Mörk ma­te­ria in­om räck­håll

Så ska vi fånga

Forskning & Framsteg - - Januari / 2015 -

Värl­dens astro­fy­si­ker är helt över­ens – uni­ver­sum in­ne­hål­ler

sto­ra mäng­der mörk ma­te­ria. Men var är den? Nu gäl­ler det att få fatt på det osyn­li­ga, be­rät­tar Lars Berg­ström och Jan Con­rad, som bå­da är djupt in­vol­ve­ra­de i jak­ten

på den mör­ka ma­te­ri­en.

Av LARS BERG­STRÖM & JAN CON­RAD

Foto HST

De förs­ta upp­täck­ter­na kom re­dan 1930, då Lund­a­pro­fes­sorn Knut Lund­mark un­der­sök­te ro­ta­tions­has­tig­he­ten hos fem ga­lax­er. Han såg att ro­ta­tions­has­tig­he­ter­na var all­de­les för hö­ga för att tyngd­kraf­ten skul­le kun­na hål­la ihop ga­lax­er­na. De upp­mät­ta has­tig­he­ter­na kräv­de en to­tal vikt som tor­de va­ra mel­lan fem och sju gång­er hög­re än vad ga­lax­er­nas ly­san­de ma­te­ria väg­de. Ga­lax­er­na in­ne­höll allt­så en stor mängd osyn­lig mörk ma­te­ria, el­ler dunk­le Ma­te­rie, som Lund­mark skrev på tys­ka i sin ar­ti­kel.

Lund­mark var först med vad som van­li­gen till­skrivs ös­ter­ri­ka­ren Fritz Zwicky. Tre år ef­ter Lund­marks upp­täckt an­vän­de Zwicky te­lesko­pet på Mount Wil­son ut­an­för Los Ang­e­les för att stu­de­ra Co­ma­ho­pen, en stor sam­ling på över tu­sen ljus­star­ka ga­lax­er i stjärn­bil­den Bere­ni­kes hår. Han upp­täck­te att en­skil­da ga­lax­er rör sig allt­för snabbt för att ga­lax­ho­pen ska kun­na hål­las sam­man. Än­då ty­der allt på att ga­lax­ho­par­na till­hör de störs­ta struk­tu­rer i uni­ver­sum som fak­tiskt hålls ihop av gra­vi­ta­tio­nen. Se­dan dess har vi an­vänt ut­tryc­ket mörk ma­te­ria för den okän­da ma­te­ria som krävs för­u­tom den van­li­ga, syn­li­ga, ma­te­ri­en, för att för­kla­ra ga­lax­er­nas snab­ba ro­ta­tion.

Var­ken Lund­mark el­ler Zwicky ana­de att de­ras mät­ning­ar i ef­ter­hand skul­le le­da till slut­sat­sen att den mör­ka ma­te­ri­en in­te kan be­stå av de ato­mer som byg­ger upp bå­de oss själ­va och allt vi ser om­kring oss. Det skul­le drö­ja fle­ra år­tion­den in­nan två vik­ti­ga slut­sat­ser kun­de dras: att den mör­ka ma­te­ri­en tycks fin­nas över­allt, och att den är vä­sens­skild från den van­li­ga ma­te­ri­en.

Den­na van­li­ga ma­te­ria, som vi tyc­ker oss kän­na så väl från var­da­gen, be­står av ato­mer som i sin tur byggs upp av elekt­riskt lad­da­de par­tik­lar. När de lad­da­de par­tik­lar­na rör sig kan ljus skic­kas ut el­ler ab­sor­be­ras – den ma­te­ri­en är allt­så syn­lig. Men den ma­te­ria som Lund­mark och Zwicky fann tycks in­te skic­ka ut nå­got ljus, och där­för kal­la­de de den mörk ma­te­ria. På den ti­den var man in­te helt sä­ker på om den­na nya ma­te­ria kun­de

ab­sor­be­ra ljus, men nu­me­ra vet vi att den egent­li­gen mer pas­san­de bor­de kal­las osyn­lig ma­te­ria – den var­ken emit­te­rar el­ler ab­sor­be­rar ljus. Det vik­ti­ga är att den har mas­sa, och allt­så på­ver­kar sin om­giv­ning med sin gra­vi­ta­tions­kraft.

