Mørk materie og energi: univers mørkeste hemmeligheter

Univers mørkeste mysterium venter på oppklaring

Du har antakelig hørt at stjerner og planeter bare utgjør en liten brøkdel av univers – rundt fem prosent. Resten er noe vi ikke kan se direkte, og som det ikke finnes navn på fra kjemien eller fysikken vi kjenner. Denne mørke materien og mørke energien har holdt astrofysikere og kosmologer i uendelige undersøkelser i over to tiår. Men på 2020-tallet begynner vi endelig å få svar, og de er minst like fascinerende som spørsmålene selv. I denne artikkelen tar vi deg med ned i univers mørkeste hjørner, og viser deg hva som nå skjer i kampen for å løse astronomis største mysterium, og hva det betyr for forståelsen vår av virkeligheten og alt som eksisterer.

Når Hubble-romteleskopet målte hvor raskt fjerne galakser beveger seg fra oss, fant astronomer noe helt uventet: univers ekspanderer ikke bare – det akselererer. Dersom du trodde ekspansjonen ville bli tregere over tid på grunn av gravitasjon, var du ikke alene. Alt vitenskapelig syn antydde at tyngdekraften skulle bremse universes utvidelse, slik at det til slutt ville stoppe og kollapset inn på seg selv. Men observasjonene viste noe helt annet: ekspansjonen blir raskere. Dette forundret forskerne så dypt at det nærmest ble en krise i fysikken. De måtte innrømme at noe enormt stykke manglet i deres forståelse av univers.

I dag vet vi at noe usynlig og ukjent utgjør hele 95 prosent av alt som finnes. Det finnes ikke navn på dette i lærebøkene fra før 1990-tallet. Vitenskapsmennene kalte det mørk materie og mørk energi, fordi det eneste de visste, var at det ikke utstråler eller reflekterer synlig lys. Siden da har forskningen blomstret, og tusenvis av astronomer, fysikere og ingeniører over hele verden jobber dag og natt for å løse mysteriet. Svarene de har funnet, reiser bare flere spørsmål – men det gjør det hele til vitenskapens mest spennende grense akkurat nå.

Mørk materie – universes usynlige klister

Tenk deg at du observerer en karusell som spinner veldig raskt. Du ser noen mennesker som sitter på hestene og roterer med karusellen, og du kan beregne hvor raskt de beveger seg basert på deres avstand fra sentrum. Men plutselig legger du merke til at karusellen spinner så kjempfort at alle mennesker burde fly av og landings på bakken. Likevel blir de sittende fast på hestene. Det må være noe usynlig som holder dem fast – kanskje sterke magnetiske felt eller klebrig lim vi ikke kan se. Det er akkurat slik astronomer tenker om galakser. Stjernene som vi kan se, roterer rundt galaksens sentrum så raskt at de burde flytte vekk fra galaksen basert på den synlige massen alene, men de gjør det ikke.

Denne observasjonen fra 1930-tallet, gjort av den sveitsisk-amerikanske astronomen Fritjof Zwicky, trakk konklusjonen at det måtte finnes masse som vi ikke kunne se – og han gav den navn: «dark matter». Zwicky studerte Coma-hopen med galakser og fant at galaxene bevegde seg for raskt i forhold til deres synlige masse. Etter Zwickys første forslag tok det lang tid før mye som astrofysikere tok hypotesen på alvor. Det var først på 1970-tallet, da Vera Rubin gjorde sine berømte observasjoner av galaksers rotasjonshastigheter, at beviset for mørk materie ble nesten umulig å fornekte. Rubin målte hvordan stjernene i spiralgalakser roterte, og hennes data støttet helt Zwickys konklusjon.

