad. Observasjonene ga mer nøyaktige verdier for universets innhold.

At stjernene i spiralgalakser beveger seg for fort, er også et viktig bevis. Ifølge Store norske leksikon kartla Vera C. Rubin og William Kent Ford bevegelsene av stjerner i 1970-årene og fant at galaksene roterer for raskt til at den observerbare massen kan forklare det.

Fritz Zwicky publiserte allerede i 1937 en vitenskapelig artikkel om lignende funn for galakser i Comahopen, ifølge Store norske leksikon.

Fra teori til praksis

Mørk materie påvirker hvordan galakser dannes og utvikles. Ifølge Lille norske leksikon finnes det også mørk materie i solsystemet, men det er for lite av den her til at tyngdekraften fra den kan merkes. Man må se på noe så stort som en galakse før effekten blir tydelig.

Mørk energi påvirker universet i stor skala. Ifølge Store norske leksikon begynte mørk energi å dominere energiinnholdet etter om lag 10 milliarder år, og universet utvider seg nå med akselererende hastighet. WMAP-data viste at utvidelsen vil fortsette i all fremtid, ifølge Store norske leksikon.

Dette er ikke spekulasjon, men basert på observasjoner som kan kontrolleres. Teleskop og romobservatorier samler inn data som brukes til å teste modellene av universet. Nye målinger gjør at forståelsen stadig blir mer nøyaktig.

Nøkkelbegreper man bør kjenne til

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

• Gravitasjonell linsing: Fenomenet der tyngdekraften fra masse bøyer lys fra fjerne objekter, brukt som verktøy for å kartlegge mørk materie ifølge Store norske leksikon
• Kosmisk bakgrunnsstråling: Det eldste lyset i universet, som ifølge Store norske leksikon oppsto om lag 380 000 år etter big bang
• WMAP og Planck: Romobservatorier som har målt den kosmiske bakgrunnsstrålingen og bestemt universets innhold
• Akselerert ekspansjon: Universets utvidelse blir raskere over tid på grunn av mørk energi, ifølge Store norske leksikon
• Simuleringer og modeller: Beregninger som viser at mørk materie er nødvendig for at galaksene skal holde sammen, ifølge Store norske leksikon

Aktiviteter hele familien kan gjøre

Hvis barnet er nysgjerrig på universet, finnes det mange måter å utforske temaet på. Dyrt utstyr er ikke nødvendig for å komme i gang.

En god start er å se pedagogiske videoer fra romfartsorganisasjoner som NASA og ESA. ESA står blant annet bak satellitten Euclid, som skal kartlegge mørk energi og mørk materie, ifølge Lille norske leksikon. Videoer kan gi en visuell innføring i hvordan teleskop fungerer og hva astronomer leter etter.

Et besøk på et planetarium eller vitenskapsmuseum kan gjøre stjernene og galaksene mer konkrete. Mange planetarier har show om universet som passer for barn og voksne.

Praktisk himmelkikking er en fin fellesaktivitet. På en mørk kveld langt fra byens lys kan man se Melkeveien som en lys stripe på himmelen. Det er en sterk opplevelse å forstå at dette enorme systemet holdes sammen av usynlig mørk materie. Øynene alene er nok for å se galaksen vår.

Digitale simulatorer og interaktive nettsteder som viser universet i 3D finnes gratis på internett. Enkelte nettsteder tilbyr verktøy der barn kan utforske galakser og lære mer om hvordan forskerne studerer det usynlige stoffet.

Å dele nysgjerrighet

Å snakke med barn om universet og det usynlige stoffet som holder det sammen, kan vekke livslang interesse for naturvitenskap. Det er ikke nødvendig å vite alt selv; det viktigste er å være nysgjerrig sammen.

Hvordan kunnskapen har utviklet seg

Målingene av den kosmiske bakgrunnsstrålingen har blitt stadig bedre. COBE ble skutt opp i 1989 og målte middeltemperaturen og små variasjoner i strålingen. WMAP fulgte i 2001 og ga i 2012 nye verdier for universets alder og innhold. Planck-romobservatoriet ble skutt opp i 2009 og kunne måle temperaturforskjeller med enda større nøyaktighet.

Hva kommer videre?

Astronomer arbeider fortsatt med å forstå hva mørk materie og mørk energi egentlig er. Ifølge Store norske leksikon er målet med partikkelakseleratoren LHC ved CERN å finne nye partikler eller fenomen som hittil ikke er oppdaget. Norske fysikere deltar aktivt i eksperimentene ALICE og ATLAS.

Samtidig skal Euclid-satellitten kartlegge mørk energi og mørk materie ved å ta bilder av tusenvis av galakser.

Nye teknologier og observasjoner gir stadig bedre data. Kanskje en fremtidig generasjon astronomer gjennom de neste tiårene kommer nærmere et svar på hva det usynlige universet består av.

Slik kommer man i gang

For å utforske mørk materie og mørk energi sammen med barnet, kan man starte enkelt. Se en introduksjonsvideo fra NASA eller ESA som er laget for et bredt publikum. Det gir grunnleggende begreper som kan diskuteres videre.

En neste steg er å tegne en galakse sammen og diskutere hva som holder stjernene på plass. Man kan også gå ut på kvelden og se på stjernehimmelen. På en klar, mørk natt kan man se Melkeveien som en lys stripe. Dette er et enormt antall stjerner som holdes sammen av usynlig mørk materie.

Hvis interessen vedvarer, kan det vurderes å skaffe et enkelt teleskop. Med det kan man se månens kratre, Jupiters måner eller Saturns ringer. Det kan være nok til å holde interessen ved liv og kanskje inspirere til videre utforskning av universet.