I dag är vi så gott som helt över­ty­ga­de om att ovan­lig, osyn­lig, mörk ma­te­ria ex­i­ste­rar. Det finns fle­ra an­led­ning­ar till var­för vi är så säk­ra på att den finns, och vi har fle­ra me­to­der för att av­gö­ra dess na­tur.

En av des­sa me­to­der är stu­di­er av den kos­mis­ka bak­grunds­strål­ning­en, den vär­me­strål­ning som har sitt ur­sprung i big bang för 14 mil­jar­der år se­dan. De se­nas­te re­sul­ta­ten pre­sen­te­ra­des vå­ren 2015, då ett av de vik­ti­gas­te ex­pe­ri­men­ten i kos­mo­lo­gi, den eu­ro­pe­is­ka Planck­sa­tel­li­ten, vi­sa­de si­na slut­li­ga mät­da­ta.

I fle­ra år har Planck­sa­tel­li­ten sam­lat det kos­mis­ka ljus som sän­des ut 400 000 år ef­ter big bang. De ojämn­he­ter i tem­pe­ra­tur som har upp­mätts – un­ge­fär nå­gon hund­ra­tu­sen­dels grads va­ri­a­tion över him­len – kan för­kla­ras av big bang-te­o­rin på ett all­de­les otro­ligt bra sätt. Ef­tersom mät­ning­en av ojämn­he­ter­na in­ne­hål­ler så många oberoende mät­punk­ter, går det att be­stäm­ma många stor­he­ter av kos­mo­lo­giskt in­tres­se ur den upp­mät­ta kur­van.

En slut­sats är att uni­ver­sum ver­kar in­ne­hål­la ba­ra knappt 5 pro­cent van­lig ma­te­ria – an­nars skul­le den te­o­re­tis­ka kur­van in­te stäm­ma med den upp­mät­ta. Un­ge­fär 26 pro­cent mås­te va­ra elekt­riskt ne­u­tral ma­te­ria – det är den osyn­li­ga mör­ka ma­te­ri­en.

Sam­man­lagt ut­gör dock ma­te­ria ba­ra 30 pro­cent av uni­ver­sums to­ta­la mas­sa (ener­gi­in­ne­håll). De åter­stå­en­de 70 pro­cen­ten tycks va­ra nå­got som ger upp­hov till re­pul­siv gra­vi­ta­tion och all­mänt kal­las mörk ener­gi. Det in­ne­bär att an­de­len van­lig ma­te­ria ba­ra är cir­ka en sjät­te­del av uni­ver­sums ma­te­ri­e­in­ne­håll, me­dan fem sjät­te­de­lar är mörk ma­te­ria.

Fle­ra and­ra ob­ser­va­tio­ner be­kräf­tar des­sa re­sul­tat. I en ga­lax­hop, till ex­em­pel, be­ror tem­pe­ra­tu­ren hos den gas som sän­der ut rönt­gen­strål­ning på hur myc­ket to­talt gra­vi­te­ran­de mas­sa som finns i ho­pen. Även så kal­lad gra­vi­ta­tions­lin­s­ning kan an­vän­das för att be­stäm­ma mas­sa hos en ga­lax­hop. Den­na fun­ge­rar då som en lins som bö­jer av ljus­strå­lar från bakom­lig­gan­de stjär­nor och ga­lax­er. Re­sul­ta­tet är en­ty­digt – den mör­ka ma­te­ri­en do­mi­ne­rar stort.

Ock­så ana­lys av syn­te­sen av lät­ta grun­däm­nen i det ti­di­gas­te uni­ver­sum, som vä­te, li­ti­um och he­li­um, le­der till sam­ma re­sul­tat: 5 pro­cent är den syn­li­ga ma­te­ri­ens an­del av uni­ver­sums mas­sa.

En av­gö­ran­de ast­ro­no­misk ob­ser­va­tion som säk­ra­de den mör­ka ma­te­ri­ens plats i kos­mo­lo­gis­ka te­o­ri­er gjor­des 2005. Två ga­lax­ho­par kol­li­de­ra­de drygt 3 mil­jar­der ljusår bort från oss. Den ena tycks ha gått som en ka­non­ku­la ge­nom den and­ra, och sy­ste­met kal­las nu­me­ra på eng­els­ka the bul­let cluster.