Mørk materie utgjør rundt 27 prosent av univers samlet masse og energi. Det er fem ganger mer enn alt av ordentlig materie – stoff som er laget av atomer, molekyler, mennesker, dinosaurer og stjerner. Ingen har noen gang oppfanget eller detektert en eneste partikkel av mørk materie direkte i et laboratorium, og det er en av astronomis største nederlag hittil. Vi vet mørk materie er der fordi vi kan måle dens gravitasjonseffekt overalt vi ser i univers. Dens masse bøyer lyset fra fjerne galakser – et fenomen kalt gravitasjonslinse – og det påvirker hastigheten på stjerner rundt deres galaksekjerner. Så lenge vi kan måle gravitasjonen, vet vi at mørk materie eksisterer, selv om vi ikke helt forstår hva det er eller hvilke partikler det består av.

Mørk energi – universes ukjente akselerator

Hvis mørk materie er det som holder galakser sammen, hva er det som får univers til å ekspandere raskere og raskere? Det er spørsmålet som gjorde alt enda verre for kosmologene. I 1998 oppdaget astronomer Saul Perlmutter, Brian Schmidt og Adam Riess ved observasjon av fjerne supernovaer at univers ekspansjon accelererer. Dette var helt overraskende, fordi alle forventet at gravitasjonen skulle bremse ekspansjonen over tid. Dette resultatet var så overraskende at det ga dem Nobelprisen i fysikk i 2011. Det betyr at noe trekker univers fra hverandre, noe som er sterkere enn gravitasjonen som prøver å holde alt sammen. Vitenskapsmennene kalte denne gåtefulle kraften for mørk energi, og den utgjør rundt 68 prosent av univers samlet innhold.

Hva er mørk energi, egentlig? Det finnes flere teorier, og ingen er helt sikre. Den vanligste er at det er noe kalt «kosmologisk konstant» – en slags energi som fyller hele rommet, som forblir konstant overalt og til alle tider og i all evighet. Denne idéen stammer fra Albert Einstein selv, som introduserte det kosmologiske leddet i sine gravitasjonsligninger i 1917. Einstein trodde univers skulle være statisk og uforanderlig, og han trengte dette leddet for å forhindre at univers kollapset inn på seg selv under sin egen gravitasjon. Siden ombestemte han seg og kalte det «den største feilen i karrieren min», men det viste seg at Einstein kanskje hadde rett hele tiden – bare ikke av de grunnene han mente. Mørk energi og den kosmologiske konstanten ser ut til å være samme fenomen.

En annen teori kalles «kvintessensen», som er en dynamisk kraft som endrer seg over tid og rom. I motsetning til den kosmologiske konstanten, som er fast og konstant, kunne kvintessensen være en energifeld som varierer – omtrent som et elektromagnetisk felt eller gravitasjonsfeltet, men som fyller hele univers og driver ekspansjonen. Det ville forklare noen av de små avvikene som astronomer observerer fra modellen med den kosmologiske konstanten. Uansett hvilken teori som er korrekt, vet vi at noe enormt driver universes akselererte aparthet, og det er mulig det er den viktigste oppdagelsen i fysikk på slutten av 1900-tallet. Vi er bokstavelig talt omgitt av en kraft som vi ikke forstår fullt ut.

Tallet som endret alt

Mørk materie og mørk energi er ikke bare små korreksjoner – de utgjør nesten hele univers. Her er tallene som astrofysikere og kosmologer bruker daglig i sin forskning og modeller:

Hvordan oppdaget vi mørk materie og mørk energi?

Historien begynner ikke med universets ekspansjon, men med rotasjonen av vår egen galakse, Melkeveien. Astronomers observasjoner av stjernenes hastigheter rundt galaksens sentrum viste noe merkelig og forvirrende: stjernene ved kanten av galaksen beveger seg like raskt som de som ligger nærmere sentrum. Basert på newtonsk mekanikk skulle stjernene ved den ytre kanten bevege seg mye saktere, fordi det er mindre masse som trekker dem inn mot sentrum fra galaksens kjerne. Men de gjorde ikke det – de roterte raskere enn fysikken sa de burde. Fritz Zwicky, en sveitsisk-amerikansk astronom som jobbet på Caltech i Pasadena, konkluderte at det måtte finnes masse som vi ikke kunne se eller observere direkte – og han gav den navnet som vi bruker den dag i dag: «dark matter».

