Mørk materie: Fra teori til praksis for fagfolk

Mørk materie og mørk energi – usynlige deler av universet

Når astronomer studerer galakser, finner de at stjernene beveger seg raskere enn den synlige massen tilsier. Ifølge Store norske leksikon om Fritz Zwicky observerte Zwicky i 1933 at massen i galaksehoper var mye større enn luminositeten tilsa. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie publiserte han i 1937 en vitenskapelig artikkel om sine funn. Først i 1970-årene kom Vera C. Rubin og William Kent Ford jr. til liknende konklusjoner om stjernene i spiralgalakser. Dette førte til innsikten om at det finnes mørk materie — usynlig masse som påvirker omgivelsene med tyngdekraft. Ifølge Store norske leksikon utgjør mørk energi omtrent 68 prosent av universets innhold og mørk materie omtrent 27 prosent, mens vanlig materie utgjør resten. Sammen utgjør disse fenomenene en sentral gåte i moderne astrofysikk. For fagfolk innen programmering, ingeniørfag og dataanalyse finnes det muligheter til å bidra med verktøy og analyser.

Denne artikkelen handler om hvordan du som fagperson kan forstå og arbeide med disse spørsmålene. Du kan lære om observerbare effekter av mørk materie, åpne datasett fra store teleskop, og hvilke kompetanser som etterspørres. Enten du er programmerer, ingeniør eller gründer, finnes det områder hvor du kan bidra.

Hva er mørk materie og mørk energi egentlig?

Mørk materie er en type stoff i universet som man ikke kan se, fordi den ikke gir fra seg lys eller reflekterer lys, ifølge Lille norske leksikon. Forskere har ikke funnet ut hva den mørke materien egentlig er, men mange tror den består av en ny type partikkel som ikke er observert ennå. Selv om man ikke kan se den, kan man se at tyngdekraften påvirker ting i nærheten. Når forskerne legger sammen tyngdekreftene fra alle himmellegemene de kan se i en galakse, er det ikke nok til å holde igjen de ytterste stjernene. Det må finnes noe mer som hjelper til. Ifølge Store norske leksikon fant Zwicky at det måtte være over 400 ganger mer materie i galaksehopen enn den observerbare materien for at gravitasjonsfeltet skulle være sterkt nok til å holde hopen sammen. Senere fant Rubin og Ford at stjernene i spiralgalakser beveger seg for fort, og at det måtte være mye mer mørk materie enn lysende materie — ellers ville galaksene ha løst seg opp.

Mørk energi er en type energi som fyller hele universet og ikke sender ut lys, ifølge Lille norske leksikon. Ifølge Store norske leksikon ble det i 1998 oppdaget at universets ekspansjon øker i hastighet. Denne akselerasjonen kan forklares som et resultat av frastøtende gravitasjon, noe Einsteins generelle relativitetsteori tillater, men som Newtons gravitasjonsteori ikke kan forklare. Mørk energi kjennetegnes ved et negativt trykk og oppfører seg som en motsett tyngdekraft som presser materie fra hverandre. Ifølge Store norske leksikon regner man med at mørk energi nå utgjør omtrent 68 prosent av universets innhold, mens mørk materie utgjør omtrent 27 prosent og resten vanlig materie.

Hvorfor er dette feltet viktig nå?

Forskningen på mørk materie fikk vind i seilene først i 1970-årene, ifølge Store norske leksikon, da Vera C. Rubin og William Kent Ford jr. kartla stjerners bevegelser. Siden har observasjonell astronomi utviklet seg raskt. Nye teleskop og store datamengder gir stadig bedre muligheter for analyse. For fagfolk innen data og teknologi betyr dette en voksende sektor hvor det trengs verktøy for å håndtere og tolke observasjoner.

Du kan bidra uten å være astrofysiker. Programmerere, dataforskere og ingeniører kan bygge analyseverktøy, arbeide med åpne data eller utvikle deteksjonsteknologi. Borgerforskning gjennom plattformer som Zooniverse gjør det mulig for frivillige å hjelpe forskere med mønstergjenkjenning i autentiske data, uten spesialistbakgrunn.

Tallene bak det usynlige universet

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. Ifølge Store norske leksikon om mørk materie er den kritiske massetettheten i universet omtrent 10–26 kg/m³, det vil si omtrent ti hydrogenatomer per kubikkmeter, basert på målinger av Hubble-parameteren med omtrent 1,3 prosent nøyaktighet per 2019. Ifølge Store norske leksikon om mørk energi er universet omtrent 13,8 milliarder år gammelt, og for omtrent seks milliarder år siden ble tettheten av mørk energi større enn materiens tetthet, slik at den frastøtende gravitasjonen begynte å akselerere utvidelsen.

Observasjonsmetoder du kan bruke

Den enkleste måten å merke effektene av mørk materie på, er å studere hvordan stjerner og galakser beveger seg. Astronomer måler hastigheten til stjerner i galakser og finner at de ytterste stjernene beveger seg raskere enn den synlige massen tilsier. Senere kartla Rubin og Ford bevegelsene i spiralgalakser og kom til samme konklusjon.

En annen kraftfull metode er gravitasjonslinser. Ifølge Store norske leksikon foreslo Zwicky allerede å bruke den gravitasjonelle linseeffekten for å studere mørk materie. Det er den totale massen som betyr noe for hvor mye lyset avbøyes, ikke bare den lysende materien. Observasjoner av gravitasjonslinser forteller derfor om fordelingen av både vanlig materie og mørk materie. Prosjektilhopen, også kjent som Bullet cluster, var det første bildet der man kunne se direkte hvordan mørk materie skilte seg fra vanlig materie etter en kollisjon mellom to galaksehoper.

Store teleskop gir tilgang til data av høy kvalitet. Keck-teleskopene på Mauna Kea i Hawaii ble satt i drift i 1993 og 1996 og har primærspeil med 36 segmenter, ifølge Store norske leksikon. Very Large Telescope (VLT) på Cerro Paranal i Chile består av fire teleskoper med 8,2 meter diameter hver, ifølge Store norske leksikon. European Extremely Large Telescope er planlagt med et 39,3 meter stort hovedspeil og 798 segmenter, ifølge Store norske leksikon. Rubin-observatoriet i Chile har ifølge Rubin Observatory et 8,4 meter stort teleskop og skal gjennomføre den ti år lange Legacy Survey of Space and Time (LSST), som vil avbilde milliarder av objekter og samle omkring 800 bilder av hvert punkt på himmelen. Observatoriet kan kartlegge hele den synlige himmelen på bare tre netter.

Karrierer innen mørk materie: hva kan du bli?

Hvis du ønsker å arbeide med mørk materie, har du flere veier å gå. Den klassiske er å studere astrofysikk eller astronomi, men du kan også komme fra fysikk eller matematikk. Du kan være programmerer eller dataforsker og lære astrofysikken gjennom kurs og selvstudium. Mange prosjekter trenger folk som kan programmere og samtidig forstå vitenskapelig litteratur, fordi det er en sjelden kombinasjon. Ifølge Reports on Progress in Physics anbefaler forskere det direkte søket etter mørk materie-partikler, noe som krever både teoretisk og eksperimentell kompetanse.

Nybegynner versus ekspert: Hva er forskjellen?

En nybegynner starter ofte med en generell interesse for astronomi og lærer seg å bruke teleskop. For å komme videre mot mørk materie må du forstå hvordan man måler bevegelser i galakser og tolker gravitasjonelle effekter. Det tar tid å samle nok data til å se rotasjonsmønstrene som avslører mørk materie.

En ekspert bruker allerede innsamlede datasett fra store observatorier. Hun eller han bygger modeller, bruker statistiske metoder og kjenner instrumentenes begrensninger og systematiske feil. Ekspertisen består av å integrere mange små kunnskapsbiter for å gi riktige svar, og krever år med erfaring.

Borger-vitenskapelige prosjekter — bidra fra hjemmet

Borger-vitenskap betyr at vanlige mennesker bidrar til ekte vitenskapelig forskning. Du trenger ikke doktorgrad eller dyrt utstyr — bare en datamaskin og internett. Ifølge Zooniverse er plattformen verdens største for forskning drevet av frivillige, og målet er å muliggjøre forskning som ellers ikke ville vært praktisk. Du trenger ingen spesialistbakgrunn for å delta, og du kan studere autentiske data som bilder av fjerne galakser. Frivilliges innsats fører til nye oppdagelser, datasett og publikasjoner.

Ifølge Zooniverse har Zooniverse-prosjekter siden 2007 ført til mange uventede og vitenskapelig viktige oppdagelser. Frivillige har i flere tilfeller gjort helt uventede funn. For deg som fagperson kan dette være en inspirasjon til hvordan crowd-sourcing kan løse problemer som er vanskelige å automatisere fullstendig.

Arbeid med mørk materie

Arbeidsplasser innen observasjonell astronomi og kosmologi finnes over hele verden. Forskere arbeider ved universiteter, nasjonale observatorier og internasjonale samarbeid. Store prosjekter som Rubin-observatoriet i Chile og det planlagte Extremely Large Telescope trenger folk innen både teknologi og dataanalyse. Ifølge Zooniverse kan også frivillige bidra fra hvor som helst.