För­kla­ring­en är att vi ser den van­li­ga ma­te­ri­en och den mör­ka age­ra på oli­ka sätt i kol­li­sio­nen. Den van­li­ga ma­te­ri­en, som till störs­ta de­len be­står av lad­da­de par­tik­lar från den ena ho­pen, väx­el­ver­kar med ga­sen i den and­ra. Ga­sen het­tas upp, bil­dar ty­pis­ka chock­fron­ter och ger ifrån sig stark rönt­gen­strål­ning. Den mör­ka ma­te­ri­en där­e­mot, som är elekt­riskt olad­dad, tar sig ba­ra rakt ige­nom ga­lax­ho­par­na. Där­för ser vi den mör­ka ma­te­ri­en och den van­li­ga se­pa­re­ra­de från varand­ra. Se­dan 2005 har ett stort an­tal lik­nan­de kol­li­de­ran­de ga­lax­ho­par hit­tats, och stö­det för att ma­te­ria som in­te ger ifrån sig ljus finns där­u­te är nu­me­ra myc­ket över­ty­gan­de.

Ef­tersom den mör­ka ma­te­ri­en var­ken ger ifrån sig el­ler ab­sor­be­rar ljus, tror de fles­ta i dag att den be­står av elekt­riskt ne­utra­la par­tik­lar med mas­sa. Des­sa hy­po­te­tis­ka par­tik­lar tän­ker vi oss väx­el­ver­kar ba­ra svagt med an­nan ma­te­ria. De kal­las där­för weakly in­te­racting mas­si­ve par­tic­le (svagt väx­el­ver­kan­de mas­siv par­ti­kel), för­kor­tat wimp.

En an­nan typ av hy­po­te­tisk par­ti­kel, som i prin­cip skul­le kun­na ut­gö­ra den mör­ka ma­te­ri­en, är ax­io­nen. Den in­för­des te­o­re­tiskt av fy­si­ker­na (och No­bel­pris­ta­gar­na) Frank Wil­czek och Ste­ven We­in­berg på 1970-ta­let. Ax­io­ner är myc­ket lät­ta, men om de är många kan de do­mi­ne­ra mas­san i uni­ver­sum. I oli­ka ex­pe­ri­ment har man sökt dem ut­an att lyc­kas. Det är dock fort­fa­ran­de möj­ligt att de osyn­li­ga ax­io­ner­na har smi­tit un­dan, och nya ex­pe­ri­ment är på gång.

Jak­ten på den mör­ka ma­te­ri­en sker i dag i hu­vud­sak en­ligt hy­po­te­sen att vi har att gö­ra med nå­got slag av wimp. Des­sa kan

upp­täc­kas i sto­ra ac­ce­le­ra­to­rer som Lar­ge Hadron Col­li­der (LHC) vid Cern i Genève, el­ler när de sprids till följd av kroc­kar med oli­ka atom­kär­nor. Ett tred­je sätt att upp­täc­ka ­wim­par­na är när de för­in­tas, an­ni­hi­le­ras, i kol­li­sio­ner med varand­ra. Ut kom­mer van­li­ga par­tik­lar el­ler strål­ning ( gam­ma­strål­ning).

Just så­dan gam­ma­strål­ning, ljus med oer­hört hög ener­gi, upp­täck­tes för en tid se­dan och den mör­ka ma­te­ri­ens gå­ta ver­ka­de ha ta­git ett stort steg mot sin lös­ning. Det var i mars 2012 som ett över­ras­kan­de ve­ten­skap­ligt ar­be­te dök upp på den ser­ver på Cor­nell uni­ver­si­ty i USA, som många astro­fy­si­ker ögnar ige­nom var­je mor­gon. En grupp unga fors­ka­re i Tyskland ha­de på egen hand gått ige­nom mät­da­ta från den ame­ri­kans­ka Fer­mi­sa­tel­li­ten. Häp­nads­väc­kan­de nog påstod de sig ha upp­täckt tec­ken på att den mör­ka ma­te­ri­en gjort sig syn­lig ge­nom att sän­da ut gam­ma­strål­ning. Nå­gon må­nad se­na­re vi­sa­de en av de tys­ka fors­kar­na att mät­da­ta kun­de för­kla­ras med ett tyd­ligt max­i­mum i ener­gi­för­del­ning­en vid en ener­gi på cir­ka 130 gi­gae­lektronvolt (GEV). En så­dan topp skul­le va­ra ex­akt vad man kun­de för­vän­ta sig om den mör­ka ma­te­ri­en ut­görs av mas­si­va par­tik­lar med vilo­mas­san 130 GEV.

