Mörk materia kan vara röd

Vi astronomer har länge känt till att den materia som lyser starkt nog för att synas i våra teleskop bara utgör några få procent av den samlade massan hos universums materia. Trots decennier av sökande efter den saknade mörka materien har ännu ingenting hittats. Men nu kan forskare från Uppsala, Stockholm och Åbo vara en del av den saknade massan på spåren.

Genom avancerad bildanalys har en grupp astronomer där jag ingår funnit ljussvaga och kraftigt rödfärgade strukturer kring galaxer. Det diffusa skenet från dessa så kallade röda halor tros komma från stora ansamlingar av lågmassiva och kalla stjärnor. Dessa ytterst ljussvaga objekt skulle kunna bidra väsentligt till massan hos varje enskild galax och lösa en del av den mörka materiens gåta.

Universums mörka materia

Det finns flera metoder för att uppskatta massan hos en galax. Man kan exempelvis mäta hur mycket ljus vi på jorden tar emot från dess stjärnor och gasmoln. Vet man sedan hur blandningen av stjärnor av olika typer ser ut, kan man med datormodeller räkna ut hur stor stjärn- och gasmassa som krävs för att producera det ljus som observeras. Med denna metod får man ett mått på massan hos de ljusstarka delarna av galaxen.

En annan teknik går ut på att mäta hur snabbt stjärnor och gas rör sig i galaxen, och med kunskap om gravitationslagen omvandla detta till ett mått på galaxens totala massa. Märkligt nog överensstämmer resultaten från dessa två metoder inte alls – massan hos de starkt lysande delarna visar sig vanligtvis bara utgöra en tiondel eller mindre av den totala massan hos galaxen. Det verkar alltså som om större delen av galaxernas materia inte utsänder något ljus, eller åtminstone alltför lite för att enkelt kunna upptäckas med dagens teknik.

Många andra metoder för att jämföra mängden synlig och total massa i universum ger liknande utfall, och de senaste uppskattningarna pekar mot att den materia som kan ses i astronomernas teleskop bara bidrar med några få procent till den totala massan hos rymdens materieinnehåll, medan resten utgörs av så kallad mörk materia.

Datorsimuleringar visar att denna mörka materia måste ha haft avgörande betydelse för galaxernas uppkomst och utveckling. Utan den skulle vår hemgalax Vintergatan ha sett mycket annorlunda ut, och förutsättningarna för jordens och solsystemets existens skulle ha förändrats radikalt. Trots att det nu har gått mer än sjuttio år sedan de första bevisen för den mörka materiens existens lades fram av den schweiziskfödde astronomen Fritz Zwicky, är dess exakta natur fortfarande okänd.

För att göra problemet än mer komplicerat verkar det som om det finns åtminstone två olika typer av mörk materia – baryonisk och icke-baryonisk. Baryoner är partiklar som består av tre så kallade kvarkar, med protonen och neutronen som de mest välkända exemplen. Massan hos såväl jorden som resten av solsystemet kommer nästan helt från just dessa två partiklar. Men när man studerar större skalor i universum visar sig baryonerna vara i minoritet. Inte mer än cirka 15 procent av massan i universum kommer från partiklar av detta slag. Resten, den icke-baryoniska materien, är till största del uppbyggd av partiklar som ännu är helt okända för oss.

En tänkbar kandidat till den icke-baryoniska materien är neutrinon, men dagens mätningar antyder att den bara kan förklara en bråkdel av den mörka materien. Många partikelfysiker söker i stället efter en lösning bland hypotetiska partiklar med namn som neutraliner, axioner och Kaluza-Klein-partiklar. Än så länge har inga av dessa dock kunnat upptäckas i verkligheten.

Även om den icke-baryoniska materien kan tyckas vara den mer gåtfulla av de två typerna bjuder även den baryoniska materien på svårlösta problem. Genom att lägga samman massan hos alla de stjärnor och gasmoln (vars massa domineras av baryoner) som går att upptäcka i astronomernas teleskop borde det i princip vara enkelt att beräkna de baryoniska partiklarnas totala massa, men så är inte fallet. I de inventeringar som gjorts saknas ungefär en tredjedel av de baryoner som borde finnas i universum. De måste därför vara bundna i objekt som utsänder mycket lite ljus.

