Mörk materia och mörk energi

01

Grundidén

När astronomer tittar på hur galaxer snurrar så märker de att något inte stämmer. Galaxerna snurrar så fort att de borde gå sönder, om det inte fanns mer tyngdkraft som håller ihop dem. Vi tror att det beror på något osynligt som vi kallar .

Samtidigt verkar hela universum växa snabbare och snabbare. Det är tvärtemot vad man trodde förr. Kraften som trycker isär allt kallas för . Det är något helt annat än .

Ett kalas du inte kan se

Tänk dig en dansbana där paren snurrar så fort att de borde kastas ut i periferin – om bara synliga gäster höll dem kvar. Ändå stannar alla kvar på plats. Slutsatsen blir att det måste finnas osynliga, tysta gäster utspridda över hela golvet vars enda jobb är att hålla fast de dansande med sin tyngd. Vi ser dem aldrig, hör dem aldrig, men utan dem skulle dansbanan falla sönder.

Tillsammans utgör dessa två saker nästan 95 procent av allt i universum. Allt vi ser – stjärnor, planeter och vi själva – är bara en liten del av helheten.

02

Hur fungerar det egentligen?

Det bästa beviset för är hur galaxer snurrar. Stjärnorna i kanten av en galax rör sig mycket fortare än de borde göra om det bara var de synliga stjärnorna som drog i dem.

1

1. Mät hastigheten

Astronomer mäter dopplerförskjutningen i ljuset från gas och stjärnor på olika avstånd från en galax centrum för att få deras omloppshastighet.

2

2. Räkna ut förväntad massa

Utifrån galaxens ljusstyrka uppskattar man hur mycket synlig massa (stjärnor, gas) som finns innanför varje radie.

3

3. Jämför med Newtons formel

Med den synliga massan insatt i rörelseekvationen borde hastigheten sjunka utåt – precis som planeternas banhastigheter avtar längre ut i solsystemet.

4

4. Upptäck avvikelsen

I praktiken förblir hastigheten nästan konstant, ibland till och med stigande, långt bortom där den synliga massan tar slut. Kurvan planar ut i stället för att sjunka.

5

5. Lägg till en osynlig halo

Den enda förklaringen som får matematiken att stämma är en stor, osynlig massa – en mörk materiehalo – som omsluter hela galaxen och sträcker sig långt utanför stjärnornas synliga skiva.

Prova själv

Bygg din egen rotationskurva

Dra i reglaget för att lägga till och se hur galaxens rotationshastighet förändras med avståndet från centrum.

Interaktiv rotationskurva

Formeln $v=\sqrt{GM(r)/r}$ säger hur fort en stjärna borde färdas runt galaxens centrum vid avståndet r. Slå på eller av mörk materia och se vad som händer med kurvan.

Halon av mörk materia är inkluderad i M(r).

Avstånd från centrum: 8,0 kpc

Hastighet med nuvarande inställning

385 km/s

Hastighet om endast synlig massa fanns

212 km/s

Utan mörk materia (streckad linje) sjunker rotationskurvan långt ute, precis som planeternas banhastigheter avtar i solsystemet. Med mörk materia tillagd (heldragen linje) planar kurvan i stället ut — exakt det mönster Vera Rubin mätte i verkliga galaxer.

Omloppshastighet i en galax

v = \sqrt{\dfrac{GM(r)}{r}}

På vanlig svenskaDen här formeln räknar ut hur fort en stjärna i en galax snurrar runt mitten beroende på hur mycket massa som drar i den.

Vad betyder symbolerna?

