De fem største mysteriene om mørk materie og energi

Det usynlige universet

Hvis du teller alt vi kan se med teleskoper — stjerner, planeter, galakser og gasser — utgjør det bare fem prosent av universet. De resterende 95 prosentene består av mystiske substanser som kalles mørk materie og mørk energi. Det betyr at alt vi trodde vi visste om universet, kan være fundamentalt annerledes.

Mørk materie er ikke bare svart eller usynlig — det er fullt ut uobservérbart med vanlig elektromagnetisk stråling. Likevel vet vi at den eksisterer fordi galakser roterer for fort til å holdes sammen av synlig materie alene. Hvis det ikke var for mørk materie, ville galaksene splittet seg opp for miliarder år siden.

Mørk energi er enda mer gåtefullt. Det ser ut til å drive universets akselererte utvidelse — universet ekspanderer ikke bare, det blir fortere og fortere. Dette var en av de største sensasjoner innen fysikk da det ble oppdaget på 1990-tallet, og det gagnet Nobelprisen i 2011.

Fem mysterier som holder fysikere våkne

Det første mysteriet handler om hva mørk materie egentlig er. Flere kandidater foreslås: WIMP-partikler (Weakly Interacting Massive Particles), aksioner, eller helt nye typer partikler vi ennå ikke har oppdaget. Eksperimenter som Large Hadron Collider søker desperat etter tegn på disse partiklene, men så langt uten hell.

Det andre mysteriet er mørk energis natur. Er det virkelig en ny form for energi — den såkalte kosmologiske konstanten — eller er det noe helt annet? Noen teorier antyder at det kunne være knyttet til kvantevakuumet eller til helt nye fysiske fenomener.

Det tredje mysteriet er forholdet mellom mørk materie og mørk energi. Prøver de å tale til oss? Kunne de være to aspekter av det samme fenomenet? Eller er det tilfeldig at de utgjør nærmest lik prosentandel av universet?

Det fjerde mysteriet er hvordan mørk materie fordelingen påvirker strukturene vi ser. Hvordan forklarer vi dannelsen av galaksehoper og filamentstrukturer når vi ikke helt forstår hvordan mørk materie oppfører seg?

Det femte mysteriet er det største av alle: er det vi omgis av universets «norm», eller er vi i en helt spesiell og uvanlig region? Kunne de mystiske komponentene være tegn på at vi mangler noe fundamentalt i vår forståelse av fysikk?

Tall og trender

Dataene fra den kosmiske bakgrunnsstrålingen og galaksestudier gir oss et sterkt bilde av universets sammensetning og dynamikk.

Hva sier en av verdens fremste kosmologer?

En sentral utfordring innen moderne kosmologi er at vi mangler direkte deteksjon av mørk materie og mørk energi. Eksperimentene må bli stadig mer sensitive, og teoriene må bli stadig mer kreative.

Samtidig er det fantastisk at vi kan måle og kartlegge disse fenomenene indirekte gjennom deres gravitasjonseffekter. Det viser hvor kraftig vitenskapen er når den setter seg fore å løse et problem — selv om løsningen tar tid og krever nye idéer.

"Mørk materie og energi er som detektiver som etterlater spor — men ikke sitt ansikt. Vi vet at de er der, vi ser deres fingeravtrykk overalt, men å identifisere dem er oppgaven som venter."

Hvordan søker forskere etter svarene?

Det finnes flere strategier for å løse mysteriene. En tilnærming er direkte deteksjon — forskere har bygget ultrasensitive detektorer som ligger dypt under jorden for å unngå kosmisk støy. Disse detektorene jakter på partikler som kolliderer med atomene våre.

En annen tilnærming er indirekte deteksjon — å lete etter tegn på at mørk materie kolliderer med vanlig materie og produserer energi vi kan måle. Gamma-stråling, røntgenstråling og andre former for elektromagnetisk stråling blir overvåket nøye.

Fysikere bruker også Large Hadron Collider til å forsøke å skape mørk materie-partikler i laboratoriet. Når protonene kolliderer med enorm hastighet, kan nye partikler oppstå — inkludert kanskje de som utgjør mørk materie.

I tillegg analyserer kosmologer data fra teleskoper som Hubble og James Webb, samt målinger av den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Disse dataene gir innsikt i hvor mørk materie befinner seg og hvordan den påvirker universets struktur.

Hva venter på oss?

Neste generasjon teleskoper og detektorer lover å gi oss ny innsikt. Europa planlegger å bygge enorme nye teleskoper, og USA har også store prosjekter på gang. De skal kunne observere universet med enda høyere oppløsning enn før.

Kanskje det største løftet ligger i den såkalte «dark matter directional detection» — teknikk som kan fortelle oss ikke bare at mørk materie fins, men hvor den kommer fra. Det ville være et gjennombrudd av historisk betydning.

Det som er virkelig spennende, er at løsningen på mysteriene om mørk materie og energi kanskje vil åpne dører til helt nye områder av fysikken. Vi er kanskje på terskelen til å forstå universet på en helt ny måte — hvis vi bare klarer å finne nøkkelen.