Mørk materie og energi: univers mørkeste hemmeligheter

Univers mørkeste mysterium venter på oppklaring

Man har antakelig hørt at stjerner og planeter bare utgjør en liten del av universet. Ifølge Store norske leksikon om mørk energi utgjør mørk energi omtrent 68 prosent og mørk materie omtrent 27 prosent av innholdet, mens vanlig materie utgjør resten. Denne mørke materien og mørke energien har fascinert astrofysikere i flere tiår. Artikkelen går gjennom hva forskerne vet om univers mørkeste hjørner, og hvordan de prøver å løse gåtene.

Universet utvider seg, og utvidelsen akselererer. Ifølge Store norske leksikon om Georges Lemaître ble den akselererte utvidelsen oppdaget i 1998 ved observasjoner av fjerne supernovaer. Oppdagelsen ga Saul Perlmutter, Brian Schmidt og Adam Riess Nobelprisen i fysikk i 2011. Forskere hadde tidligere trodd at tyngdekraften skulle bremse utvidelsen, men observasjonene viste at noe får universet til å utvide seg raskere. Dette skapte store utfordringer for fysikken, fordi det viste at forståelsen av universet var ufullstendig.

I dag vet man at noe usynlig utgjør mesteparten av alt som finnes. Mørk materie sender ikke ut stråling, og kan ikke observeres direkte. Mørk energi er jevnt fordelt, fyller universet og forårsaker frastøtende gravitasjon. Siden observasjonene av akselerert utvidelse har forskningen blitt intensivert, og astronomer over hele verden jobber med å forstå disse fenomenene.

Mørk materie – universes usynlige klister

Tenk deg at man ser på en karusell som spinner svært raskt. Menneskene på hestene burde fly av på grunn av sentrifugalkraften, men de sitter fast. Det er en god analogi for hvordan astronomer tenker om galakser. Stjernene man kan se, roterer rundt galaksens sentrum så raskt at de burde flytte vekk dersom bare den synlige massen talte, men det gjør de ikke.

Den sveitsisk-amerikanske astronomen Fritz Zwicky observerte at galaksene i Comahopen beveget seg for raskt i forhold til den synlige massen. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie publiserte han funn i en vitenskapelig artikkel i 1937, og konkluderte med at det måtte finnes over 400 ganger mer materie enn den lysende materien som kunne observeres. Astronomene tok til å begynne med ikke mye notis av konklusjonen hans.

Ifølge Store norske leksikon om mørk materie fikk forskningen vind i seilene først i 1970-årene. Da kartla de amerikanske astronomene Vera Rubin og William Kent Ford jr. bevegelsene til stjerner i nærliggende galakser, og viste at stjernene i spiralgalakser beveget seg for fort. Rubins observasjoner viste at stjernene i de ytre områdene beveget seg minst like raskt som stjernene nærmere sentrum. Med en så høy hastighet burde stjernene ha blitt slynget ut, men det skjer ikke. Konklusjonen var at det finnes store mengder usynlig materie i galaksene.

Ifølge Store norske leksikon om mørk energi utgjør mørk materie omtrent 27 prosent av universets innhold. Den er ikke observert direkte i laboratoriet, men forskerne vet at den finnes fordi man kan måle gravitasjonseffekten. Mørk materie bøyer lyset fra fjerne galakser – et fenomen som kalles gravitasjonslinse – og den påvirker hastigheten til stjerner i galaksene.

Mørk energi – universes ukjente akselerator

Hvis mørk materie er det som holder galakser sammen, hva er det som får universet til å utvide seg raskere? Dette var helt uventet, fordi tyngdekraften var forventet å bremse utvidelsen. Mørk energi er den vanligste forklaringen på den akselererte utvidelsen, og ifølge Store norske leksikon om mørk energi utgjør den omtrent 68 prosent av universets innhold.

Den vanligste forklaringen på mørk energi er den kosmologiske konstanten. Ifølge Store norske leksikon om kosmologisk konstant introduserte Albert Einstein den kosmologiske konstanten i 1917 for å beskrive et statisk univers. Han oppdaget at et statisk univers ville kollapse på grunn av gravitasjonen, og la til konstanten Λ for å motvirke dette. Senere har fysikerne forstått konstanten som et uttrykk for en vakuumenergi det ikke er mulig å måle hastighet i forhold til. I vår tid kan en slik energi omtales som en Lorentz-invariant vakuumenergi, eller LIVE. Ifølge Store norske leksikon om kosmologisk konstant kan universets mørke energi være av typen LIVE, og da har den konstant tetthet til tross for universets utvidelse.

Det finnes også andre modeller for hva mørk energi kan være. Ifølge Store norske leksikon om mørk energi er én mulighet at den er en form for Higgs-energi. Uansett hvilken modell som er riktig, mener de fleste kosmologer at universet må inneholde mørk energi i en eller annen form. Den mørke energien har stor betydning for forståelsen av hvordan universets utvidelseshastighet har endret seg i løpet av historien.

Fordelingen av universets innhold

Ifølge Store norske leksikon om mørk energi utgjør mørk energi omtrent 68 prosent av universets innhold, mørk materie omtrent 27 prosent, og vanlig materie utgjør resten.

Hvordan ble mørk materie og mørk energi oppdaget?

Historien om mørk materie begynner med observasjoner av galaksehoper. Fritz Zwicky studerte Comahopen og fant at galaksene beveget seg for raskt til at den observerte, lysende materien kunne gjøre rede for bevegelsen. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie publiserte han en artikkel i 1937 der han konkluderte med at det måtte finnes over 400 ganger mer materie enn det som kunne observeres. Han foreslo også å bruke gravitasjonslinser for å studere den usynlige massen.