Etter Zwickys første forslag tok det lang tid før meget som astrofysikere tok denne hypotesen på alvor. Det var først på 1970-tallet, da Vera Rubin gjorde sine berømte observasjoner av galaksers rotasjonshastigheter, at beviset for mørk materie ble nesten umulig å fornekte eller kritisere. Rubin målte hvordan stjernene i spiralgalakser roterte rundt sine sentre, og hennes data støttet helt Zwickys konklusjon fra flere tiår tidligere. Hennes arbeid ble anerkjent i dag som et av de viktigste i astronomiens historie, selv om hun ikke fikk Nobelprisen for det fordi hun døde i 2016 før prisen kunne deles ut. Hennes forskning åpnet helt døren for en helt ny forståelse av univers og dets sammensetning.

Mørk energi kom som en helt overraskelse på slutten av 1990-tallet, da supernova-observasjoner forundret vitenskapsmennene med beviset for akselerert ekspansjon. Dette resultatet motsatte all tidligere forventning og all teorien som fysikere hadde lært gjennom hele 1900-tallet. I løpet av få år ble mørk energi fra en spekulativ idé til en etablert del av den kosmologiske modellen som alle astronomer bruker. Kombinasjonen av mørk materie og mørk energi gav fysikerne et helt nytt og radikalt bilde av univers – en der vi er omgitt av krefter og partikler vi ikke fullt forstår, og der bare fem prosent av alt som finnes, er vanlig materie som vi kan direkte observere og studere med våre instrumenter.

Deteksjonsteknologi – hvordan jakter forskere?

Å finne mørk materie er som å lete etter nålen i høystakken – en nål som kanskje ikke engang eksisterer, eller som oppfører seg helt annerledes enn noen forventet fra fysikken. Forskerne bruker flere strategier parallelt rundt om i verden. En av de eldste og mest velprøvde metodene er gravitasjonslinse, der vi studerer hvordan lyset fra fjerne galakser blir bøyd og forvrøvlet av gravitasjonen fra mørk materie som ligger mellom oss og dem i univers. En annen metode er å lete etter direkte kollisjoner mellom mørke materiens partikler ved hjelp av veldig følsomme detektorer plassert dypt under jorden, langt fra kosmisk stråling som kunne skape falske signaler og forstyrrelser. Et tredje tilnærming er å søke etter aksioner ved hjelp av spesielle eksperimenter som ADMX – Axion Dark Matter eXperiment.

Det finnes også indirekte metoder som blir stadig mer sofistikerte og nøyaktige. Astronomer kan lete etter tegn på at mørk materie kolliderer med seg selv eller henfalderflende seg til andre partikler som vi kan måle. Slike hendelser kunne muligens produsere gammastråling, eller neutriner, eller andre former for energi som teleskoper på Jorden eller i rommet kan detektere og måle. Observatorier som Fermi-teleskopet eller de avanserte gravitasjonsteleskopene som LIGO – som faktisk først oppdaget gravitasjonsbølger fra kolliderende sorte hull – kan brukes aktivt til denne jakten. Det finnes tusenvis av forskere spredt over hele verden som dedikerer hele karrierene sine til denne utrolige jaktenen og mysteriet.

Nylig har kunstig intelligens og maskinlæring blitt brukt mer og mer aktivt for å analysere massive mengder data fra observasjonene. Avanserte algoritmer og nevronnett kan gjenkjenne mønstre som mennesker kanskje ville oversett eller ikke oppdaget. Dette har gjort det mulig for forskere å analysere milliarder av galakser på kort tid, og finne de mest sannsynlige kandidatene for hvor mørk materie samler seg og konsentrerer seg mest. Denne kombinasjonen av klassisk observasjonell astronomi med moderne datavitenskap og maskinlæring er en av de mest spennende trendene innen feltet akkurat nå.

