I dag er det ikke bare Allehelgensaften – det er også den internasjonale mørk materie-dagen! Men hva er mørk materie og hvordan vet vi egentlig at den finnes?

Mens Allehelgensaften er dagen for å hedre de døde, er mørk materie-dagen dagen for å feire (?) jakten på den mørke materien. Mørk materie er en form for materie som skal utgjøre hele 26,8 % av universets innhold. Men vi vet ikke hva den mørke materien er for noe, selv om vi har lett etter den en stund. Den mørke materien er ganske spøkelsesaktig egentlig: Vi kan ikke se den direkte, men vi kan se at den er der ved at den drar i objektene rundt om i universet.

Universets innhold

Det er ganske uhyggelig å tenke på hvor liten del av innholdet i universet vårt vi er godt kjent med. Alt vi kjenner av stjerner, planeter, støv, LEGO-klosser, livsformer og alt annet, utgjør bare 4,9 % av universets innhold når vi legger sammen all materie og energi som finnes i universet. Vi kaller denne materien for «vanlig materie» fordi det er denne materien som er vanlig for oss. Den vanlige materien består av partiklene vi kjenner, hovedsakelig protoner, nøytroner og elektroner. Men ettersom universet i tillegg består av mye mer mørk materie og mørk energi enn vanlig materie, er ikke den vanlige materien egentlig så veldig vanlig.

Universets innhold. Illustrasjon: Maria Hammerstrøm

Historien om mørk materie begynte allerede på slutten av 1800-tallet. Da begynte man å ane et misforhold mellom hastigheten til stjerner og hvor mye synlig masse som dro i stjernene med gravitasjonskrefter. Det syntes å være mer masse til stede som dro i stjernene enn det som var synlig. Man kalte materien man ikke kunne se for «mørk materie». Men det var ikke før på 1980-tallet at ideen om den mørke materien begynte å bli allment akseptert.

Hvordan «se» mørk materie?

Det er gjort ulike astronomiske observasjoner som tyder på at den mørke materien finnes. Selv om vi ikke kan se den mørke materien direkte, finnes det ulike måter å se den indirekte. Stikkordet er gravitasjon. Her er noen måter å «se» den mørke materien på:

Hastigheten til stjerner i spiralgalakser

En spiralgalakse består av en skive av stjerner, støv og gass som roterer rundt sentrum av galaksen. Hastigheten som stjernene beveger seg rundt galaksesenteret med, henger sammen med massen som trekker i dem med gravitasjonskrefter. Jo høyere hastighet stjernene beveger seg med, desto mer masse må det finnes der som drar i dem.

Man skulle forvente at mesteparten av massen i galaksen befinner seg der hvor det er flest stjerner, som er i sentrum av galaksen. Dette burde bety at hastigheten til stjernene er høyest i sentrum for deretter å avta jo lenger vekk fra sentrum de befinner seg, hvor gravitasjonskraften er svakere. Men overraskende nok beveger stjernene i utkanten av galaksen seg raskere jo lenger ut man ser, i stedet for å avta i hastighet! Dette var det Vera Rubin som oppdaget, som jeg har skrevet om tidligere.

Den såkalte rotasjonskurven til galaksen M33. Grafen illustrerer med hvilke hastigheter (V) stjernene roterer rundt galaksen med ved ulike avstander (R) fra galaksens sentrum. Illustrasjon: Maria Hammerstrøm (basert på figur fra Wikipedia, bilde av M33 fra Wikipedia Commons)

At hastigheten til stjernene øker utover i galaksen uten at stjernene blir slynget ut av galaksen, må bety at det finnes ekstra materie som bidrar med masse lenger ut i galaksen. Men vi kan ikke se noe der. Så galakser må være pakket inn i en enorm sky av mørk materie som strekker seg langt utover den synlige delen av galaksen for at de stjernehastighetene vi observerer skal være mulige samtidig som stjernene holder seg i galaksen.

Illustrasjon av en sky av mørk materie (illustrert i lyseblått) omgir galakser og strekker seg langt utenfor den synlige galaksen. Illustrasjon: ESO/L. Calçada

Galaksehoper

Galakser bor sammen i galaksehoper. Galaksene beveger seg rundt i hopen i høy hastighet og drar i hverandre med gravitasjonskrefter. Ved å måle hastigheten til galaksene, kan vi regne ut hvor mye masse som må være tilstede for å få de gravitasjonskreftene vi observerer. Måler vi deretter hvor mye masse som er tilstede i galaksehopen bare ved å se på den lysende materien, ser vi at dette tallet er annerledes enn tallet som er basert på bevegelsen til galaksene. Galaksene beveger seg raskere enn de «burde», som indikerer at det er mye mer masse i galaksehopen enn det man kan se (det samme «problemet» som for stjernene i spiralgalaksene). Dette tyder på at det må finnes mørk materie der, og det viser seg å være veldig mye av det. Den mørke materien kan utgjøre så mye som 90 % av massen i en galaksehop.