Det är dessa saknade baryoner som den forskargrupp jag ingår i nu kan vara på spåren.

Halor av mörk materia

Även om vi fortfarande inte vet vad den mörka materien består av, har vi en någorlunda god uppfattning om hur den är fördelad i rymden. Den mörka materien i galaxer ligger exempelvis fördelad i en så kallad halo.

Ordet halo används vanligen för att beskriva ringformade fenomen, men i detta fall är det fråga om något annat. Halon är en fylld, nästan klotformad struktur med den synliga galaxen placerad i centrum. Denna halo av mörk materia sträcker sig långt utanför galaxens ytterkonturer och har också betydligt mer massa – uppskattningsvis cirka tio gånger mer än den synliga galaxen.

En gammal idé som nyligen fått ett uppsving är att den baryoniska mörka materien skulle kunna förklaras av ett stort antal små, ljussvaga stjärnor. Om sådana objekt befann sig på stora avstånd från galaxernas centrala delar, exempelvis ute i den mörka halon, skulle de mycket väl kunna ha undgått upptäckt, trots att de egentligen inte är helt mörka. Stämmer idén borde det gå att se det svaga ljuset från dessa stjärnor som en diffus glöd från galaxernas haloregioner.

Att försöka observera detta sken är dessvärre mycket krävande ur teknisk synvinkel. Problemet har att göra med himlens så kallade ytljusstyrka. De flesta stjärnor går som bekant inte att se under dagtid. Detta beror på att deras ljus drunknar i skenet från den solbelysta atmo­sfären. När solen försvinner under horisonten sjunker himlens ytljusstyrka kraftigt, men inte heller natthimlen är helt mörk. Skenet från månen och stadsbelysningen ställer till problem för astronomer som gör sina observationer i det optiska våglängdsområdet. För att bli av med ljusföroreningar av detta slag placerar man sina teleskop på ödsliga platser långt borta från all bebyggelse. Utför man sedan sina observationer nära perioder av nymåne slipper man ytterligare ströljus.

Men inte ens den mörkaste natthimlen på den bästa teleskopplatsen på jorden är så mörk som många astronomer skulle önska. Den återstående himmelsbakgrunden består av en kombination av ljus från kemiska processer i atmosfären, solljus reflekterat mot stoftpartiklar i solsystemet, ljus från stjärnor, gas och stoft i vår egen galax Vintergatan och ett diffust sken från en myriad andra galaxer som var och en för sig är alltför ljussvaga för att kunna urskiljas med dagens instrument.

Denna himmelsbakgrund konkurrerar ut ljuset från de ljussvagaste delarna av galaxerna och försvårar för oss astronomer som är intresserade av att studera sådana strukturer. För att kunna undersöka delar av galaxerna som är väsentligt ljussvagare än natthimlen krävs mycket tidskrävande observationer och avancerad bildbehandling.

Rött sken kring galaxen NGC 5907

Redan för tio år sedan drogs forskarvärldens uppmärksamhet till den kantställda skivgalaxen NGC 5907, kring vilken flera internationella forskargrupper ansåg sig ha upptäckt den svaga glöden från en halo av stjärnor.

Vad som var särskilt häpnadsväckande var att en färganalys av det uppmätta ljuset visade att halon var långt rödare än vad som enkelt kunde förklaras med någon känd typ av stjärnpopulation. Stjärnor föds med en stor spännvidd i massa – från mindre än en tiondel av massan hos vår egen sol till mer än hundra gånger denna massa. De lågmassiva, som är betydligt vanligare än sina större släktingar, lyser svagare och med ett rödare sken.

Halon kring NGC 5907 visade sig dock vara betydligt rödare än vad en normal sammansättning av hög- och lågmassiva stjärnor skulle ha varit. Av någon anledning tycktes det röda skenet komma från en samling stjärnor med en extremt hög andel stjärnor med låga massor; precis sådana objekt som skulle kunna vara bra kandidater till den baryoniska mörka materien. Men eftersom tekniken för att vaska fram det svaga haloskenet ur den betydligt ljusare himmelsbakgrunden är så komplicerad och kantad av fallgropar har upptäckten av NGC 5907:s röda halo blivit kraftigt ifrågasatt på senare år. Kanske är skenet som rapporterats bara en effekt av otillräcklig eller rent av felaktig bildbehandling?

