mørk materie og mørk energi

95 prosent av universet eksisterer kanskje ikke

I flere tiår har fysikere ment at mesteparten av universet består av mørk materie og mørk energi. Men nyere teorier tyder på at det mystiske mørke materialet er rent oppspinn.

I flere tiår har fysikere ment at mesteparten av universet består av mørk materie og mørk energi. Men nyere teorier tyder på at det mystiske mørke materialet er rent oppspinn.

Shutterstock

Fem prosent synlig materie, 27 prosent mørk materie og 68 prosent mørk energi. Det er oppskriften på universet ifølge den tradisjonelle kosmologien.

Ingen vet imidlertid hva mørk materie og mørk energi egentlig er. Derfor har fysikere de siste ti årene vært på en intens jakt med høyteknologisk utstyr etter universets hemmelige ingredienser. De har bygget fintfølende detektorer til å fange opp mørkets partikler; de har forsøkt å skape partiklene selv i underjordiske akseleratorer; og de har sett langt ut i rommet i håp om å se tegn på de mørke bestanddelene. Alt sammen uten hell.

De resultatløse anstrengelsene holder på å kaste kosmologien ut i en eksistensiell krise – det er nemlig behov for mørk materie og mørk energi for å få universets ligninger til å gå opp. Derfor setter flere forskere spørsmålstegn ved om de mørke materialene i det hele tatt eksisterer.

Teori 1

Endret tyngdelov gjør mørk materie overflødig

Mørk materie ble innført på 1970-tallet fordi astronomiske observasjoner viste at stjernenes bevegelser i galaksene ikke fulgte Newtons tyngdelov. Ifølge Newton kan et stort legeme holde et mindre legeme i bane rundt seg, men tiltrekningskraften avtar raskt med økende avstand.

Dermed burde stjernene lengst unna galaksenes sentrum bli slynget ut i rommet på grunn av galaksens høye rotasjonshastighet, hvis vi bare regner med massen fra den synlige materien. Derfor la forskerne til en kraft fra en ukjent og usynlig masse, som kunne få ligningen for gravitasjonen til å gå opp.

Men forskeren Mordehai Milgrom har kommet med teorien Mond, som påstår at Newtons lov bare gjelder i små systemer. Hvis tyngdekraften avtar litt saktere over svært store avstander, trenger ikke galaksene mørk materie for å henge sammen.

Mørket redder Einstein

Mørk materie og mørk energi er begreper som forskere i sin tid innførte i kosmologien for å redde Albert Einsteins generelle relativitetsteori.

Einsteins kompliserte teoretiske arbeid fra 1915 inkluderer også Newtons tyngdelov og beskriver hvordan masse skapte dagens univers sammen med tyngdekraften. Teorien kan forklare utviklingen hele veien fra Big Bang til vår tid og har dessuten blitt bekreftet av mange astronomiske observasjoner. Derfor forkaster ikke forskerne Einsteins arbeid bare fordi nye observasjoner av universets oppførsel skaper et forklaringsproblem.

Det skjedde første gang i 1933. Den gangen oppdaget den sveitsiske astronomen Fritz Zwicky at galaksehopen Coma ikke oppførte seg i overensstemmelse med tyngdeloven.

Ifølge Newton har legemer en gjensidig tiltrekningskraft som avgjøres av massen: Jo større masse, desto større tiltrekningskraft. Dessuten avtar et stort legemes tiltrekningskraft på mindre legemer som går i bane rundt den kraftig over avstand.

Zwicky hadde observert at Comahopen roterer så raskt at tyngdekraften fra de synlige stjernene og gassene i galaksene umulig kunne holde sammen hopen alene – den raske rotasjonen burde slynge galaksene ut i alle retninger. Han mente derfor at det må være en usynlig masse i galaksehopen.

På 1970-tallet viste flere observasjoner at samme problem gjelder for de enkelte stjernene i individuelle galakser: Systemene roterer for raskt til å kunne holde på de ytterste stjernene uten hjelp fra tyngdekraften fra en ukjent masse. Derfor fant forskerne opp en mystisk mørk materie som kunne løse problemet.

Men nå har den amerikanske astronomen Stacy McGaughs observasjoner av 153 galakser gitt MOND vind i seilene: Teorien passer perfekt på galaksenes oppførsel og kan forklare rotasjonen uten behov for mørk materie.

Teori 2

Universet inneholder milliarder av sorte hull – en samling av materie med en enorm tetthet. Ifølge en ny teori kan gamle svarte hull utgjøre den ukjente mørke materien. Milliarder av svarte hull med masser fra en hundredel av solas masse til 10 000 solmasser kan kanskje ha blitt dannet like etter big bang.

De minste svarte hullene samlet seg rundt galaksene der de går i bane i en skive. Tiltrekningskraften fra hullene er det vi kjenner som påvirkningen fra mørk materie.

