Foto: ESA/eyevine/Nasa/Carnegie Institution for Science

Mörk materia och mörk energi – hur lite vet vi egentligen?

2021-04-02 06:00  

Det har aldrig direkt observerats och det finns ingen självklar idé om vad det är – ändå utgör det troligen den största delen av vårt universum. Vad vet vi egentligen om mörk materia och mörk energi?

Bill Burrau

Det är lätt att tro att universum enbart består av sådant vi kan se.

Men egentligen bygger den synliga massan (stjärnor, planeter, människor, böcker om kvantfältteori etcetera) upp runt fem ynkliga procent.

Resten består av mörk materia, cirka 27 procent, och mörk energi, cirka 68 procent.

När och hur upptäcktes mörk materia? Och vet vi vad det är?

År 1933 undersökte astronomen Fritz Zwicky Comahopen, en stor samling galaxer i stjärnbilden Berenikes hår (som vi alla självklart kan peka ut på natthimlen), och insåg att något inte stod rätt till. Stjärnorna hade bara runt en procent av massan som krävdes för att stoppa galaxerna från att fly hopens dragningskraft. Det behövde alltså finnas en osynlig massa i hopen för att allt skulle gå ihop.

Vera Rubin 1972. Foto: Carnegie Institution for Science

Runt 40 år senare iakttogs något liknande av Vera Rubin och W Kent Ford som mätte stjärnors omloppshastigheter kring galaxers mittpunkt. De såg att stjärnornas hastighet var relativt oberoende av deras avstånd från centrum. För att detta ska vara möjligt, enligt Newtons gravitationslagar, måste det finnas något utöver den materia (de stjärnor) vi kan se i galaxerna. Denna massa kom att kallas mörk materia då den inte strålar i något för oss synligt spektrum.

Andra bevis för att det finns mörk materia kan vi bland annat få från tunga objekts förmåga att böja ljus, gravitationslinser. Vi kan se att ljuset böjs runt områden där det till synes inte finns tillräckligt med massa för att åstadkomma detta. Det finns också bevis för mörk materia i den kosmiska bakgrundsstrålningen (CMB) som är en kvarleva från universums tidiga, och heta, dagar.

Exakt vad mörk materia är, det vet vi inte. Men som väldigt ofta finns det flera olika teorier. Vi återkommer till detta, men först lite om mörk materias kanske ännu mer svårförklarliga kompanjon – mörk energi.

Bild från 2003, tagen av NASA:s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) under en 12-månadersobservation. Bilden visar ett avtryck av universum när det var ungt, 380 000 år gammalt. Bilden avslöjade att universum består till 73 procent av så kallad ”mörk energi”. Foto: Nasa

När och hur upptäcktes mörk energi? Och vet vi vad det är?

Att universum expanderar är relativt allmän kunskap. Och att expansionen accelererar vet nog de flesta (i alla fall ni som läser Ny Teknik). Men just att universums expansion tilltar i hastighet ställer till det. För att något ska accelerera måste det tillföras energi. Precis som kemisk energi från bensin frigörs för att ge en bil högre hastighet så behöver det tillföras energi för att universums expansion ska öka i hastighet.

Att universums expansion ökar i hastighet upptäcktes oberoende av två grupper med astronomer 1998. Tidigare trodde man att gravitationen från alla objekt i universum skulle sakta in expansionen. Upptäckten indikerar att det finns något som trycker ut universum och motverkar dragningskraften. Detta något har kommit att kallas mörk energi, och mer än så vet vi egentligen inte.

Mörk energi kan också kopplas till Albert Einsteins kosmologiska konstant. Han införde denna konstant i den generella relativitetsteorin i tron av att universum var stabilt och icke-expanderande. När Edwin Hubble visade att universum faktiskt expanderar beskrev Einstein konstanten som ett stort misstag. I dag är konstanten dock en del av ΛCDM-modellen, som brukar kallas den kosmologiska standardmodellen och är en av de enklare modellerna för att förklara universum.

Spiralgalaxen NGC 5585 ligger i konstellationen Stora björnen. I jämförelse med andra galaxer av liknande storlek har NGC 5585 mer mörk materia. Bilden togs av teleskopet Hubble 21 september 2020. Foto: ESA/eyevine

Men vad tror man att mörk materia består av då?

Nu blev det lite mycket om upptäckten av mörk materia och mörk energi. Dags att gå rakt på sak – vad är det egentligen för något? Det korta svaret är, som sagt, att vi inte vet. Men här följer några teorier.

Svagt växelverkande massiva partiklar (WIMP:ar) är en av kandidaterna till mörk materia. Dessa partiklar interagerar enbart via gravitation och svag växelverkan och tros vara reliker från universums födelse.

Det finns inga observationer av partiklar av detta slag, som tros vara stora och långsamma (i jämförelse med andra partiklar). Man tror inte att dessa partiklar är baryoner (som t.ex. protoner och neutroner) utan att de består av i dag okända beståndsdelar. Forskare har letat länge och kommer att fortsätta försöka bevisa att WIMP:ar existerar.

En teori som skulle kunna gå hand i hand med den ovanstående är den om supersymmetri. Supersymmetrimodeller säger att varje partikel i standardmodellen har en motsvarande supersymmetrisk partikel, vilket skulle kunna förklara och lösa problemen med den partikelmodell vi har i dag.

Den lättaste partikeln som förutspås av teorin är stabil, elektriskt neutral och interagerar svagt med partiklarna ur standardmodellen. Denna partikel är en möjlig kandidat till mörk materia. Om teorin stämmer, borde dessa partiklar dock skapas i partikelkollisionerna vid Cern, något vi ännu inte har kunnat se. 

Det finns självklart andra teorier mer eller mindre kopplade till de tidigare nämnda, men om man ska ta upp en sista, som skulle kunna förklara både mörk materia och mörk energi så bör det vara strängteori.

Strängteori?

Strängteori. Teorin är enkel, men också väldigt svår att förklara och att förstå. Det går ut på att allt i hela universum i sina absolut minsta beståndsdelar enbart är vibrationer på en sträng. Mer än så får ni tyvärr inte i denna text.

Sammanfattningsvis

Vi vet inte mycket om mörk materia. Och vi vet ännu mindre om mörk energi. Men i stora drag kan man säga att mörk materia, via gravitationen, drar ihop universum medan mörk energi trycker isär universum.

Standardmodellen

Inom partikelfysiken beskriver standardmodellen de minsta partiklarna och deras interaktioner med varandra via elektromagnetisk, stark eller svag växelverkan.

Standardmodellen innehåller för tillfället 17 partiklar. Det finns 12 fermioner, varav sex är kvarkar och sex är leptoner. Bland kvarkarna finns t.ex. upp- och ner-kvarkarna som utgör protonen (två upp och en ner) och bland leptonerna finns t.ex. elektronen och myonen. Standardmodellen inkluderar också fem bosoner, här finns t.ex. fotonen och higgsbosonen som är det senaste tillskottet till modellen.

Mörk materia och mörk energi kan inte förklaras med hjälp av standardmodellen som den ser ut i dag. Det behövs alltså en utveckling för att vi ska kunna förstå merparten av vårt universum.

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer