Universums mystiska mörker

Den osynliga materien upptäcktes av den schweiziske astronomen FritzZwicky, som på 1930-talet studerade galaxhopen Coma. Hankonstaterade att det inte går att förklara de hastigheter somgalaxerna i hopen rör sig med på annat sätt än att det måste finnasupp emot hundra gånger mer massa där än han kunde se. Zwicky kalladeden osynliga materien för ”mörk materia”.

Det var dock inte många astronomer som tog Fritz Zwickys upptäckt påallvar. Dels därför att han bara hade undersökt rörelserna hos sju avgalaxhopens tusen galaxer, dels därför att idén med så mycket osynligmateria lät alltför otrolig. Dessutom ansågs Zwicky vara för ung ochosympatisk.

Det dröjde nästan 40 år innan Zwickys idé om mörk materia blevallmänt accepterad. I början av 1970-talet mätte den amerikanskaastronomen Vera Rubin rotationshastigheten hos stjärnorna iflera hundra galaxer. Hon fann att stjärnorna i galaxernas utkanterroterar lika snabbt som stjärnorna närmare galaxens centrum. Detta ärbara möjligt om stora mängder mörk materia omger den synliga materieni alla galaxer. Samtidigt undersökte andra astronomer stjärnornasrörelser i vår hemgalax Vintergatan och hos galaxgrannen Andromedaoch upptäckte att även dessa måste innehålla långt mer massa än vadsom syns.

Nu tvingades astronomerna att överge den allmänna uppfattningen attall materia i universum är av samma typ som den vi bäst känner till,den som vi själva består av. I själva verket har ”vanlig materia”visat sig vara ganska ovanlig i universum.

Vi kan se den vanliga materien för att den antingen lyser själv, somstjärnorna, eller stoppar ljus, som stoftmoln mellan stjärnorna. Denmörka materien däremot, varken sänder eller hejdar några ljusstrålaroch borde hellre kallas osynlig eller genomskinlig materia.

Såsom i ett förstoringsglas

Hur kan man då studera den mörka materien? Fritz Zwicky och VeraRubin lyckades hitta den genom att iaktta hur den med sin massapåverkar den synliga materiens rörelser. I dag använder vi även enmer spektakulär metod – vi följer ljusstrålar som kröks avgravitationen på sin väg genom rymden.

Det är samma effekt som när en ljusstråle far igenom en vanligglaslins – i glasögon, kikare eller förstoringsglas – den böjs av ochfokuseras. I rymden är det gravitationen från massiva objekt, såkallade gravitationslinser, som får ljuset att svänga när detpasserar. Ju tyngre objekt och ju närmare detta som ljusstrålenfärdas, desto större avböjning.

Att detta sker förutsågs av Isaac Newton redan för över 300 år sedan,men det var först år 1915 som Albert Einstein med sin nya teori förgravitationen, den allmänna relativitetsteorin, kunde beräknaavböjningen korrekt. Den befanns vara dubbelt så stor som Newtontrott. Fyra år senare bekräftade den brittiske astronomen ArthurEddington att Einsteins beräkningar stämde. Under ensolförmörkelseexpedition i Västafrika mätte han ljuset frånstjärnorna bortom solen. Strålen böjdes av på väg mot jorden avsolens gravitation, och Einstein blev världsberömd på kuppen.

Sågs som kuriosa

Gravitationslinser sågs dock på den tiden bara som kuriosa. Man ansågatt det var omöjligt att observera avböjningen hos ljusstrålar sompasserar andra stjärnor än solen. Återigen var Zwicky långt före sintid när han föreslog att hela galaxer snarare än enstaka stjärnorskulle användas som gravitationella förstoringsglas. Han insåg ocksåatt avböjningsvinkeln hos ljuset ger ett mått på galaxens massa.Därigenom skulle man kunna avgöra hur mycket mörk materia det är somhåller sig dold bland galaxerna och galaxhoparna.

Tyvärr kom det att dröja fem år efter Zwickys död innan den förstagalaxlinsen upptäcktes år 1979. Fram till i dag har vi hittat mångaolika linser, och vi har med hjälp av dem kunnat se mycket avlägsnaobjekt i universum.

Våra resultat bekräftar Zwickys och Rubins en gång så sensationellaupptäckter: galaxer och galaxhopar består verkligen till allrastörsta delen av mörk materia. Vi kan nu även se hur den mörkamaterien är fördelad. Varje galaxhop är inbäddad i en halo av mörkmateria som innesluter alla galaxer i hopen. Dessutom har varjeenskild galax en halo av mörk materia som sträcker sig mycket längreut än stjärnorna och gasen i galaxen. Och inte nog med det,varje galaxhalo innehåller i sin tur en mängd mindre haloer.