Vanlige misforståelser — og hva som faktisk er sant

Her er noen misforståelser som ofte dukker opp, og hva kildene sier om dem.

• Man vet allerede hva mørk materie er: Nei, det er fortsatt en åpen gåte. Ifølge Lille norske leksikon har forskere ikke funnet ut hva den mørke materien egentlig er, men mange tror den består av en ny type partikkel.
• Mørk materie kan aldri observeres direkte: Ikke nødvendigvis. Ifølge Reports on Progress in Physics anbefaler forskere det direkte søket etter mørk materie-partikler, noe som innebærer at direkte deteksjon er et mål.
• Mørk energi er det samme som vakuum-energi: Det finnes flere modeller. Ifølge Store norske leksikon er én mulighet at mørk energi er en form for vakuumenergi knyttet til Higgs-feltet, men det er ikke avgjort.
• Mørk materie og energi er bare tomme ord for «man vet ikke»: Nei, begge har målbare effekter. Ifølge Store norske leksikon påvirker mørk materie galaksers rotasjon og bevegelser i galaksehoper. Ifølge Store norske leksikon kan den mørke energiens frastøtende gravitasjon forklare den observerte akselerasjonen av universets ekspansjon.

Verktøy og ressurser du begynner med i dag

For å arbeide med astrofysikkdata trenger du først programmeringsferdigheter. Python er mye brukt i astronomi. Du bør lære deg å hente og prosessere åpne data fra observatorier, bygge analysepipelines og visualisere resultater. Det finnes åpne prosjekter hvor du kan studere kode og metoder som profesjonelle bruker. Maskinlæring blir stadig viktigere for å klassifisere store datamengder, men du starter med enkle statistiske metoder og gradvis mer avanserte modeller.

Hva gjør bedrifter innen dette feltet?

Bedrifter og institusjoner bidrar innen flere ledd. Moderne observatorier genererer enorme datamengder som må lagres og prosesseres. Ifølge Rubin Observatory vil LSST levere et datasett på 500 petabyte med bilder og dataprodukter, noe som stiller store krav til datahåndtering. En annen retning er borgerforskning: Zooniverse er verdens største plattform for forskning drevet av frivillige og gjør det mulig for frivillige å bidra til ekte forskning fra egen datamaskin.

Teleskopbygging er også en viktig næring. Ifølge Store norske leksikon bruker moderne store teleskoper aktiv optikk og segmenterte speil, som hos Keck-teleskopene og VLT. Extremely Large Telescope er planlagt med et 39,3 meter stort hovedspeil og 798 segmenter, ifølge Store norske leksikon. Slike teknologier krever ingeniører og programmerere som kan utvikle og vedlikeholde instrumentene.

Hva skjer de neste årene?

Neste generasjon av teleskoper er under utvikling eller planlegging. Rubin-observatoriet i Chile skal gjennomføre den ti år lange Legacy Survey of Space and Time (LSST), som vil avbilde milliarder av objekter i seks farger og dekke over halvparten av himmelen, ifølge Rubin Observatory. European Extremely Large Telescope er planlagt med et 39,3 meter stort hovedspeil satt sammen av 798 segmenter, ifølge Store norske leksikon.

På deteksjonssiden anbefaler forskere ifølge Reports on Progress in Physics det direkte søket etter mørk materie-partikler. Selv om direkte deteksjon ennå ikke er oppnådd, vil forbedrede indirekte metoder — som studier av galakser og gravitasjonslinser — fortsette å gi bedre forståelse av hvor mye mørk materie som finnes og hvordan den er fordelt.

Dine konkrete første steg — start i dag

Hvis du er programmerer: lær Python og last ned åpne datasett fra romobservatorier. Lag et lite prosjekt hvor du visualiserer galaksedata eller analyserer lyskurver. Hvis du er astronom eller student: les grunnleggende kosmologi og lær om gravitasjonslinser og galaksers dynamikk. Meld deg på et borgerforskningsprosjekt på Zooniverse for å få erfaring med å klassifisere ekte data. Hvis du er gründer: se på hvor i verdikjeden det oppstår flaskehalser — for eksempel i analyse av massive datasett eller i visualisering av komplekse resultater.

Kontakt universiteter eller forskningsinstitutt i ditt område for å høre om seminarer eller veiledning. Les nye forskningsartikler for å holde deg oppdatert. Det viktigste er å starte nå: mørk materie-feltet trenger folk som er villige til å lære.