$v$: omloppshastigheten för en stjärna eller gasmolekyl på avstånd r från centrum
$G$: gravitationskonstanten, $6{,}674 \times 10^{-11}\ \text{N·m}^2/\text{kg}^2$
$M(r)$: den totala massan innanför radien r (synlig + )
$r$: avståndet från galaxens centrum

Räkneexempel

Vintergatan har en omloppshastighet på cirka 220 km/s vid solens avstånd (ca 8 kiloparsec, $2{,}5 \times 10^{20}\ \text{m})$ från centrum. Vi löser ut massan innanför den radien.

v = \sqrt{\dfrac{GM}{r}} \;\Rightarrow\; M = \dfrac{v^2 r}{G}

M = \dfrac{(2{,}2\times 10^5\ \text{m/s})^2 \cdot 2{,}5\times10^{20}\ \text{m}}{6{,}674\times10^{-11}}

M \approx 1{,}8 \times 10^{41}\ \text{kg} \approx 9\times 10^{10}\ M_\odot

Innanför solens bana krävs ungefär 90 miljarder solmassor – betydligt mer än de synliga stjärnorna kan stå för om man följer samma beräkning ut till galaxens ytterkanter, där kurvan borde ha planat ut enligt Newton men inte gör det.

Vad det betyderEftersom v förblir nästan konstant långt utanför den synliga skivan måste M(r) fortsätta växa med r – det vill säga, det finns massa där ute som vi inte ser med ögon eller teleskop.

Idén upptäcktes redan på 1930-talet av Fritz Zwicky. Han märkte att hela galaxhopar rörde sig alldeles för snabbt för att hållas ihop av bara den massa vi kan se.

03

Hur vet vi det?

Det var framför allt Vera Rubin som på 1970-talet visade att måste finnas. Hon mätte farten på massor av olika galaxer och såg samma mönster överallt.

Diagram över Vintergatans rotationskurva som visar uppmätta hastigheter jämfört med bidrag från bulben, skivan och den mörka halon. — Vintergatans rotationskurva: den heldragna linjen (uppmätta data) planar ut, medan bidraget från synlig massa (streckade linjer för bulb och skiva) borde få kurvan att sjunka utan en mörk halo.Bild: Vallastro/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Ett annat bevis är att massa böjer ljus. Genom att titta på hur ljus från avlägsna galaxer böjs kan vi se var det finns osynlig massa.

Galaxhopen Abell 1689 avbildad av Hubbleteleskopet, med tydliga bågformade ljusbilder av bakomliggande galaxer skapade av gravitationslinsning. — Galaxhopen Abell 1689. De svagt bågformade strecken är ljus från långt bortom liggande galaxer, böjt av hopens enorma – till största delen osynliga – massa.Bild: NASA/ESA/Hubble

Det mest spännande beviset kom 2006 från Bullet-klustret. Där krockade två galaxhopar, och vi såg att den osynliga massan for rakt igenom krocken utan att bromsas, medan den vanliga gasen stannade av.

1933

Zwicky myntar "dunkle Materie"

Fritz Zwicky mäter galaxhastigheter i Comahopen och finner att synlig massa inte räcker för att hålla ihop hopen.

1970-tal

Rubin och Ford kartlägger rotationskurvor

Vera Rubin visar att spiralgalaxers rotationskurvor planar ut – ett systematiskt, oberoende mönster hos dussintals galaxer.

1998

Accelererande expansion upptäcks

Två forskarlag (Perlmutter, Riess, Schmidt) mäter avlägsna supernovor av typ Ia och finner att universums expansion accelererar snarare än bromsar in – Nobelpriset i fysik 2011.

2006

Bullet-klustret

Röntgen- och lensingdata från en galaxhopskollision visar att massan och den vanliga gasen är rumsligt åtskilda – ett direkt bevis mot alternativa gravitationsteorier.

2013–2018

Planck kartlägger kosmos sammansättning

ESA:s Plancksatellit mäter den kosmiska bakgrundsstrålningen med hög precision och fastställer andelarna 5/27/68 procent.

04

Den accelererande rymden

År 1998 upptäckte man något helt oväntat: universum växer snabbare och snabbare. Man använde speciella stjärnexplosioner för att mäta avståndet i rymden.

Dessa explosioner visade att rymden trycks isär. Forskarna som upptäckte detta fick Nobelpriset 2011. Denna mystiska kraft kallar vi .

