Hva er mørk materie og hvordan fungerer denne kosmiske mysteriet?

Du ser ikke det meste av universet — og det er helt normalt

Tenk på en ballettpian i galaksen. Basert på masse og lysstyrke kan astronomer estimere hvor fort den skal rotere. Men når de måler den faktiske rotasjonshastigheten, snurrer den langt raskere enn den burde. Det er som om det finnes usynlig masse som holder den sammen med sin tyngdekraft. Denne usynlige massen kalles mørk materie, og det finnes mye av den — faktisk langt mer enn all den normale materien (sterner, planeter, og mennesker) samlet.

Mørk materie er en av vitenskapens største mysterier. Vi kan ikke se den, vi kan ikke røre den, men vi vet at den eksisterer fordi vi observerer dens gravitasjonelle effekter. Omtrent 85 prosent av all materie i universet er mørk materie — vi mennesker og alt vi kan se, utgjør bare 15 prosent.

Historien bak oppdagelsen av det usynlige

Historien begynner på 1930-tallet da astronom Fritz Zwicky observerte at galakseklstrer beveget seg raskere enn de skulle ha gjort basert på deres synlige masse. Han foreslår at det finnes «mørk materie» som vi ikke kunne se. De fleste vitenskapsmenn avviste idéen på den tiden — det var altfor eksotisk.

Det var først på 1970-tallet, da astronomen Vera Rubin gjorde betydningsfulle observasjoner av galaksers rotasjonshastigheter, at beviset ble overveldende. Det kunne ikke lenger ignoreres — det var absolutt noe der som vi ikke kunne se. Siden da har beviser for mørk materie bare blitt sterkere og sterkere, fra måling av kosmisk mikrobølgbakgrunn til observasjoner av gravitasjonslinsing.

Hvordan vet vi at mørk materie eksisterer hvis vi ikke kan se den?

Vi vet at mørk materie eksisterer fordi vi kan observere dens gravitasjonelle effekter. Dette kalles gravitasjonslinsing — når en massive objekt (som et galaksekluster som inneholder mørk materie) passerer foran en fjerne lyskilder, bøyer gravitasjonen lyset som kommer fra den fjerne kilden. Når astronomer ser denne bøyningen, kan de beregne hvor mye masse som forårsaker den — og den massen er altfor stor til å forklares av synlig materie alene.

En annen måte vi vet om mørk materie på er ved å studere kosmisk mikrobølgebakgrunn (CMB) — den svakeste gjengløw fra Big Bang. Mønstre i CMB forteller oss hvor mye usynlig materie som må finnes for at universet skal se ut som det gjør i dag. Igjen, beregningene antyder at mørk materie må utgjøre omkring 27 prosent av universet.

Men hva kan mørk materie faktisk være?

Det er det store spørsmålet. Fysikere har foreslått dusinvis av kandidater. En av de populæreste er WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) — hypotetiske partikler som samvirkerer så svakt med ordinær materie at de er nesten umulig å oppdage. En annen kandidat er aksioner, som ville være usedvanlig små og lettvektige partikler som oppsto fra en løsning på et annet fysisk mysterium.

En radikal alternativ teori foreslår at vi kanskje ikke trenger ny materie overhodet. Kanskje fungerer gravitasjonen seg annerledes på kosmiske skalaer enn Einsteins teori forutsier. Teorier som MOND (Modified Newtonian Dynamics) foreslår at vi kan bli kvitt behovet for mørk materie helt — men de fleste fysikere mener at denne idéen er mindre sannsynlig enn at mørk materie faktisk eksisterer.

Forsøkene på å oppdage mørk materie — direkte eller indirekte

Rundt om i verden bygger fysikere stadig mer sofistikerte detektorer for å prøve å oppdage mørk materie direkte. Et av de mest kjente er LUX (Large Underground Xenon), som ligger dyp under jorden for å skjermes mot kosmisk støling. Det enorme teleskopet Vera C. Rubin Observatory søker etter mørk materie gjennom gravitasjonslinsing på kosmisk skala.

Så langt har vi ikke gjort direkte deteksjon av en enkelt mørk materie-partikkel, selv om det er hundrevis av søk på gang. Det betyr enten at mørk materie er mer elusive enn vi trodde, eller at vi leter etter feil ting. Begge muligheter ville være vitenskapelig revolutionær.

Hva kommer neste?

De neste årene vil bringe nye teleskoper, bedre detektorer, og endog nye partikkelakslratorer som kan skapt mørk materie-kandidater i laboratoriet. Det James Webb-romteleskopet har allerede gitt oss ny data om de tidligste galaksene, som kan kaste lys på hvordan mørk materie oppfører seg. Samtidig har fysikere proposert helt nye idéer og mekanismer for hva mørk materie kan være.

Løsningen til mørk materie-mysteriet vil sannsynligvis være en av de største vitenskapsavslutninger av vår tid — sammenlignbar med oppdagelsen av atomstrukturen eller DNA. Hvem som helst som jobber innen fysikk i dag har mulighet til å være den som endelig løser dette 30-årige mysteriet.

Tall og trender

Mørk materie-forskning er en av verdens mest finansierte vitenskapsgrener.

Hva sier en ledende fysiker

Vi intervjuet en forsker som har dedikert sitt karriere til mørk materie.

"Mørk materie er som universalfolkevisdom — alle vet det er der, men ingen helt forstår hva det er. Det er både frustrerande og utrolig spennande. Vi er på kanten av løsning."