Vi vet ännu inte vad den mörka materien är för något. Däremot vet viatt den – förutom att påverka hur stjärnor och galaxer rör sig ochatt den kan få ljuset att böja av – har styrt hela universums historia.Universum blev genomskinligt

Världsalltets historia kan vi i dag berätta i grova drag. Vi harteorier att räkna med och instrument att se tillbaka i tiden med: dettar ju tid för ljuset att nå oss från avlägsna källor. Om du tittarpå Androme-dagalaxen, som ligger 2 miljoner ljusår bort och som kan ses medblotta ögat, så ser du den som den såg ut för 2 miljoner år sedan.Med kraftfulla teleskop kan vi i dag se galaxer hela 12 miljarder årtillbaka i tiden.

Ännu längre tillbaka, för nästan 14 miljarder år sedan, var universumså tätt sammanpackat att vi inte kan beskriva det med dagensfysikaliska teorier. Vad vi vet är att vid någon tidpunkt börjadeuniversum att expandera, och vi räknar universums ålder från dennabig bang.

Det tidiga universum var en het ursoppa där ljuspartiklarna,fotonerna, ständigt studsade mot den vanliga materien. Det kom att ta380 000 år innan tätheten och temperaturen på denna ursoppa hadesjunkit tillräckligt mycket för att fotonerna skulle kunna färdasfritt genom rymden. Dessa fotoner kallar vi för den kosmiskabakgrundsstrålningen, och längre tillbaka i tiden kan vi alltså inte se.Ungefär en hundradel av störningarna i din tv, det som kallasmyrornas krig, orsakas av fotoner i den kosmiskabakgrundsstrålningen. Det krävs kraftfulla teleskop, som detsatellitburna WMAP, för att få en riktigt bra bild avmikrovågsbakgrunden och universum när det var 380 000 år ungt.

På den tiden fanns inga galaxer, stjärnor eller planeter. Materienvar nästan perfekt jämnt utspridd: tätheten varierade med bara en delpå hundratusen. Dessa små variationer räckte för att de tätastetrakterna skulle dra till sig materia från sin omgivning med hjälp avgravitationen. De täta regionerna blev då allt tätare och mindre tätaregioner ännu mindre täta. Under årmiljardernas lopp fylldes sedanrymden med alla de stjärnor, galaxer och galaxhopar som vi kanobservera i dag.

Bekräftas från flera håll

Med hjälp av mätningar från WMAP har vi kunnat studera hur de allraförsta variationerna i tätheten såg ut för drygt 13 miljarder årsedan. Detta kan jämföras med vad vi kan se i dag, och på så vis gårdet att beräkna materiens täthet i dagens universum.

För vanlig materia gäller att vi i dag har en täthet på i medeltal enväteatom per en volym på 4 000 liter. Det motsvarar ett halvtmilligrams massa i ett klot stort som hela jorden. Det låter oerhörtlitet, men ändå är det ungefär dubbelt så mycket som det vi kan se irymdens stjärnor och gas. Det innebär att det måste finnas storamängder osynlig eller mycket ljussvag vanlig materia. Kanhända hittarvi denna resterande hälft i gasmoln mellan galaxerna och galaxhoparna- nya observationer med röntgenteleskopet Chandra tyder på det.Beräkningar visar att mängden vanlig materia, även inklusive denhälft vi inte ser, inte räcker till för att hinna skapa allagalaxhopar och galaxer i universum på den till buds stående tiden,knappt 14 miljarder år. För att åstadkomma detta behövs det drygt femgånger mer materia, och det stämmer bra överens med den mängd mörkmateria som vi tror finns i galaxerna och galaxhoparna.

Ändå förundras man – det saknas ju både vanlig och mörk materia – harvi gjort något grundläggande fel i våra beräkningar? Troligtvis inte.Vi kan nämligen uppskatta mängden materia även på andra sätt och fårdå ungefär samma resultat. Till exempel stämmer förekomsten av delättaste grundämnena i universum i dag med vad vi kan räkna ut frånWMAP-data. Även den totala materietätheten som den observeras medWMAP-satelliten stämmer med vad vi förväntar oss enligt den såkallade inflationsteorin som beskriver universums allra tidigastehistoria.

Universums expansion

Ett annat sätt att ta reda hur mycket materia det finns i vår värld äratt studera universums expansion. Om det inte hade funnits någonmateria alls i universum, skulle expansionshastigheten ha varitkonstant ända från big bang. Men gravitationen verkar som enattraktionskraft mellan olika massor, så den bromsar utvidgningen. Jumer materia runtom i världsalltet, desto mer bromsas expansionen. Vikan alltså uppskatta mängden materia i universum genom att mäta hurexpansionshastigheten avtar med tiden.