BEVIS: Supernovaer skaper bare svarte hull som veier 5–15 solmasser. Hvis astronomene finner et svart hull som veier under fem solmasser, må

© Mikkel Juul Jensen

1. Big bang danner hull

I sekundet etter big bang utvider universet seg raskere enn lysets hastighet. Denne eksplosive utviklingen skaper ujevnheter i fordelingen av materie, og små svarte hull oppstår
der tettheten er størst.

© Mikkel Juul Jensen

2. Små hull går sammen

I løpet av den første milliarden år etter big bang samler de største svarte hullene seg på grunn av tyngdekraften mellom dem. Prosessen skaper de supertunge svarte hullene som
i dag befinner seg i galaksenes sentrum.

© Mikkel Juul Jensen

3. Massevis av hull oppstår

Mange av de små svarte hullene forblir selvstendige og samler seg i en skive rundt galaksene. Her fungerer de som mørk materie.

Universet utvider seg raskere

Med den mørke materien fungerte relativitetsteorien igjen – fram til 1998. Da oppdaget astronomer at universets utvidelse akselererer.

Inntil da hadde forskerne ment at farten på utvidelsen måtte være konstant eller synkende med tiden, fordi drivkraften stammer fra Big Bang-eksplosjonen. De nye astronomiske observasjonene viste imidlertid at fjerne, eksploderende stjerner lyste uventet svakt sammenlignet med nære supernovaer.

Den beste forklaringen på fenomenet var at de fjerne supernovaene var lenger unna jorda enn forskerne regnet med fordi universets utvidelse hadde satt opp farten. Forskerne forklarte den stadig raskere utvidelsen med en ukjent mørk, frastøtende energi som skyver universets grenser utover – og da passet ligningene for universet igjen.

Einstein var i forkant – uten å vite det

Den mørke energien i kosmologien passet fint med relativitetsteorien – faktisk hadde Einstein selv innført en form for frastøtende energi i arbeidet sitt.

Da relativitetsteorien ble offentliggjort i 1915, mente astronomene at universet var statisk, slik at galaksene sto stille. Derfor innførte Einstein en teoretisk frastøtende kraft som kunne motstå tyngdekraftens forsøk på å trekke galaksene mot hverandre.

Da astronomen Edwin Hubble i 1929 beviste at universet ikke er statisk, men utvider seg i alle retninger, kalte Einstein den frastøtende kraften for den største tabben i karrieren sin.

Men Einstein var inne på noe. Han hadde riktignok tenkt på den frastøtende kraften på feil måte – som en motvekt til tyngdekraften – men oppfinnelsen hans har mange likheter med den mørke energien.

Ifølge relativitetsteorien inneholder et tomrom av en gitt størrelse alltid den samme mengden frastøtende energi. I takt med universets utvidelse har tomrommet vokst, og derfor har den mørke energien fått mer styrke. Den moderne kosmologien mener at frastøtingen for seks milliarder år siden ble så sterk at den mørke energien overvant tyngdekraftens forsøk på å trekke universet sammen. Dette fikk utvidelsen til å akselerere.

Teori 3

© shutterstock/mikkel juul jensen

Frastøting skyver på universets grenser

En ny teori skifter ut mørk energi med et annet stoff i forklaringen på hvorfor universet utvider seg stadig raskere. Ifølge teorien ble to typer materie skapt ved big bang: antimaterie (nederst) og vanlig materie (øverst).

De to typene ble skilt etter ett sekund fordi partiklene frastøter hverandre. Materien ble til galakser, og antimaterien dannet antigalakser. Hvis de skulle møtes, ville begge deler kollapse.

Frastøtingen mellom dem driver universets akselererende utvidelse – uten behov for mørk energi.

BEVIS: Siden 2011 har en detektor på romstasjonen jaktet på antikarbon og tyngre antiatomer som bare kan være dannet i antistjerner i antigalakser.

Universets mørke er teoretisk nødløsning

Innføringen av mørk masse og mørk energi var enorme korreksjoner av kosmologien: til sammen utgjør de 95 prosent av universet. En så omfattende påstand krever beviser.

Verken astronomer eller fysikere har imidlertid klart å kaste lys over universets mørke side. Derfor er det nå flere forskerne som forkaster ideen som et teoretisk villspor. De forsøker i stedet med andre forklaringsmodeller.

Den mest radikale av de nye teoriene er MOND, som kommer fra den israelske forskeren Mordehai Milgrom. Han mener at universets ikke inneholder en ukjent mørk masse.

Han mener problemet med galaksenes raske rotasjon skyldes en feil i Newtons tyngdelov. Milgrom mener at tyngdekraftens styrke ikke faller like mye over store avstander som teorien forutsier.

