mørk materie

Stjernehimmelen

AlxeyPnferov. Gjengitt med tillatelse

Mørk materie er materie i universet som ikke sender ut stråling, og som vi dermed ikke kan observere direkte. Bevis for eksistensen av mørk materie har kommet frem gjennom observasjoner av gravitasjonsvirkningen som den mørke materien har på synlig materie.

Beregninger av galaksers rotasjonshastighet sammenlignet med observasjoner, som funksjon av avstanden fra sentrum av galaksen.

Beregninger sammenlignet med observasjoner av en galakses rotasjonshastiget, som funksjon av avstand fra sentrum av galaksen av Wikibruker: PhilHibbs. Tilpasset til norsk av Kristin Carlsson. CC BY SA 3.0

Den første astronomen som hevdet at det måtte eksistere store mengder mørk materie i universet var Fritz Zwicky, som observerte bevegelsene av galakser i Comahopen, og publiserte i 1937 en vitenskapelig artikkel om sine funn. I artikkelen beskrev han hvordan galaksene roterer for raskt til at den observerte, lysende materien kan gjøre rede for bevegelsen (se figur 1). Det måtte være over 400 ganger mer materie i galaksehopen enn materien som kunne observeres, for at gravitasjonsfeltet til massen skal være sterkt nok til å holde hopen sammen. I artikkelen foreslo han også å bruke den gravitasjonelle linseeffekten for å studere den mørke materien.

Astronomene tok til å begynne med ikke mye notis av Zwickys konklusjon. Først i 1970-årene fikk forskningen på mørk materie vind i seilene. Da kartla Vera C. Rubin og W. Kent Ford jr. bevegelsene av stjerner i Melkeveiens nærmeste galakser, og kom til en liknende konklusjon som Zwicky. De fant at stjernene i spiralgalakser beveger seg for fort, det vil si at galaksene roterer for raskt. Det måtte dermed være mye mer mørk materie i galaksene enn den lysende materien vi kan observere. Hvis ikke ville galaksene for lengst ha løst seg opp.

Omkring år 2000 begynte forskerne å bruke den gravitasjonelle linseeffekten til å kartlegge fordelingen av mørk materie i universet. Lys avbøyes av konsentrasjoner av masse, og en galakse eller en galaksehop kan virke som en samlelinse.

Det er den totale massen som betyr noe for hvor mye lyset avbøyes, ikke bare den lysende materien. Derfor forteller observasjoner av gravitasjonslinser om fordelingen av summen av vanlig materie og mørk materie i for eksempel en galaksehop.

De siste 30 årene har det vært gjort utallige forsøk på å identifisere den mørke materien. I 1990-årene fikk vi nye kunnskaper om universet som viste at den mørke materien ikke kan bestå av vanlig materie. Argumentet består av tre deler.

Beregninger av produksjon av helium og litium fra hydrogen i den kosmiske nukleosyntesen som skjedde i det første kvarteret av universets historie, viste at mengden av helium og litium som ble produsert, avhenger av hvor mye vanlig materie det er i universet.

Med «vanlig materie» menes her materie som består av protoner og nøytroner. Protoner og nøytroner består av tre kvarker og er tunge til elementærpartikler å være. På gresk heter tung «barys», og derfor kalles partikler som består av tre kvarker for baryoner og vanlig materie for baryonisk materie.

Mengden av helium og litium i universet kan bestemmes ut fra observasjoner av spektrallinjer i lyset fra stjernene. Beregningene og observasjonene viser at den gjennomsnittlige tettheten av vanlig materie i universet er omtrent 4,5·10-28 kg/m3, det vil si omtrent fire og et halvt hydrogenatom på ti kubikkmeter.

Observasjoner av mønsteret på himmelen av temperaturvariasjoner i den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen viste at universet har flat (evklidsk) romlig geometri. Det betyr at universets gjennomsnittlige massetetthet er lik den såkalte kritiske massetettheten, ρkr.

Den kan beregnes med kjennskap til hastigheten av universets ekspansjon, ρkr = 3H2/8ΠG, der H er Hubbleparameteren, og G er Newtons gravitasjonskonstant. Verdien av H er per 2019 bestemt med omtrent 1,3 % nøyaktighet. Innsetting i formelen viser at universets kritiske massetetthet er 10-26 kg/m3, det vil si omtrent 10 hydrogenatomer per kubikkmeter.