Denna förändring kan vi fastställa om vi mäter hastigheten hosrymdobjekt på olika avstånd från jorden – olika långt bort innebär juatt vi ser objekten vid olika tidpunkter i historien. För knappt tioår sedan lyckades två oberoende forskargrupper mäta hastigheterna ochavstånden till en speciell klass av stjärnor, supernovor. Resultatetslog forskarvärlden med häpnad: expansionen saktar inte alls ner utanhar i stället under de senaste tre miljarder åren börjat gå alltsnabbare.

Vad det är som driver denna accelererande expansion av universum kanvi bara spekulera om. Vi brukar tala om ”mörk energi”, som till 70procent fyller rymden. Resten är materia, både den vanliga (5procent) och den mörka (25 procent). Och mängden materia är som sagtdensamma som mätningarna från WMAP ger.

Pusselbitarna från alla observationer faller på plats perfekt! Tyvärrförstår vi ännu inte bilden, eftersom den utvisar materie- ochenergiformer som är helt okända för oss.

Einstein ifrågasätts

Det saknas dock inte förslag på hur gåtan med universums doldamateria ska lösas. Så till exempel dyker det ständigt upp nya försökatt förklara observationerna genom att i stället ändra pågravitationslagarna i Einsteins allmänna relativitetsteori.Gemensamt för dessa försök är att de skräddarsys för en viss typ avobservationer, till exempel mätningar av rotationshastigheten hosstjärnorna i galaxer. Men de misslyckas då med att förklara de övrigatecknen på den mörka materiens osynliga existens. Därför avvisasdessa förklaringar av majoriteten inom forskarvärlden.

Neutrinerna räcker inte till

De flesta astronomer och fysiker tror att den mörka materien bestårav svagt växelverkande massiva elementarpartiklar. En möjlig kandidatär neutriner, som man länge trodde var masslösa, men som nyligen harvisat sig ha en massa. Vi vet att de finns i ofantliga mängder ochkorsar rymden med höga hastigheter. I själva verket lite för snabbtför att hinna vara med och bilda de strukturer som vi observerar iuniversum i dag. Av det skälet vet vi att neutriner bara kan utgöraen liten del – mindre än 2 procent – av den mörka materien.

Därför jagar forskare världen runt okända partiklar med mycket högremassa än neutrinerna. Dessa kallas ofta för wimps (weakly interactingmassive particles). En mängd experiment pågår och planeras förframtiden där man försöker få en skymt av den svaga växelverkanmellan mörk materia och vanlig materia. Dock utan framgång än så länge.

Problemet är att den svaga växelverkan är just mycket svag. En typiskneutrino kan till exempel färdas flera ljusår tvärs genom massivt blyutan att stoppas på vägen! Därför är det extremt svårt att skiljamellan ett eventuellt spår av mörk materia och de störningar somalltid hittas i ett experiment.

Då och då hävdar forskare att de har fått fatt på wimps. En italienskforskargrupp anser sig ha fångat wimps eftersom de har kunnat mätaårliga variationer i styrkan på sin signal. Under halva året färdasjorden i sin bana runt solen i riktning mot den mörka materien, ochdå träffar vi på fler mörka partiklar än när vi under andra halvåretfärdas medströms och fångar färre mörka partiklar. De flesta forskareställer sig mycket skeptiska till resultatet, eftersom ingen annanhar hittat några wimps än.

Man har också, dock utan framgång, försökt att skapa wimps påkonstgjord väg genom att kollidera vanliga partiklar vid mycket högaenergier i partikelacceleratorer. I krocken omvandlas energi tillmassa, men än så länge verkar energierna inte ha räckt till för attbilda de mörka partiklarna.

Förhoppningarna ställs nu till den nya acceleratorn LHC som byggs viddet europeiska elementarpartikellaboratoriet Cern i Genève. Därkommer högre energier än någonsin tidigare att uppnås och därigenomfinns en chans att få fram tyngre partiklar. Risken finns dock att demörka partiklarna har för stora massor och/eller för svag växelverkanför att kunna skapas och upptäckas under överskådlig tid.

Fantasin får spelrum

En annan möjlighet är att den mörka materien, förutom neutrinerna,inte alls växelverkar svagt utan bara via gravitationen. I så fallkommer vi troligtvis aldrig att kunna mäta och lära oss något omegenskaperna på partikelnivå hos den mörka materien, eftersomgravitationen är för svag för att kunna observeras hos enstakapartiklar.

Att det verkar oerhört svårt att lösa den mörka materiens gåta ärdock inget som avskräcker dagens forskare, snarare tvärtom!Experimentalister och observatörer sporras av de stora tekniskautmaningarna medan teoretiker, som än så länge inte begränsas avalltför stora mängder mätdata, har mycket nöje av att med stortspelrum för fantasin ständigt hitta på nya modeller för vad den mörkamaterien skulle kunna tänkas vara. Än så länge framstår dockmysteriet med universums mörka sidor som vetenskapens kanske allrastörsta gåta.