Kartläggningen av kosmos

Den 17 februari år 1600 brändes den italienske munken Giordano Bruno på bål på salutorget Campo di Fiori i Rom. Han hade haft fräckheten att utmana den katolska kyrkans auktoritet genom att offentligt hävda att jorden rörde sig runt solen och att stjärnorna var solar omgivna av planeter som vår. För detta kätteri dömdes han till döden av inkvisitionen.

I dag förefaller det obegripligt att ett för oss så harmlöst och okontroversiellt påstående skulle kunna röra upp heta känslor. Men det gick emot kyrkans dogmer. Och kanske hör det till saken att Giordano Bruno dessutom hävdade att kyrkan var korrupt och dogmatisk, och att påven var en odugling. Sådana uttalanden gick inte för sig. Man utmanade inte makten ostraffat på 1600-talet.

Sent omsider skulle kyrkan överbevisas om att Giordano Bruno haft rätt. Stjärnorna är faktiskt solar, och det har visat sig att många av dem har planetsystem.

När Galileo Galilei tio år senare, på vårvintern 1610, riktade sitt nykonstruerade teleskop mot himlen upptäckte han att Vintergatan, det ljusa stråket över himlavalvet, i själva verket bestod av en myriad av stjärnor. Kosmos var större än någon tidigare kunnat ana. Men det skulle visa sig att universum var ännu större.

Den 26 april 1920 utbröt en het debatt om universums storlek bland amerikanska astronomer. På Smithsonian institution i Washington munhöggs den berömde astronomen Harlow Shapley och hans hejdukar med ett gäng unga hungriga himlastormare under ledning av Heber Curtis. Shapley hävdade att universum bestod av Vintergatan och en svärm omgivande klotformiga stjärnhopar, det var allt. Punkt slut. Curtis invände att Shapley var en trångsynt stofil och att kosmos var oändligt mycket större. Vintergatan var bara en galax av många.

Läs mer:

Den svenska astronomen Knut Lundmark var en av dem som ställde sig på Curtis sida. Det gjorde han rätt i. Några år senare kunde den amerikanske astronomen Edwin Hubble med hjälp av ett nytt jätteteleskop på Mount Wilson i Kalifornien visa att en suddig ljusfläck i stjärnbilden Andromeda i själva verket var en galax som vår. Och inte nog med det. Det vimlade av galaxer där ute i rymden. Ju bättre upplösning teleskopen fick, desto fler kunde upptäckas. Nu hade universum blivit ännu större.

Det har visat sig att galaxerna är grupperade i galaxhopar. Vintergatan tillhör tillsammans med Andromedagalaxen och några till den så kallade lokala gruppen. Men det finns större strukturer än så. Galaxhoparna är också grupperade i ännu större grupper. De största strukturer astronomerna hittills funnit är att rymden består av band av hopar med tusentals galaxer som omger enorma hålrum med knappt någon materia alls. En grupp astronomer på Hawaii har kartlagt galaxhoparnas fördelning och mätt hur de rör sig i förhållande till varandra. Resultatet har blivit en alltmer detaljerad bild över kosmos allra största strukturer. Den samling av galaxhopar som Vintergatan tillhör innehåller i runda slängar 100 000 galaxer och har nyligen kartlagts. Strukturen har getts namnet Laniakea, vilket betyder ”vidsträckt himmel” på hawaiianska. Astronomerna har också funnit att galaxhoparna rör sig i strömmar, ungefär som fiskstim eller flockar av flyttfåglar, mot områden med hög materieansamling och därmed gravitation.

Redan på 1920-talet hade Edwin Hubble visat att fjärran galaxer avlägsnar sig från oss. Spektralanalyser visade att ju mer avlägsen en galax är, desto mer rödförskjutet är dess ljus och desto snabbare avlägsnar de sig. Universum expanderar alltså, men kommer expansionen att fortsätta i all evighet eller kommer den till sist att hejdas av gravitationen? Svaret är att expansionen kommer att fortsätta, och dessutom gå allt snabbare. 1998 kunde astrofysikern Saul Perlmutter visa att expansionstakten accelererar. En mystisk kraft verkar driva isär superhoparna av galaxer. Kraften kallas i brist på bättre mörk energi, och anses stå för 75 procent av universums samlade energiinnehåll. För sin upptäckt belönades Saul Perlmutter med 2011 års Nobelpris i fysik. Men vad det är som ger upphov till den mörka energin är det ingen som vet. Kanske är den en egenskap hos själva rummet, eftersom den verkar växa i styrka ju mer universums expanderar.