I 1998 ble det oppdaget at universets ekspansjon øker i hastighet. Ut fra det vi vet i dag kan akselerasjonen bare forklares som et resultat av frastøtende gravitasjon. Ifølge Newtons gravitasjonsteori er all gravitasjon tiltrekkende, så denne observasjonen hadde vært umulig å forklare med Newtons gravitasjonsteori. Einsteins generelle relativitetsteori, derimot, tillater frastøtende gravitasjon. Teorien forteller også at energi som det ikke går an å måle farten i forhold til, forårsaker frastøtende gravitasjon. Slik energi kalles mørk energi. Ifølge relativitetsteorien har all energi masse. Beregninger ut fra den observerte fartsøkningen til universets ekspansjon viser at tettheten av den mørke energien er 68 % av den kritiske tettheten.

Vi så i punkt 1 at den gjennomsnittlige tettheten av vanlig materie i universet er omtrent fire hydrogenatomer på ti kubikkmeter, og i punkt 2 at den kritiske tettheten er omtrent 10 hydrogenatomer per kubikkmeter. Det betyr at tettheten av den vanlige materien utgjør 4 % av den kritiske tettheten. Følgelig må det være store mengder mørk materie i universet. Siden den totale massetettheten i universet er lik den kritiske tettheten (punkt 2), må den mørke materien ha en gjennomsnittlig tetthet lik (100-68-4,5) % = 27,5 % av den kritiske tettheten. Dette betyr at i universet er det omtrent 6 ganger så mye mørk materie som lysende materie. Dette kan ikke forklares bort ved hjelp av såkalt modifisert Newtonsk dynamikk (MOND). Ifølge punktene 1-3 må den kosmiske mørke materien være ikke-baryonisk materie, og det må være omtrent 6 ganger mer av den enn vanlig materie.

Vi vet ikke hva den mørke materien består av. Mulighetene som har vært diskutert, kan deles inn i baryonisk materie og ikke-baryonisk materie.

Den baryoniske materien består av protoner og nøytroner, som igjen består av kvarker. Forslag til hvor vi finner baryonisk mørk materie er at den finnes i

  • interstellar varm gass
  • støvskyer
  • «snøballer», det vil si klumper med kondensert hydrogen
  • atomær eller molekylær hydrogengass
  • sorte hull med masser på flere millioner solmasser i galaksenes sentre
  • MACHOs (Massive Compact Halo Object), det vil si meteorer, småplaneter og brune dverger.

De baryoniske forslagene til mørk materie er observert, men ikke i tilstrekkelige mengder til å kunne utgjøre all den mørke materien.

Kandidater til ikke-baryonisk mørk materie er

Felles for alle de ikke-baryoniske partiklene er at ingen av dem er observert.

For å identifisere partiklene som utgjør den mørke materien er det nødvendig å observere dem også på annet vis enn indirekte gjennom deres gravitasjon. Hvordan en slik observasjon kan gjøres, avhenger av egenskaper ved den mørke materien som ikke er mulig å avgjøre kun fra gravitasjonspåvirkningen. Det er derfor nødvendig å bruke en rekke ulike søkestrategier for å kunne dekke flest mulig av de hypotesene som er fremsatt for å forklare den mørke materien. Det er vanlig å dele de ulike søkene inn i tre kategorier basert på nøyaktig hvordan man forsøker å finne den mørke materien:

  • direkte søk
  • indirekte søk
  • akseleratorbasert søk

I et direkte søk bruker man en detektor der man håper å se effekten av at en mørk materie-partikkel treffer detektormaterialet.

Indirekte søk baserer seg på at mange av de foreslåtte kandidatene for mørk materie kan enten henfalle eller annihilere til andre partikler, og ved å observere disse partiklene er det håp om å identifisere den mørke materien.

Ved akseleratorbasert søk prøver man å selv produsere partikler av den typen som utgjør den mørke materien, for eksempel med LHCCERN, for så å gjøre målinger på egenskapene.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

29. juni 2011 skrev Lyder Ovesen

Jeg noterer meg at du ikke nevner noe om mørk energi i denne artikkelen. Jeg mener at mørk energi har en viktig rolle i denne artikkeln.
Jeg håper du forbedrer artikkelen.

29. juni 2011 svarte Øyvind Grøn

Hei Lyder!

Mørk energi har ikke noe med mørk materie å gjøre, så langt vi vet hittil. Mørk materie lager tiltrekkende gravitasjon og sørger for å holde galaksene og galaksehopene sammen. Mørk energi lager frastøtende gravitasjon som gjør at universets ekspansjonsfart øker.

Vennlig hilsen

Øyvind

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.