Ifølge MOND gjelder teorien i små systemer, som for eksempel solsystemet, men i store strukturer som en galakse, med en utstrekning på 100.000 lysår, gjelder Newtons tyngdelov bare ut til et bestemt punkt. Herfra faller ikke tyngdekraftens styrke like raskt som Newton forutsa, og derfor er tyngdekraften fra den store mengden stjerner og gasskyene i galaksenes sentrum likevel nok til å holde på de ytterste stjernene.

Mange forskere avviste først Milgroms teori fordi den ikke forklarer hvorfor tyngdekraften oppfører seg annerledes enn de trodde, og hans versjon av tyngdeloven inneholder ikke en beskrivelse av universets utvikling hele veien fra Big Bang.

Teori 4

Akslererende utvidelse er et synsbedrag

Den tradisjonelle kosmologien sier at mørk energi fikk universet til å utvide seg mye raskere for om lag seks milliarder år siden. Fysikerne som står bak en ny teori, mener derimot at verken mørk energi eller akselererende utvidelse eksisterer.

Ifølge klassisk astronomi har universet en såkalt flat geometri – en ensartethet – som gjør at parallelle lysstråler alltid forblir parallelle. Teorien innebærer at strålene ikke vil krysse hverandre eller spre seg, selv om lyset beveger seg gjennom hele universet.

Men ifølge den nye teorien endret universets geometri seg for seks milliarder år siden. Materien var da samlet i galaksehoper rundt store tomrom, slik at massen i universet var veldig ujevnt fordelt.

Det krummet rommet på en måte som begynte å spre de parallelle lysstrålene over store avstander. Derfor ser universet i dag større ut enn det faktisk er.

BEVIS: Underbygning av den nye teorien krever en detaljert kartlegging av rommets utvidelse gjennom universets historie. Astronomenes beste verktøy blir satellitten Euclid, som sendes opp i 2020.

/ 3

Materie ligger spredt

Etter big bang har universet en flat geometri med jevnt fordelt materie, der lysstråler ikke spres.

1

Første galakser samles

En milliard år etter big bang er de første store galaksene dannet, men materien fortsatt jevnt fordelt, så parallelle lysstråler spres ikke.

2

Enormt tomrom oppstår

Åtte milliarder år etter big bang er galaksehoper samlet rundt enorme områder av tomt rom. Den veldig ujevne fordelingen av masse og tomrom krummer universet på en måte som gjør at lysstråler blir spredt på reisen gjennom tomrommet. Spredningen skaper et optisk bedrag: Universet ser ut som om det utvider seg stadig raskere, men utvidelsen er i virkeligheten jevn.

3
© Mikkel Juul Jensen

Mørk energi er en regnefeil

Også universets største bestanddel – mørk energi – er utsatt når fysikere og astronomer reviderer den moderne kosmologien. En av de spirene teorier sier at behovet for mørk energi til å drive universets utvidelse skyldes enkle regnefeil.

Relativitetsteoriens ligninger er så kompliserte at forskerne må å bruke forenklinger. Men forenklingene kan skape store avvik i resultatene når beregningene føres tilstrekkelig langt ut.

Forskere fra Eötvös Loránd-universitetet mener at den mørke energien er en teoretisk nødløsning som er et resultat av disse forenklingene. De har selv arbeidet med en ny forenkling som får universets akselererende utvidelse til å fungere uten bruk av mørk energi. Derfor mener de at kraften er rent oppspinn.

Teori 5

Fysikernes manglende suksess i jakten på mørk materie skyldes kanskje at de leter etter feil type partikler. Mørk materie burde ikke ha noen ladning. Derfor reagerer de bare med andre partikler gjennom tyngdekraften. Men universets mørke kan i stedet utgjøres av en usynlig skyggeside som internt oppfører seg akkurat som synlig materie, og også reagerer via tyngdekraften.

BEVIS: Skyggefotoner kan kanskje oppstå i forsøk ved å skyte elektroner inn i metall. Ifølge teorien vil de lynraskt henfalle til par av elektroner og positroner.

© shutterstock

Skyggematerie må ligge i en skive rundt stjernene, noe som stemmer med nye observasjoner.

© shutterstock

Skyggepartikler har i motsetning til mørk materie en ladning som ligner på vanlige partikler. De har tunge og lette utgaver som svarer til protoner og elektroner.

© shutterstock

Partiklene kan gå sammen og danne skyggeatomer.

© shutterstock

Skyggepartikler og skyggeatomer kan påvirke hverandre ved å utveksle lys på samme måte som synlige partikler og atomer. Utveksling av skyggefotoner sprer materien til hele universet.

Avgjørelsens time kommer

I dag tror de fleste kosmologer, astronomer og fysikere fortsatt på teoriene om mørk materie og mørk energi, og de arbeider for fullt for å påvise dem.

Men hvis ikke forskerne har resultater innen de neste årene, må de til slutt innse at de har brukt tiår på å jakte på noe som slett ikke finnes.

Da må de i stedet kaste seg over de mange spirende, alternative teorier for å forklare universets mystiske oppførsel.