Mörk materia inom räckhåll
Så ska vi fånga
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