Den mörka energin driver alltså isär de stora strukturerna av materia och skapar allt större och växande tomrum, kosmiska öknar. Det har visat sig att de stora håligheterna, som kan vara hundratals miljoner ljusår i diameter, har en kylande effekt på hela universum genom den så kallade Sachs-Wolfe-effekten. Ljus som korsar ett sådant stort hålrum påverkas ungefär som en cyklist som kör upp för en backe och sedan ner igen. När ljuset tränger in i hålrummet påverkas det av gravitationen bakifrån och tappar en del av sin energi.

Läs mer:

Eftersom ljushastigheten alltid är konstant innebär energiförlusten att ljusets frekvens minskar en smula. När ljuset sedan närmar sig materiaanhopningen på andra sidan hålrummet gör gravitationen i färdriktningen att ljuset återfår den förlorade energin, frekvensen ökar. Men på grund av universums accelererande expansion får det inte tillbaka riktigt allt, utan nettoresultatet blir en energiförlust. Vi går alltså mot ett allt kallare universum.

Men det finns fler olösta mysterier ute i universum. Redan på 1930-talet upptäckte en nederländsk astronom vid namn Jan Oort (han med Oorts moln av kometer) att stjärnor i Vintergatan hade konstiga hastigheter. Det var något lurt, de rörde sig inte som de borde. Några år senare rapporterade schweizaren Fritz Zwicky att galaxerna i galaxhopen Coma rörde sig på ett sätt som tydde på att de påverkades av betydligt kraftigare gravitationskrafter än vad galaxernas samlade massa kunde ge upphov till. Hur kunde det komma sig? Fanns det, undrade Zwicky, ytterligare massa i galaxhopen som inte syntes i teleskopen?

I slutet av 1960-talet togs frågan om den felande massan upp av den amerikanska astronomen Vera Rubin. Hon hävdade att galaxerna roterade på tok för fort för att kunna hållas ihop av gravitationen från de ingående stjärnorna. Galaxerna borde flyga isär, såvida de inte innehöll ytterligare massa. I själva verket måste de innehålla fem gånger så mycket massa som den man kunde se med teleskopen, hävdade Rubin.

– Löjligt, protesterade hennes kritiker och tyckte att hon pratade i nattmössan.

Men det skulle de inte ha sagt, för snart kom allt fler astronomer med rapporter som kunde verifiera Vera Rubins observationer. Uppenbarligen finns det stora mängder osynlig materia i och runt galaxerna. I brist på bättre fick den felande massan namnet mörk materia.

Att mörk materia faktiskt existerar öppnar för en rad nya frågor. Vad består den mörka materien av? Om det nu finns så mycket av den, varför märker vi den inte? Kan vi på något sätt genom experiment påvisa den? Om den mörka materien liksom den vanliga består av någon sorts elementarpartiklar borde de gå att påvisa vid experimenten vid exempelvis Cern.

Det enda man vet om den mörka materien är att den har massa och interagerar med vanlig materia genom sin gravitation. Däremot är den inte känslig för elektromagnetisk växelverkan. Den tar varken upp eller sänder ut elektroner eller fotoner (det är därför den inte syns.) Den förefaller heller inte växelverka genom den svaga eller den starka kärnkraften. Dessutom verkar den av någon anledning inte klumpa ihop sig som vanlig materia gör genom gravitationen. Den mörka materian verkar bara bilda diffusa moln i och kring galaxerna – men varken stjärnor eller planeter, för sådana – även osynliga – borde ha upptäckts. Uppenbarligen består den mörka materien av något som är helt skilt från vanlig materia och har helt andra egenskaper.

Men någonstans ifrån måste ju den mörka materien ha kommit. Rimligtvis bildades den precis som allt annat vid Big Bang och spreds sedan ut i universum precis som den vanliga materien.

Enligt den förhärskande teorin bildades våra vanliga elementarpartiklar, neutroner, protoner och elektroner ur det kvark-gluonplasma som uppstod under Big Bangs allra tidigaste skede. Därefter dröjde det cirka 370 000 år innan temperaturen genom universums expansion hade sjunkit tillräckligt för att atomer skulle kunna bildas. När elektroner kunde kopplas till atomkärnorna blev rymden plötsligt genomskinlig. Det är från det ungefär 5 000 grader heta plasma av elementarpartiklar som fanns strax innan atomerna bildades som den kosmiska bakgrundsstrålningen kommer. Genom rymdens expansion har sedan strålningen rödförskjutits från att ha varit svartkroppsstrålning med en temperatur av ungefär 5 000 grader till 2,8 K.

