Så ska vi fånga mörk materia

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 följande åren sjönk sannolikheten för att det kunde röra sig om mörk materia.

I stället för att ha löst gåtan, gav Fermiresultaten en nyttig påminnelse om de två felkällor som belastar alla mätningar: statistiska fel och systematiska fel. Gammatoppen vid 130 GeV orsakades troligen av en kombination av båda.

Ingen upptäckt än, alltså. Men under 2016 bör vi kunna göra en ny kartläggning av gammastrålningen från Vintergatans centrum med ett nytt markbaserat teleskop, HESS-II i Namibia, Afrika. Flera länder samarbetar om bygget; också Sverige är med genom ett bidrag från Wallenbergfonden.

Två nya ersättare för Fermisatelliten planernas också. Ryssland driver ett projekt som kallas GAMMA-400. Och ”nykomlingen” i forskningens frontlinje, Kina, ska placera det ambitiösa instrumentet HERD på sin egen rymdstation. Det ska någon gång kring år 2020 ge helt nya möjligheter för mätningar av gammastrålning. I väntan på HERD skjuter kineserna i dagarna upp ett kinesiskt pilotexperiment, satelliten Dark matter particle explorer.

De senaste tecknen på mörk materia kommer från det mer kontinuerliga flödet av ljuspartiklar, fotoner, från området kring centrum av vår galax, Vintergatan. Speciellt en amerikansk forskargrupp i Chicago hävdar att Fermidata kan tolkas på det sättet. Problemet är att det finns ett antal mer alldagliga astrofysikaliska fenomen som kan ge liknande signaler. Till exempel sänder även snabbt roterande pulsarer ut gammastrålning. Också det stora svarta hålet på 4 miljoner solmassor i Vintergatans centrum kan ge ifrån sig partikel- och fotonstrålning.

Under de senaste åren har forskare vid Stockholms universitet tillsammans med Fermiforskarna analyserat ett flertal av de dvärggalaxer som omger Vintergatan. Dessa verkar helt domineras av mörk materia och är därför mycket enklare att studera än Vintergatans centrum. Genom att kombinera signalerna från dvärggalaxerna på ett finurligt sätt, har forskargruppen för första gången lyckats ringa in gammastrålning som sänds ut när partiklarna av mörk materia annihilerar varandra. Främst gäller det partiklar som är lättare än 100 protonmassor, men ingen signal har hittats, vilket betyder ny viktig kunskap; om wimpar är förklaringen till den mörka materien, måste de ha en massa större än så.

När wimparna ska mätas direkt söker vi främst de som passerar nära oss, med en hastighet på kring 200 kilometer i sekunden. Eftersom wimparna inte är elektriskt laddade, skär de allra flesta rakt igenom jorden utan att märkas (precis som de neutriner som var föremål för upptäckten som gav 2015 års Nobelpris till Takaaki Kajita och Arthur McDonald). Men någon enstaka gång kan en wimp krocka med en atomkärna. Det ger en rekyl hos atomkärnan och då alstras energi, om än väldig liten, vilket i sin tur kan leda till värme eller till att elektroner slås ut från de kringliggande atomerna.

För att mäta rekylen gäller det att välja detektorns material så att dess atomkärna motsvarar wimpen i massa. De mest känsliga detektorerna använder därför ädelgasen xenon, som väger cirka 130 gånger mer än en proton. Den rekylerande xenonkärnan ger upphov till elektriska signaler som registreras för att skilja wimparna från andra, ointressanta, partiklar som hela tiden sprids i detektorn. Just problemet med störningar från andra partiklar är den största utmaningen för att göra direkta mätningar av mörk materia.

Som sagt är det näst intill osannolikt att en wimp krockar i detektorn. Till och med i en tank med ett ton xenon förväntas under ett år bara några få wimpar ge sig till känna. För att kunna urskilja signalerna placeras detektorerna långt bort från den starkaste felkällan – de partiklar som produceras ur den kosmiska strålningen och som ständigt bombarderar jordens atmosfär från alla håll i rymden.