68%

av universums totala energiinnehåll utgörs av – den dominerande komponenten i kosmos.

verkar finnas överallt i det tomma rummet. Ju mer universum växer, desto mer plats får mörk energi att trycka på.

Det pågår alltså en dragkamp i universum. Tyngdkraften vill dra ihop allt, men vill trycka isär det. Just nu verkar mörk energi vinna den kampen.

05

Universums bokföring

Tack vare satelliter som mäter strålning från rymden vet vi nu ganska exakt vad universum består av.

Universums energiinnehåll enligt Plancksatellitens mätningar

Komponent	Andel	Egenskap
Vanlig (baryonisk) materia	~5 %	Atomer – stjärnor, planeter, gas, du själv
	~27 %	Osynlig massa, klumpar ihop sig, håller galaxer samman
	~68 %	Utspridd överallt, driver på expansionen

Dessa siffror stämmer överens oavsett hur vi mäter. Det visar att vi börjar få en bra bild av universums innehåll, även om vi inte ser allt.

06

Wow-siffror

~27 %

av universum

mer än fem gånger så mycket som all vanlig materia tillsammans

~68 %

av universum

mer än dubbelt så mycket som och vanlig materia tillsammans

90+ år

sedan Zwickys första mätning 1933

lika länge som bilradion funnits – och vi vet fortfarande inte vad är

0

antal -partiklar som fångats i ett labb

trots årtionden av underjordiska detektorer djupt under berg

3,7 miljarder ljusår

avståndet till Bullet-klustret

ljuset vi ser idag lämnade klustret innan jorden ens hade bildats

10⁻³⁰ g/cm³

genomsnittliga energitäthet

motsvarar bara några väteatomer per kubikmeter tomrum

07

Vanliga missförstånd

Myt

och är samma sak, bara med olika namn.

Sanningen

Nej – de är helt olika fenomen. har massa och gravitation, klumpar ihop sig och håller strukturer samman. är en tryckande kraft utspridd jämnt i rymden som driver isär universum.

Myt

är bara vanlig materia vi inte lyckats observera än, som svarta hål eller gasmoln.

Sanningen

Sådan vanlig (baryonisk) har letats efter och till stor del uteslutits. Bullet-klustret visar dessutom att massan beter sig annorlunda än vanlig gas vid kollisioner, vilket pekar mot en helt ny partikeltyp.

Myt

Eftersom vi aldrig sett direkt är det bara en spekulativ gissning.

Sanningen

Beviset bygger på minst fyra oberoende observationsmetoder – rotationskurvor, gravitationslinsning, galaxhopskollisioner och bakgrundsstrålningen – som alla ger samma resultat. Det är lika välbelagt som många andra osynliga fenomen i fysiken, som magnetfält.

08

Jakten fortsätter

Forskare över hela världen försöker nu hitta bevis för vad faktiskt är. Man letar djupt under jorden och i stora partikelmaskiner.

Man bygger också nya teleskop för att lära sig mer om den mörka energin. Vi hoppas kunna lösa dessa gåtor snart.

Att förstå dessa mörka krafter skulle ändra hela vår bild av hur universum fungerar.

Mörk materia och mörk energi

Grundidén

Hur fungerar det egentligen?

1. Mät hastigheten

2. Räkna ut förväntad massa

3. Jämför med Newtons formel

4. Upptäck avvikelsen

5. Lägg till en osynlig halo

Bygg din egen rotationskurva

Hur vet vi det?

Zwicky myntar "dunkle Materie"

Rubin och Ford kartlägger rotationskurvor

Accelererande expansion upptäcks

Bullet-klustret

Planck kartlägger kosmos sammansättning

Den accelererande rymden

Universums bokföring

Wow-siffror

Vanliga missförstånd

Jakten fortsätter

Gå djupare

Galaxer och Vintergatan

Big Bang och universums expansion

Gravitation

Gravitationsvågor