Gravitasjonslinser

I følge den generelle relativitetsteorien, krummer massive legemer rommet rundt seg. Det gjør at lys som passerer nærme nok det massive objektet, vil bli avbøyd og endre retning. Det massive objektet fungerer som en linse. Dette ser vi mange eksempler på i universet, spesielt i galaksehoper, hvor det er samlet veldig mye materie. Gravitasjonslinseeffekten gjør at galakser ser ut til å ha rare, buelignende former, og man kan i noen tilfeller se flere «bilder» av samme galakse på himmelen! Jeg tror jeg må skrive mer om dette en gang 🙂

Gravitasjonslinsing. Illustrasjon: NASA

Bildene nedenfor viser galaksehopen MACS J0416.1-2403 hvor det er en rekke gravitasjonslinsede galakser. Disse kan ses som tynne, buede striper i de mest dramatiske tilfellene, men det finnes også mange eksempler på svak gravitasjonslinsing som ikke er så lett å få øye på. Ved å se på hvordan lyset fra fjerne galakser blir krummet på vei gjennom denne galaksehopen, kan man regne ut hvor mye mørk materie som må være til stede for å få de observerte gravitasjonslinseeffektene og hvordan den mørke materien er fordelt. I bildet til høyre nedenfor er den mørke materien farget inn.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Figur: Planck/ESA

Hvordan den kosmiske bakgrunnsstrålingen ser ut (vist til høyre), reflekterer hvor mye det finnes av de ulike ingrediensene i universet, deriblant mørk materie. Jeg har skrevet om dette tidligere i innlegget Å måle hva universet består av, så jeg skriver ikke om dette på nytt her. Hvis du vil leke deg med hvordan mengden vanlig materie, mørk materie og mørk energi påvirker hvordan den kosmiske bakgrunnsstrålingen ser ut, kan du sjekke ut CMB Simulator 😀

Strukturdannelse

At mørk materie finnes, påvirker ikke bare hastigheten til stjerner eller hvordan lys bøyes. Den mørke materien har også hatt en stor innvirkning på hvordan materien i universet har utviklet seg gjennom historien: Fra universets begynnelse da alt vi hadde i universet var enkeltpartikler, til i dag hvor disse partiklene har klumpet seg sammen til å danne større strukturer som stjerner og galakser. Det tok universet hundrevis av millioner av år å danne de første galaksene.

Simulering av sammenklumpningen av partikler til større strukturer gjennom universets historie. Bilde: Center for Cosmological Physics

Men hvordan er det egentlig den mørke materien spiller inn her? Den mørke materien klumpet seg sammen tidlig i universets historie, faktisk lenge før den vanlige materien kunne begynne å klumpe seg sammen. Jeg skrev litt om dette i forbindelse med AST5220-studieemnet. Den mørke materien hadde sånn sett et forsprang på den vanlige materien. Den vanlige materien begynte omsider å klumpe seg sammen rundt 380 000 år etter universets begynnelse. Da hadde det allerede vokst frem mørk materie-klumper som den vanlige materien kunne klumpe seg sammen med, i stedet for at den vanlige materien måtte begynne helt fra bunnen av og lage sine egne strukturer. Da hadde det tatt mye lenger tid å utvikle galakser.

Så det at mørk materie finnes, har gjort det mulig for galakser å vokse frem innen nåværende tidspunkt, slik at vi kan bo i en galakse og se utallige galakser på himmelen vår. I et mørk materie-løst univers ville det tatt mye lenger tid for galakser å klumpe seg sammen.

Jakten på den mørke materien

Det er altså flere måter å «se» at mørk materie finnes. Men det forteller oss ikke hva den mørke materien faktisk er for noe. Den ledende hypotesen er at den mørke materien er en ny, hittil ukjent partikkel som oppfører seg på en måte som stemmer med det vi observerer. Det er to hovedkriterier for en mørk materie-partikkel:

1. Den kan bare interagere med andre ting gjennom gravitasjon og den svake kjernekraften (dette gjør at den mørke materien er usynlig for oss når vi observerer elektromagnetisk stråling med teleskopene våre).
2. Den må ha stor masse sammenlignet med partiklene vi allerede kjenner, som medfører at partiklene beveger seg relativt sakte. Vi kaller mørk materie som beveger seg sakte for «kald» (hadde vi i stedet hatt «varm» mørk materie, dvs. lett og rask, hadde strukturdannelsen i universet foregått på en annen måte enn den vi observerer).

Hovedkandidaten kalles weakly interacting massive particles (WIMPs), eller «svakt interagerende massive partikler» (det finnes andre kandidater også), men vi har ikke observert noe lignende partikler ennå. Vi har flere måter vi forsøker å observere hypotetiske mørk materie-partikler på, men det er et helt innlegg i seg selv, så det får bli tema for en annen gang.

Selv om vi har en viss idé om hva vi leter etter, er det noen avvik mellom teorien om «kald» mørk materie og observasjonene vi har gjort som tyder på at det fortsatt er mer som gjenstår å finne ut om den mørke materien. Så jakten på den mørke materien fortsetter. Nå jobber partikkelfysikere og astrofysikere sammen for å løse dette store, kosmiske mysteriet, og mange er håpefulle om at vi skal finne ut hva den mørke materien er for noe i løpet av de ti neste årene. Så det er bare å følge med videre!

* * *

Har du lyst til å lese mer om den mørke materien og hvordan vi vet at den finnes, kan jeg anbefale boken Det usynlige universet av Jostein Riiser Kristiansen. Boken tar for seg både den mørke materien og den mørke energien, og går gjennom tingene jeg har nevnt her i mer detalj, i tillegg til masse mer, på en måte som skal være forståelig for alle 🙂

Hovedbilde: Chandra X-ray Observatory Center, Smithsonian Institution (bakgrunnsbilde)