Det mest känsliga experimentet i dag som använder xenon utförs i en gammal motorvägstunnel i Gran Sasso-massivet i italienska Apenninerna, drygt två timmars bilfärd från Rom. Ännu bättre detektorer som ökar sannolikheten för att hitta wimp-krockar är på väg. Sedan 2014 har vi på Stockholms universitet samarbetat med forskare i USA, Tyskland, Italien, Frankrike och Schweiz om en ny detektor med 1 000 kilo xenon, som invigdes i november i år. Stockholms universitet har också förbundit sig att bygga ett centrum för dataanalys för att hitta den nål i höstacken som wimp-signalen utgör.

Beroende på hur tunga de wimpar är som ska fångas och hur rekylen ska mätas, används även andra material, som nerkylda kristaller av kisel, germanium, natriumjodid och cesiumjodid, i detektorn. En till synes mycket intressant signal har dykt upp i en detektor med natriumjodid – DAMA (dark matter apparatus), även den placerad i Gran Sasso-laboratoriet. Signalen är något högre på sommaren än under vintern, vilket faktiskt är precis vad man skulle förvänta sig om den mörka materien i vår galax består av wimpar.

Denna typ av signal förutspåddes redan på 1980-talet av Katherine Freese. Hon är numera professor vid Stockholms universitet och föreståndare för Nordita, det nordiska institutet för teoretisk fysik. Gruppen kring DAMA-detektorn har i flera år hävdat att signalen är riktig och även undersökt många andra orsaker till den, utan att hitta någon. Dock har inga andra experiment kunnat bekräfta signalen. Så det är få i dag som tror på upptäckten, även om en del forskare fortfarande funderar över hur den skulle kunna förklaras.

Men till och med de känsligaste detektorerna har en nackdel: de kan inte mäta varifrån wimpen kommer. Att känna till riktningen skulle behövas, både för att vara säker på att det verkligen är wimpar som vi har fångat och för att studera fördelningen av mörk materia i universum, ett slags wimp-astronomi.

En rätt exotisk idé för att råda bot på det problemet är att använda strängar av dna. Tanken är att när en wimp träffar en atomkärna studsar den i väg mot ett gitter av dna-strängar och skär av några av dem. Varje liten dna-bit är bara några få nanometer stor, så i princip skulle man kunna mäta spåren i tre dimensioner med nanometerprecision och på så sätt härleda varifrån wimpen kom.

Om det nu händer att en wimp lämnar spår i någon av detektorerna, återstår det att avgöra vilken typ av partikel det kan vara. Allra mest övertygande vore förstås om partikelacceleratorn LHC vid Cern skulle hitta den, för då skulle vi kunna mäta både partikelns massa och styrkan hos dess växelverkan med vanlig materia. Efter succén med upptäckten av Higgspartikeln är i själva verket mörk materia ett av de högst prioriterade målen för aktiviteterna vid Cern. Och nu när energin höjs från 8 till 13 teraelektronvolt (13 biljoner elektronvolt), och intensiteten i strålarna ökar, blir det kanske vid Cern som vi hittar de första trovärdiga tecknen på den mörka materiens natur.

Om forskarna:

Lars Bergström (t.v.) är professor i teoretisk fysik vid Stockholms universitet. Hans huvudintresse är astropartikelfysik, ett relativt nytt område inom fysiken som handlar om samband mellan de minsta beståndsdelarna och hela universum.

Jan Conrad är professor i experimentell astropartikelfysik vid Stockholms universitet och forskar främst om den mörka materiens natur.

Rita Bernabei

Professor i fysik vid universitetet i Rom, Italien. Hon leder Dama-experimentet i Gran Sasso i Italien.

Katherine Freese

Professor i fysik vid Stockholms universitet och föreståndare för Nordita, det nordiska institutet för teoretisk fysik.

Elena Aprile

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