Mørk materie, usynlig masse i universet, materie i universet som vi ikke observerer lys fra.

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. Han observerte bevegelsene av galakser i Comahopen og publiserte i 1937 en artikkel der han skrev at galaksene beveger seg så raskt at det må være over 400 ganger mer materie i galaksehopen enn den observerte lysende materien 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. Stjernene i spiralgalakser beveger seg for fort. Galaksene roterer for raskt! Det må 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 massekonsentrasjoner. 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 gravitasjonslinsebilder 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.

1. 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 observasjonslinjer av spektrallinjer i lyset fra stjernene. Beregningene og observasjonene viser at den gjennomsnittlige tettheten av vanlig materie i universet ikke kan være større enn 4·10-28kg/m3, det vil si omtrent fire hydrogenatomer på ti kubikkmeter.

2. Observasjoner av mønsteret på himmelen av temperaturvariasjoner i den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen viste at universet har evklidsk romlig geometri. Det betyr at universets gjennomsnittlige massetetthet er lik den såkalte kritiske massetettheten. Den kan beregnes med kjennskap til universets ekspansjonshastighet, det vil si fra verdien av Hubbleparameteren, H. Formelen er enkel, der G er Newtons gravitasjonskonstant. Verdien av H er i vår tid bestemt med omtrent 5 % nøyaktighet. Innsetting i formelen viser at universets gjennomsnittlige massetetthet er 10-26kg/m3, det vil si omtrent 10 hydrogenatomer per kubikkmeter.

3. I 1998 ble det oppdaget at universets ekspansjon øker i hastighet. Ut fra det vi vet i dag kan dette bare forklares som et resultat av frastøtende gravitasjon. Ifølge Newtons gravitasjonsteori er all gravitasjon tiltrekkende, så denne observasjonen hadde vært uforklarlig med Newtons gravitasjonsteori. Men Einsteins generelle relativitetsteori 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 den kosmiske tettheten av den mørke energien er 74 % av den kritiske tettheten.

Vi så i punktene 1 og 2 at tettheten av den vanlige materien er 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, må den mørke materien ha en gjennomsnittlig tetthet lik (100-74-4) % = 22 % av den kritiske tettheten (figur 3). Dette betyr at i universet er det 5,5 ganger så mye mørk materie som lysende materie. Dette kan ikke forklares bort ved hjelp av MOND. Ifølge punktene 1-3 må den kosmiske mørke materien være ikke-baryonisk materie, og det må være over fem 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 baryonisk mørk materie er: interstellar varm gass, støvskyer, «snøballer», det vil si klumper med kondensert hydrogen, atomær eller molekylær hydrogengass, massive sorte hull i galaksenes sentra med masser på flere millioner solmasser, 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: nøytrinoer med hvilemasse, aksioner, magnetiske monopoler, kosmiske strenger og WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). WIMPs er en klasse av kandidater som inneholder svært mange ulike hypotetiske partikler. En viktig underklasse av WIMPs er partikler som fremkommer i supersymmetriske modeller. Felles for alle de ikke-baryoniske partiklene er at ingen av dem er observert.

For å identifiser partiklene som utgjør den mørke materien er det nødvendig å observere dem også på annet vis enn gjennom deres gravitasjon. Hvordan en slik observasjon kan gjøres avhenger av egenskaper ved den mørke materien som ikke er mulig å avgjøre kun fra gravitasjonsvirkningen. Det er derfor nødvendig å bruke en rekke ulike søksstrategier 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 LHC CERN, 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.