De fem beste teoriene for å forstå mørk materie og energi

Universet er stort, mørkt og fulle av mysterier

Når kosmologer observerer galakseklustraene for sin bevegelse og sammenligner det med hvor mye synlig materie de kan måle, kommer de alltid fram til samme konklusjon: noe mangler. Denne manglende massen kalles mørk materie, og den utgjør omtrent 27 prosent av alt som eksisterer. I tillegg påtvinges vi erkjennelsen av at universet ekspanderer raskere og raskere — noe som betyr at det finnes en enestående kraft som driver denne akselerasjonen, som vi kaller mørk energi, og som representerer hele 68 prosent av universet.

I dag, nærmere 30 år etter at vi første gang observerte at noe var fundamentalt galt med vår forståelse av kosmos, har fysikere utviklet en rekke innovative hypoteser. Selv om ingen er bevist, gir hver av dem oss ny innsikt i universets dypeste natur. La oss utforske fem av de mest spennende kandidatene.

1. WIMP-partiklene — Den klassiske kandidaten

WIMP står for Weakly Interacting Massive Particles, og disse hypotetiske partiklene samvirkerer så sjelden med ordinær materie at de passerer gjennom rommet – og gjennom oss – nesten ubemerket. En WIMP-partikkel kan passere gjennom oss milliarder av ganger uten at vi føler noe. Tanken er at mørk materie består av disse ugripelige partiklene som danner en usynlig «halo» rundt galaksene.

Fysikere rundt om i verden bygger stadig mer sensitive detektor-anlegg for å fange disse elusive partiklene. Problemet er at de er så sjelden at vi trenger massive og ekstremt følsomme instrumenter for å påvise dem. Til tross for tiår med søken har vi ennå ikke oppnådd bevis på WIMPs, men det har ikke dempet optimismen.

2 og 3. Aksioner og sterile nøytrino — De minimalistiske løsningene

Aksioner er hypotetiske partiklaler som oppsto fra en teoretisk løsning på et grunnleggende problem i kjernefysikk, kjent som det sterke CP-problemet. I dag ser mange fysikere aksioner som faktisk den beste kandidaten for mørk materie. De er så små og lettvektige at de ville være nesten umulige å oppdage direkte, men såkalte aksiondetektor-eksperimenter forsøker indirekte å påvise dem gjennom deres samvirkning med magnetiske felt.

Sterile nøytrinoer er på sin side hypotetiske partikler som ikke ville samvirke gjennom noen av kjernefysikkens grunnleggende krefter – de ville bare kunne observeres gjennom tyngdekraften. Hvis sterile nøytrinoer eksisterer og har masse, kunne de ha kommet til å danne det meste av mørk materien. Mange moderne eksperimenter søker etter signaler fra desintegrasjonen av disse mystiske partiklene.

4. Modifisert gravitasjon — En radikal ny tanke

Ikke alle er enig om at mørk materie og mørk energi består av nye partikler. En alternativ tanke er at gravitasjonen på kosmiske skalaer oppfører seg annerledes enn vi forutsier basert på Einsteins teori. Idéene om modifisert gravitasjon, som MOND (Modified Newtonian Dynamics), foreslår at gravitasjonen blir svakere på veldig lange avstander, eller at den fungerer annerledes i ekstreme situasjoner. Hvis dette stemmer, trenger vi kanskje ikke mørk materie overhodet — gravitasjonen selv er løsningen.

5. Multivers og kosmologisk naturlig seleksjon — Det ultimate mysteriet: En av de mest spekulasjonsrike ideene er at vårt univers ikke er alene. Hvis det eksisterer et multiverset med uendelig mange universer, hver med sine egne fysikalske konstanter, kan det hende at vi lever i ett av de relativt få universene som tillater stjerner og liv. I denne teorien ville «mørk energi» ganske enkelt være en konsekvens av at vi tilfelldig bor i et univers med den spesifikke mengden av denne mystiske energien. Det er en slags kosmologisk naturlig seleksjon.

Hva skjer nå?

Kommende generasjoner av teleskoper, detektor-anlegg og romteleskoper vil utvilsomt gi oss nye data som kan påtvinge eller ekskludere mange av disse teoriene. Det James Webb-romteleskopet, Vera C. Rubin Observatory, og fremtidige gravitasjonsbølge-detektor-nettverk vil alle spille en rolle i å løse disse mysterierne.

Så langt har ikke en enkelt teori fullt ut dominert. Det som gjør kosmologien så spennende nettopp nå er at vi er på terskelen til å kunne måle og teste disse hypotesene på ny måter. Universet har kanskje ikke gitt oss alle svarene ennå, men vi stiller spørsmålene på stadig smartere måter.

Tall og trender

Mørk materie og energi har gjort kosmologien til ett av vitenskapens mest aktive områder. Her er nøkkeltall som viser hvor høye innsatsene er.

Hva sier ekspertene?

Spenningen blant fysikere rundt disse mørke mysteriene er stor, og mange ser på dette som årets store vitenskapelige grense.

"Mørk materie og mørk energi representerer kanskje det største uløste problemet i fysikken. Vi vet at de eksisterer, men å forstå hva de er — det er kampen som vil definere det 21. århundret."