Forskning & Framsteg

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

 ??  ?? Men det mesta av galaxernas massa (blått) har passerat kollisions­platsen utan bromsande växelverka­n, vilket tyder på att den till stora delar består avmörk materia. THE BULLET CLUSTER – EN SPÖKLIK KOLLISION För ungefär 100 miljoner år sedankolli­derade två galaxhopar i dettaområd­e.En del av massan (rosa) har bromsats upp – precis som vi förväntar oss att materia ska göra viden kollision.
Men det mesta av galaxernas massa (blått) har passerat kollisions­platsen utan bromsande växelverka­n, vilket tyder på att den till stora delar består avmörk materia. THE BULLET CLUSTER – EN SPÖKLIK KOLLISION För ungefär 100 miljoner år sedankolli­derade två galaxhopar i dettaområd­e.En del av massan (rosa) har bromsats upp – precis som vi förväntar oss att materia ska göra viden kollision.
 ??  ??
 ??  ??
 ??  ?? ELENA APRILE Professor i fysik vid Columbia university i New York, USA. Hon leder xenonexper­imentet i Gran Sasso, i Italien.
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