Men om nu den mörka materien bildades samtidigt, växelverkade den inte med de nybildade vanliga elementarpartiklarna? Nej, säger de flesta forskare. Men däremot gjorde kvantfluktuationer att den mörka materien liksom den vanliga bildade tätare och glesare områden. Och det var i områden med hög koncentration av mörk materia som gravitationen fick galaxer att bildas. I själva verket, säger många kosmologer, utgör ansamlingar av den mörka massan en sorts skelett för galaxernas lokaliseringar.

Men något handfast måste väl den mörka materian ändå bestå av? Sedan 1980-talet har en rad fantasifulla förslag framförts. Här är några av dem:

Machos – massive astrophysical compact halo objects – är ett gemensamt namn för olika typer av massiva objekt av vanlig materia som dock inte (eller nästan inte) avger någon elektromagnetisk strålning och alltså verkar osynliga. Det kan handla om svarta hål, neutronstjärnor, gasmoln eller bruna stjärnor, stjärnor som brunnit ut och slutat lysa. Men de flesta astronomer verkar rörande överens om att machos endast kan utgöra en bråkdel av den felande massan. Annars skulle man ha märkt dem tydligt.

Består den mörka massan kanske av så kallade primordiala svarta hål? Små svarta hål som bildades av det höga trycket vid Big Bang. Mot det talar dels att sådana hål antingen borde ha försvunnit genom tidernas lopp eller ha klumpat ihop sig och bildat så stora svarta hål att de skulle ha upptäckts.

Hur är det med neutriner? De växelverkar bara genom den svaga kärnkraften. De bildas i stora mängder vid kärnreaktioner (som i solen) och de har ju visat sig ha massa, även om den är mycket liten. Neutriner finns i tre olika typer, elektronneutriner, myonneutriner och tauneutriner. Enligt en del forskare finns också en fjärde sort, en ”steril” neutrino vars egenskaper till största delen är okända. Att neutriner skulle kunna utgöra den felande massan anses dock mycket osannolikt.

Jaha, men om det då inte handlar om ”vanlig” materia, vad kan det då vara? Under de senaste decennierna har en del fantasifulla och exotiska materieformer föreslagits.

Wimps – weakly interacting massive particles – svagt växelverkande masspartiklar. Wimps antas ha massor i storleksordningen 1 GeV, ungefär som de tyngsta kärnpartiklarna alltså. Försök har gjorts vid acceleratorn LHC vid Cern för att se spår av Wimps i partikelkollisionerna. Även om man inte kan se partiklarna själva borde man kunna se spår av dem, som att energi på något mystiskt sätt försvunnit ut systemet. Men hittills har inget synts.

Axioner – en sorts hypotetiska mycket lätta partiklar som i starka magnetfält kan förvandla sig till fotoner, ljuskvanta. Försök har gjorts att påvisa axionernas existens, men det har aldrig velat sig riktigt. Ett av försöken har gjorts i en saltgruva i norra Yorkshire i England. På en kilometers djup, för att skydda mot störningar från kosmisk strålning, har man placerat en tank med flytande xenon. Tanken är att om en axion skulle träffa en xenonatom skulle en ljusblixt uppstå. Men trots att försöket pågått i flera år har inte en enda blixt registrerats.

Slutligen finns ju alltid möjligheten att både Newton och Einstein hade fel och att det helt enkelt inte finns någon mörk materia. Att varken Newton eller den allmänna relativitetsteorin beskriver gravitationen på ett korrekt sätt, utan att ekvationerna behöver kompletteras eller skrivas om.

Det finns i dag en hel rad sådana nya eller modifierade gravitationsteorier. Den tidigaste och mest kända kallas modified newtonian dynamics (Mond), och föreslogs av israelen Mordehai Milgrom 1983. Den bygger på newtonsk mekanik, men det finns också flera andra teorier som dessutom tar hänsyn till relativistiska effekter. Tyvärr visar det sig att även om de här teorierna kan förklara galaxernas rotation ger de helt fel värden vid mätningar av hur ljuset böjs vid gravitationslinser.

Om vi summerar universums totala energiinnehåll får vi följande fördelning:

”Vanlig” materia (stjärnor, planeter och gasmoln med mera): 4 procent. Mörk materia (som vi inte vet vad det är): 23 procent, samt mörk energi (som vi inte heller vet vad det är): 73 procent.

Det förefaller alltså som att ju mer astronomer och fysiker förstår av universums mysterier, desto mer är det som de inte förstår.