Fem viktige konsepter du må kjenne

For å forstå debatten omkring mørk materie og mørk energi, og følge med på det som skjer innen forskningen, er det nyttig og viktig å ha disse termene og konseptene helt klare:

• Gravitasjonslinse: Fenomenet der tyngdekraften bøyer og forvrøvler lyset fra fjerne objekter rundt univers, som gjør det mulig å kartlegge fordelingen av mørk materie i området.
• WIMPs: En forkortelse for Weakly Interacting Massive Particles, den mest populære teorien for hva mørk materie består av og oppfører seg som.
• Aksioner: Hypotetiske ultralette partikler som kunne gjøre opp en betydelig andel av mørk materien som vi ikke kan observere direkte.
• Kosmologisk konstant: Energien som fyller hele rommet og driver universs akselererte ekspansjon fra slutten av 1900-tallet.
• Kvintessensen: En dynamisk energifeld som kunne variere over tid og rom, som en alternativ teori til den statiske kosmologiske konstanten.
• Lambda-CDM-modellen: Den mest aksepterte kosmologiske modellen i dag, som inkluderer både mørk materie og den kosmologiske konstanten.

Vanlige misforståelser om mørk materie

En av de største og mest utbredte misforståelsene er at mørk materie er det samme som antimaterie. Det er det ikke – det er to helt forskjellige fenomener. Antimaterie er materie som har motsatt elektrisk ladning av vanlig materie – for eksempel, for hver elektron finnes det en positron med motsatt ladning. Når materie og antimaterie møtes, blir de begge utslettet i en energisk eksplosion som frigjør enorm energi. Hvis det hadde vært like mye antimaterie som vanlig materie fra Big Bang, ville hele univers være forsvunnet i et kjempeflash av lys for milliarder av år siden. Mørk materie er noe helt annet fra antimaterie – det er materie som ikke samvirker med elektromagnetisk stråling, og det har ingen antipartikkel i tradisjonell forstand.

En annen vanlig feil som mange gjør er å tro at mørk materie bare er vanlig materie som er veldig kaldt og derfor ikke utstråler eller reflekterer lys. Hvis det bare var veldig kaldt stoff – som asteroider, planeter, nedslukket stjerner eller kjempestore sorte skyer av gass – ville det absorbere og reflektere lys fra naboobjekter, og vi kunne detektere denne absorpsjonen gjennom observasjoner. Men det gjør det ikke – ingen slik absorpsjon er observert. Og dessuten, selv om alt stjernestoffet i hele univers var samlet sammen i sort materie, ville det bare utgjøre en svak brøkdel av det vi observerer som mørk materiales gravitasjonseffekt. Mørk materie er definitivt noe helt nytt og fundamentalt annerledes.

En tredje vanlig misforståelse er at mørk energi og mørk materie er relaterte eller kan bli slått sammen og er det samme fenomenet. De oppfører seg totalt ulikt på alle måter. Mørk materie trekker sammen på grunn av gravitasjon og samler seg rundt galakser og galaksehoper. Mørk energi driver ekspansjonen av univers fra hverandre med økende hastighet – det oppfører seg som et antikraft og er omtrent som at de to er fiender eller motstandere, ikke allierte. De finnes rundt oss samtidig overalt, men de påvirker univers på helt motsatte måter. At de begge er «mørkhe» og usynlige er ikke en fysisk forbindelse – det er bare fordi vi ikke kan se noen av dem direkte gjennom teleskoper.

Hva vet astrofysikere med sikkerhet

Selv om mørk materie og mørk energi fortsatt er store mysterier som reiser nye spørsmål, har forskningen over de siste tiår gitt oss noen veldig solide og pålitelige fakta som alle astronomer er enige om:

Forskningen går fremover – hva venter oss i de neste årene

De neste årene vil se en enorm eksplosion av nye instrumenter, metoder og observasjoner som aldri før. Vera Rubin-observatoriet – tidligere kalt LSST (Large Synoptic Survey Telescope) – som nå bygges i Chile, vil ta digitale bilder av milliarder og atter milliarder av galakser og kartlegge distribusjonen av mørk materie over hele kjent univers med usett presisjon. James Webb Space Telescope (JWST) har allerede begynt å se på de eldste og mest fjerne galaksene fra da univers bare var 300 millioner år gammelt, og gir oss muligheten til å forstå hvordan mørk materie påvirket dannelsen av de første galaksene som dannet seg rett etter Big Bang. Disse observatoriene vil generere enorme mengder data som vil holde tusenvis av forskere sysselsatt i tiår.

