Mørk materie og mørk energi — hva er forskjellen?

95% av univers som er usynlig

Her er et tankeeksperiment for deg: hva hvis vi forteller deg at alt du ser — stjerner, planeter, mennesker, lys selv — utgjør bare 5% av univers? At resten består av stoffer som vi ikke kan se direkte, og som vi ikke helt forstår? Kunne du blitt skremt eller fascinert?

Det er nettopp situasjonen vi står overfor. Astronomene observerer at galakser roterer for raskt til at den synlige materien (stjerner og gass) kan holde dem sammen med sin tyngdekraft. Noe usynlig må gjøre det — noe de kalte mørk materie.

Men det var ikke slutten på mysteriet. I de siste 25 årene har observasjoner av fjerne supernova vist at universums ekspansjon akselererer. Noe driver universum fra hverandre med økende fart. Det må være en kraft eller energi vi ikke helt forstår — mørk energi.

Mørk materie — det usynlige limet

Mørk materie ble først foreslått i 1933 av svenske astronomen Fritz Zwicky, men det var først på 1970-tallet at ideen ble alvorlig tatt for. Astronom Vera Rubin observerte at stjerner i galakser roterte for raskt til at de skulle holde seg i banen basert på den synlige massen. Hun konkluderte at det måtte være usynlig materie rundt galakser — mørk materie.

Mørk materie interagerer med lys på samme måte som et svart hull, men den er ikke tett nok til å danne svart hull. Den har gravitasjonell virkning, men den reflekterer ikke eller absorberer lys. Den er ganske enkelt usynlig — men vi vet den er der fordi vi ser dens gravitasjonelle påvirkning på det vi kan se.

Det er et paradoks: vi vet ikke hva mørk materie er, men vi vet den utgjør 27% av univers. Jeg veit hvor mye av energi/massens og hvordan den distribueres. Men det er som å vite at noen bor i huset uten å ha møtt dem eller sett dem — du vet de er der fordi du hører tråkk og ser forandringer.

Tall og trender

Universums sammensetning er dramativ: vi ser bare en sjettedel av hva som finnes der.

Mørk energi — det som driver ekspansjon

På 1990-tallet observerte astronomer noe overraskende: fjerne supernovaer var svakere enn forventet. Det betydde at de var lenger unna enn de skulle ha vært. En forklaring var at universets ekspansjon hadde accelerert i stedet for å bremset ned. Noe drev det fra hverandre.

Albert Einstein kalte dette "den kosmologiske konstanten" eller lambdaen i hans likninger. Han introduserte det for å få universum til å være statisk, ikke ekspanderende eller kontraherende. Han tok det bort når Hubble viste at univers ekspanderer. Men kanskje Einstein hadde rett, bare av de feil grunner?

Mørk energi er ikke som mørk materie. Det oppfører seg ikke som ordinær materie eller energi. Det virker ikke å ha tetthet som varierer fra sted til sted — det er jevnt fordelt gjennom hele univers. Og i motsetning til materie som samler seg, virker mørk energi å skytte ting fra hverandre.

Konsekvenser for univers

For 13,8 milliarder år siden var univers en veldig tett, varm punkt. I de første millioner årene ekspanderte det veldig raskt, og så bremset det ned fordi mørk materie og vanlig materie trakk på det gravitasjonelt. Men for 5 milliarder år siden accelererte ekspansjonen igjen.

Dette betyr at fremtiden til univers er ikke én av sammenkollaps eller stabil ekspansjon. Det er en endeløs akselerering — tyngdekraften blir svakere og svakere sammenlignet med mørk energiens drivkraft. Til slutt vil galakser bevege seg så raskt fra hverandre at ingen (bortsett fra de i vår lokale gruppe) vil være synlig fra noen annen.

Denne skjebnen er kjent som "The Big Freeze" — ikke fordi det blir kaldt, men fordi univers blir så spredt ut og mørkt at det ikke vil være noen kilder for varme eller energi igjen, bare kaos og entropien.

Fortsatt store mysterier

Vi vet hvor mye mørk materie og mørk energi som finnes i univers. Men vi vet ikke hva de er. Teoretikere har foreslått mange mulige forklaringer. For mørk materie: WIMP-er (Weakly Interacting Massive Particles), aksioner, primordial svart hull, eller helt nye fundamentale partikler.

For mørk energi er mulighetene også mange: Einsteins kosmologiske konstant (som ville være et vakuums naturlig energi), en variabel energi kallt kvintessens, eller modifikasjoner til Einsteins gravitasjonsteori selv. Vi vet ikke engang hvor start skal gjøre.

Forskningen fortsetter verden over. Teleskoper blir større og mer følsomme. Partikkel-detektorer går dypere. Og kanskje en dag vil noen finne det futuristiske eksperimentet som avsløres hva mørk materie og mørk energi virkelig er. Det ville være en av vitenskapens største triumfer.

Fra en kosmolog

[]

"Vi lever i univers som er 95% mynster. Det er både ydmykende og inspirerende. Det betyr at vi har enormt mye igjen å lære."