Debatten om denna röda halo har gått fram och tillbaka och befinner sig just nu i något av ett dödläge. Lyckligtvis har liknande strukturer nyligen hittats kring flera andra galaxer, vilket tyder på att de röda halorna trots allt är verkliga.

Nya röda halor

Astronomer i Uppsala och Stockholm har länge varit intresserade av så kallade blå kompakta galaxer – små galaxer som av någon anledning bildar stjärnor i rasande takt. År 2002 upptäckte Nils Bergvall, Uppsala astronomiska observatorium, och Göran Östlin, Stockholms observatorium, ljussvaga strukturer utanför de kraftigt blåfärgade centrala delarna där de unga stjärnorna i dessa galaxer befinner sig. En noggrann analys av de ljussvaga halor som man upptäckt visade att de – liksom halon kring den ovan nämnda galaxen NGC 5907 – är så djupröda i färgen att de var svåra att förklara med att det rörde sig om en normal sorts stjärnpopulation.

Att det finns röda halor kring så vitt skilda galaxtyper som skivgalaxer och blå kompakta galaxer betyder att fenomenet kan vara vanligt – kanske till och med att alla galaxer har sådana halor. Detta är precis vad man förväntar sig om fenomenet är kopplat till den mörka materien, eftersom i stort sett alla galaxer tros innehålla stora mängder av den varan.

Under 2004 publicerade en grupp tyska och amerikanska astronomer en intressant undersökning där de hade lagt samman över tusen bilder av kantställda skivgalaxer och vaskat fram en sorts medelhalo för galaxer av denna typ. Än en gång visade den sig vara kraftigt rödfärgad, helt i linje med tidigare fynd.

Hur vet vi då att det röda, diffusa skenet verkligen kommer från stjärnor och inte från något annat fenomen? För att tolka observationer av detta slag använder vi datormodeller som förutspår hur färgen hos en stjärnpopulation beror av ett antal faktorer: stjärnornas ålder, fördelningen mellan stjärnor med olika massor, stjärnornas kemiska sammansättning samt egenskaperna hos gasen och stoftet mellan stjärnorna.

Med hjälp av sådana modeller gjorde jag och mina kolleger nyligen en utvärdering av de olika hypoteser som lagts fram för att förklara de röda halorna. Den enda idé som visade sig förenlig med alla tillgängliga observationer var just en stjärnpopulation med en ovanligt hög andel lågmassiva, mycket ljussvaga stjärnor. Räknar man om det uppmätta ljuset från en sådan halo till massa, blir den hög nog att kunna bidra väsentligt till innehållet av baryonisk mörk materia i varje enskild galax. Det verkar alltså som att all mörk materia inte är helt mörk – en del av den är bara mycket ljussvag.

Sökandet går vidare

Det finns många olika sorters galaxer, och sökandet efter röda halor kring andra typer än de som hittills undersökts är redan i gång. I nuläget arbetar vi med att söka efter röda halor kring såväl galaxer av elliptisk typ som olika sorters dvärggalaxer.

För att utföra sina mätningar ansöker man som astronom om observationstid på olika teleskop, oftast i hård konkurrens med andra grupper och projekt. I hopp om att lösa de röda halornas gåta har vår grupp redan insamlat stora datamängder vid det Nordiska optiska teleskopet på kanarieön La Palma, med Europeiska sydobservatoriets teleskop i Chile – däribland det största euro­peiska teleskopet VLT (Very Large Telescope) – och med rymdteleskopet Spitzer. Nu väntar det mödo­samma arbetet med att analysera bilderna för att se var de röda halorna dyker upp och om även de nya mätningarna verkligen är förenliga med en halo av lågmassiva stjärnor.

Men den verkliga utmaningen ligger ännu en bit in i framtiden. Hos de galaxer som hittills undersökts har det bara varit möjligt att studera det diffusa halosken som alstras av miljardtals enskilda stjärnor. I mer närbelägna galaxer bör det där­emot vara möjligt att detektera de ljussvaga halostjärnorna en och en. Det skulle i sådana fall utgöra ett ovedersägligt bevis för att en del av den mörka materien verkligen ligger gömd i dessa djupröda halor. I skrivande stund pågår förberedelserna för fullt för att utföra de svåra observationer som krävs för att åstadkomma detta.