Mörk materia

Vi vet att mörk materia existerar eftersom vi kan se dess effekt på den synliga världen genom gravitationen. Det är som att se fotspår i snön; du ser inte vem som gick där, men du vet att någon har passerat. På samma sätt ser vi hur galaxer beter sig som om de vore mycket tyngre än vad de ser ut att vara.

De första tecknen kom redan på 1930-talet när astronomen Fritz Zwicky studerade galaxhopar. Han märkte att galaxerna rörde sig alldeles för snabbt för att hållas kvar av den synliga materians dragningskraft. Han kallade det för ”dunkle Materie”, men dåtiden avfärdade hans idéer som ett mätfel.

Det var först på 1970-talet, tack vare Vera Rubins banbrytande arbete, som forskarvärlden tvingades ta fenomenet på allvar. Hon upptäckte att stjärnor i ytterkanten av galaxer rör sig lika snabbt som de nära mitten. Enligt Newtons lagar borde de yttre stjärnorna röra sig mycket långsammare, såvida det inte fanns en enorm mängd osynlig massa som drog i dem.

1933

Zwickys upptäckt

Fritz Zwicky observerar att galaxer i Coma-hopen rör sig för snabbt och föreslår existensen av ”mörk materia”.

1970

Rubins bevis

Vera Rubin och Kent Ford publicerar data som visar att galaxers rotationshastighet inte avtar mot kanterna.

2006

Bullet Cluster

Observationer av en galaxkrock ger det hittills starkaste beviset för att mörk materia är en fysisk substans och inte bara ett räknefel.

Idag har vi sett effekten av mörk materia överallt i universum. Vi ser den i hur ljus böjs runt galaxhopar och i hur universums storskaliga struktur har vuxit fram under miljarder år. Utan denna osynliga byggställning skulle universum se helt annorlunda ut.

Det stora mysteriet, och en av fysikens heliga graaler, är vad mörk materia faktiskt består av. Vi vet vad det inte är: det är inte stjärnor, inte planeter, inte gasmoln och inte svarta hål av den typ vi känner till. Det verkar vara en helt ny typ av partikel som inte interagerar med den elektromagnetiska kraften.

Det innebär att mörk materia kan passera rakt igenom oss, genom jorden och genom solen utan att lämna ett spår. Det är som att leva i ett spökhus där vi bara känner spökenas tyngd, men aldrig kan se eller röra dem. Vi vet inte heller om mörk materia består av bara en sorts partikel eller om det finns en hel ”mörk sektor” med olika typer av partiklar och krafter.

En annan gåta är varför det finns precis så mycket mörk materia som det gör. Om det fanns lite mindre skulle galaxer aldrig ha bildats; om det fanns mycket mer skulle universum ha kollapsat under sin egen tyngd nästan direkt efter Big Bang. Vi lever i ett universum som verkar finstämt för att vi ska kunna existera.

Hur kan vi fotografera något som är osynligt? Svaret ligger i hur massa påverkar rymden. Enligt Einstein böjer tunga objekt rymden runt omkring sig, ungefär som en bowlingklot på en studsmatta. När ljus från en avlägsen galax passerar genom en ansamling av mörk materia, böjs ljuset.

Detta skapar en lins-effekt. Vi ser galaxer som ser utdragna eller dubblerade ut. Genom att mäta hur mycket ljuset böjs kan vi räkna ut exakt hur mycket massa som krävs för att skapa effekten. Gång på gång ser vi att det finns mycket mer massa där än vad vi kan se i form av stjärnor.

Den mest berömda observationen är ”Bullet Cluster”. Här har två galaxhopar krockat. Den synliga gasen har bromsats upp av krocken, men gravitationsmätningar visar att den största delen av massan bara fortsatte rakt igenom, helt opåverkad. Detta visar att mörk materia inte krockar med sig själv eller vanlig materia på samma sätt som gas gör.

Forskare attackerar problemet från tre olika håll samtidigt. Det är en av de största gemensamma ansträngningarna i vetenskapens historia, med tusentals inblandade experter.

1

Titta utåt med Euclid och Webb

Rymdteleskopet Euclid skickades upp 2023 för att kartlägga miljarder galaxer. Genom att studera hur deras former deformeras av gravitationslinsning kan vi skapa en 3D-karta över all mörk materia i universum.

2

Gräva djupt med XENONnT

I en gruva under ett berg i Italien finns en tank med tonvis av flytande xenon. Man väntar på att en mörk materia-partikel ska krocka med en xenonatom och skapa en liten ljusblixt. Berget fungerar som en sköld mot vanlig störande strålning.

3

Skapa det vid CERN

I den stora partikelacceleratorn LHC krockar man protoner i nära ljusets hastighet. Hoppet är att energin i krocken ska omvandlas till mörk materia-partiklar, som vi sedan kan upptäcka genom att energi helt enkelt ”försvinner” från mätningen.

Ju mer vi letar, desto snävare blir sökområdet. Även om vi inte hittar något direkt, så lär vi oss mer om universums grundläggande natur. Varje misslyckat experiment tvingar oss att tänka i nya, mer kreativa banor.

Kanske är svaret något helt annat än partiklar. Kanske lever vi i en värld med extra dimensioner, eller så är vår förståelse av tid och rum fortfarande bara i sin barndom. Men en sak är säker: den som löser gåtan kommer att skriva in sig i historieböckerna för all framtid.

Är det skrämmande att vi är en minoritet i ett universum av mörker, eller är det vackert att det fortfarande finns så stora mysterier kvar att lösa? Kanske är vi bara i början av vår upptäcktsresa.