På laboratoriet er det gjort betydelige forbedringer og fremskritt i sensitiviteten av detektorene for direkte deteksjon av mørk materie-partikler. Eksperimenter som LUX-ZEPLIN (LZ), som er en av verdens mest følsomme og avanserte mørk materie-detektorer med kjempestore detektormasser, fortsetter å søke aktivt etter WIMPs under tusen meter under jordoverflaten. Hvert eneste år blir detektorene bedre og mer følsomme, og selv om vi ennå ikke har funnet og bekreftet mørk materie-partikler direkte i laboratoriet, blir sannsynligheten større for hver år. Noen forskere anslår at vi kan ha en bekreftet deteksjon innen fem til ti år. Andre er mer forsiktige og skeptiske. Men alle er enige om at jakten fortsetter med fulle krefter.

Et helt nytt felt som vokser raskt med stor interesse er teorien om «wave dark matter» eller «fuzzy dark matter» – en teori som foreslår at mørk materie oppfører seg som bølger og kvantum-felt i stedet for som tradisjonelle partikler. Denne ideen har begynt å tiltrekke seg alvorlig oppmerksomhet fra både teoretikere og eksperimentatorer rundt om i verden, og det kan føre til helt nye og originale måter å søke etter og oppdage mørk materie på. Romteleskoper av neste generasjon, samt gravitasjonsteleskoper som kommer i årene fremover, vil tilby helt nye og revolusjonerende perspektiver på disse problemene og mysteriene.

Hvordan du kan følge med selv på denne spennende forskningen

Hvis du er fasinert og nysgjerrig på mørk materie og mørk energi, er det mange tilgjengelige og interessante måter du kan følge med på den nyeste forskningen og funnene. Start med nettsteder som NASA.gov eller ESA.int, som publiserer pressemelding og fantastiske bildene fra moderne teleskoper som Hubble og James Webb regelmessig. Populærvitenskapelige bøker som «The Four Pillars of the Universe» eller «Dark Matter and Cosmic Expansion» gir utmerkede introduksjoner uten at det kreves avansert matematikk eller fysikk fra leseren. Podkaster dedikert til astronomi og kosmologi, som «StarTalk» ledet av Neil deGrasse Tyson og «Cosmos: Possible Worlds», diskuterer disse emnene regelmessig og på en engasjering måte.

Har du interesse i mer dybdegående og teknisk materiale, kan du besøke universiteter som tilbyr online-kurs og MOOCs i kosmologi og astrofysikk – mange av disse er gratis og av høy kvalitet. YouTube-kanaler som Kurzgesagt eller CrashCourse har unntak videoer av høy kvalitet som forklarer mørk materie og mørk energi på en visuelt engasjert og forståelig måte for alle nivåer. Hvis du virkelig vil dykke dypt ned i den tekniske og akademiske siden, kan du lese forskningsartikler direkte fra astrofysikere – mange publiserer sine arbeider åpent og fritt på ArXiv.org, et repository for preprints av forskningsartikler fra hele verden.

Endelig, hvis du leter etter en ekte og praktisk astronomisk opplevelse, kan du besøke lokale planetarier eller astronomiklubbene som finnes over hele Norge fra nord til sør. Mange arrangerer observeringskvelder og presentasjoner om de nyeste oppdagelsene innen astronomi og romforskning. En eller annen observasjonsklubb sannsynligvis har medlemmer som jobber profesjonelt med eller interesserer seg dyypt for mørk materie – og de gleder seg til å dele sitt kunnskap med entusiaster og nybegynnere som deg.