Astronomene tok ikke mye notis av funnene til Zwicky i begynnelsen. Vera Rubin og William Kent Ford jr. kartla bevegelsene til stjerner i nærliggende galakser, og viste at stjernene i de ytre områdene av spiralgalakser beveget seg minst like raskt som stjernene nær sentrum. Konklusjonen var at det finnes store mengder usynlig materie. Rubin ble ofte nevnt som kandidat til Nobelprisen i fysikk, men fikk den aldri. Ifølge Store norske leksikon om Vera Rubin døde hun i 2016.

Dette motsatte tidligere forventninger. Ifølge Store norske leksikon om mørk energi regner man med at mørk energi nå utgjør omtrent 68 prosent av universets innhold, mens mørk materie utgjør omtrent 27 prosent. Bare en liten del er vanlig materie.

Deteksjonsteknologi – hvordan jakter forskere?

Forskere bruker flere strategier for å lete etter mørk materie. En metode er å studere gravitasjonslinser, der lyset fra fjerne galakser bøyes av massen fra mørk materie som ligger i rommet mellom observatøren og de fjerne galaksene. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie begynte forskerne omkring år 2000 å bruke denne effekten til å kartlegge fordelingen av mørk materie i universet. En annen tilnærming er å lete etter aksioner, hypotetiske partikler som kan utgjøre mørk materie. Ifølge Store norske leksikon om aksioner er det bygget spesialiserte eksperimenter som ADMX ved Universitetet i Washington og CERNs Axion Solar Telescope (CAST), som var i drift fra 2003 til 2022. Felles for disse eksperimentene er at de bruker sterke magnetfelter for å gjøre mulige aksioner om til lys som kan måles.

Det pågår også et direkte søk etter mørke materie-partikler. Ifølge en rapport fra APPEC-komiteen anbefales det å fortsette det direkte søket etter mørk materie. Selv om man ennå ikke har observert mørk materie direkte i laboratoriet, gir observasjoner av galakser og galaksehoper stadig sterke indikasjoner på at den finnes.

Prosjektilhopen, også kjent som Bullet cluster, var det første bildet der man kunne se direkte hvordan mørk materie skilte seg fra vanlig materie. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie viser bildet to galaksehoper som har kollidert, der gassen fra vanlig materie ble bremset opp, mens mørk materien passerte rett gjennom.

Viktige konsepter å kjenne til

For å forstå debatten om mørk materie og mørk energi, er det nyttig å ha disse konseptene klare:

• Gravitasjonslinse: Fenomenet der tyngdekraften fra masse bøyer lyset fra fjerne objekter, og som gjør det mulig å kartlegge fordelingen av mørk materie.
• Aksioner: Ifølge Store norske leksikon om aksioner ble disse hypotetiske partiklene foreslått i 1978 og kan løse problemer i standardmodellen og utgjøre mørk materie.
• Kosmologisk konstant: Ifølge Store norske leksikon om kosmologisk konstant introduserte Einstein denne konstanten i 1917, og den kan i dag representere tettheten til mørk energi.

Vanlige misforståelser om mørk materie

En utbredt misforståelse er at mørk materie er det samme som antimaterie. Det stemmer ikke; de er to helt forskjellige fenomener. Mørk materie sender ikke ut stråling og vekselvirker ikke på samme måte som antimaterie.

En annen feil er å tro at mørk materie bare er vanlig materie som er kaldt og mørkt. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie har forskning vist at mørk materie ikke kan bestå av vanlig materie. Mange forskere tror i stedet at den består av en ny type partikkel som ennå ikke er observert.

Det er også feil å tro at mørk energi og mørk materie er det samme fenomenet. Mørk materie trekker sammen på grunn av gravitasjon og hjelper til med å holde galakser og galaksehoper sammen. Mørk energi får universet til å utvide seg raskere på grunn av frastøtende gravitasjon. De påvirker universet på motsatte måter.

Hva vet astrofysikere med sikkerhet

Selv om mørk materie og mørk energi fortsatt er store mysterier, har forskningen gitt noen solide fakta som astronomer er enige om.

Forskningen går fremover – hva som venter i årene fremover

Nye observasjoner og eksperimenter vil fortsette å kaste lys over mørk materie og mørk energi. Ifølge Lille norske leksikon om mørk energi har satellitten Euclid som mål å kartlegge mørk energi og mørk materie i universet, blant annet ved å ta bilder av tusenvis av galakser.

På laboratoriet pågår det direkte søk etter mørke materie-partikler. Ifølge Store norske leksikon om aksioner leter eksperimenter som ADMX etter aksioner ved hjelp av sterke magnetfelter.

Selv om mange spørsmål fortsatt er ubesvart, er de fleste kosmologer enige om at universet inneholder både mørk materie og mørk energi. Fremtidige observasjoner vil teste modellene og kanskje gi svar på hva den usynlige massen og energien egentlig er.

Hvordan man kan følge med selv på denne spennende forskningen

Man kan følge med på ny forskning om mørk materie og mørk energi gjennom populærvitenskapelige artikler, bøker og dokumentarer. Mange universiteter og forskningsinstitusjoner publiserer tilgjengelige oppsummeringer av nye funn.

Nettkurs i kosmologi og astrofysikk finnes på flere nivåer, og gir mulighet til å fordype seg i emnet. Videoer og podkaster om astronomi forklarer ofte komplekse temaer på en enkel måte.

Lokale planetarier og astronomiklubber arrangerer ofte foredrag og observasjonskvelder. Det kan være en god måte å lære mer om universet og de nyeste oppdagelsene på.