När två så­da­na par­tik­lar kol­li­de­rar och för­in­tar varand­ra, dy­ker två ljuspar­tik­lar upp i stäl­let. Ef­tersom par­tik­lar av mörk ma­te­ria med hög mas­sa skul­le här­rö­ra från det klot av mörk ma­te­ria, ”ha­lo”, som tycks om­slu­ta vår ga­lax, kan man räk­na ut att de fär­das med has­tig­he­ter på högst nå­gon pro­mil­le av ljus­has­tig­he­ten (no­ga räk­nat, ca 200 km/s). Så lång­sam­ma par­tik­lar skul­le i kol­li­sion med varand­ra, en­ligt Eins­te­ins for­mel (E = mc2), om­vand­la all sin gi­gan­tis­ka vilo­mas­sa till två ljuspar­tik­lar ut­an mas­sa, med 130 GEV ener­gi var­de­ra, som rör sig i rakt mot­satt rikt­ning i för­hål­lan­de till varand­ra.

Des­sa sen­sa­tio­nel­la på­stå­en­den fick fle­ra fors­ka­re att ge­nom­fö­ra eg­na ana­ly­ser av mät­ning­ar från Fer­mi­sa­tel­li­ten, som en­ligt av­tal med den ame­ri­kans­ka rymd­sty­rel­sen NA­SA ska hål­las till­gäng­li­ga för al­la. En fors­kar­grupp i Est­land och en vid det väl­re­nom­me­ra­de Har­vard uni­ver­si­ty be­kräf­ta­de de tys­ka re­sul­ta­ten.

När Fer­mi­fors­kar­na själ­va så små­ning­om ana­ly­se­ra­de si­na mät­da­ta kun­de de vis­ser­li­gen be­kräf­ta tys­kar­nas re­sul­tat, men de upp­täck­te ock­så nå­got som oro­a­de: just kring ener­gin 130 GEV tyck­tes in­stru­men­tet be­te sig li­te un­der­ligt. Fors­kar­na hit­ta­de en topp vid den ener­gin som kom från kan­ten mel­lan jor­dens at­mo­sfär och rym­den, där ing­en mörk ma­te­ria bor­de gå att fin­na.

När mer mät­da­ta sam­la­des in un­der de

Forsk­ning & Fram­steg 1 — 2016

Men det mesta av ga­lax­er­nas mas­sa (blått) har pas­se­rat kol­li­sions­plat­sen ut­an brom­san­de väx­el­ver­kan, vil­ket ty­der på att den till sto­ra de­lar be­står av

mörk ma­te­ria. THE BUL­LET CLUSTER – EN SPÖK­LIK KOL­LI­SION För un­ge­fär 100 mil­jo­ner år se­dan

kol­li­de­ra­de två ga­lax­ho­par i det­ta

om­rå­de.

En del av mas­san (ro­sa) har brom­sats upp – pre­cis som vi för­vän­tar oss att ma­te­ria ska gö­ra vid

en kol­li­sion.

I no­vem­ber 2015 in­vig­de Ele­na Apri­le värl­dens störs­ta xe­non­fäl­la för mörk ma­te­ria (se grafik på näs­ta si­da). Bil­den vi­sar den de­len av de­tek­torn som ky­ler ner ga­sen till mi­nus 95 gra­der Celsi­us. An­lägg­ning­en lig­ger un­der bergs­ked­jan Apen­ni­ner­na, i när­he­te

ELE­NA APRI­LE Pro­fes­sor i fy­sik vid Co­lum­bia uni­ver­si­ty i New York, USA. Hon le­der xe­non­ex­pe­ri­men­tet i Gran Sas­so, i Ita­li­en.

Newspapers in Swedish

Newspapers from Sweden

© PressReader. All rights reserved.