Når astronomene ser ut i universet gjennom teleskopene sine, kan de se milliarder av galakser med stjerner, planeter og virvlende gasser. Mellom galaksene ligger det store gasskyer. Men det er noe som mangler. Det astronomene kan få øye på, utgjør bare litt over halvparten av all den synlige materien som universet burde inneholde.
Ifølge astrofysikernes teorier består universet av 27 prosent mørk materie (som holder galaksene sammen), 68 prosent mørk energi (som akselererer universets utvidelse) og fem prosent synlig materie. Tross iherdig leting gjennom flere tiår, med romteleskoper, detektorer og partikkelakseleratorer, har ikke forskerne funnet de mørke partiklene. De har heller ikke kunnet gjøre rede for hvor den mørke energien kommer fra. Og nå kan de heller ikke finne nesten 40 prosent av den synlige materien, som egentlig burde være den enkleste oppgaven.
Alt i alt har forskerne altså bare kunnet redegjøre for tre prosent av universets samlede innhold. Men nå har romteleskopet XMM-Newton kanskje funnet den manglende materien forkledd som glovarm, intergalaktisk gass.
Røntgenstråler avslører gjemmested
ESAs røntgenteleskop XMM-Newton har oppdaget to gasskyer som er vanskelige å se på grunn av den høye temperaturen. Skyen inneholder en del av universets manglende materiale, og hvis lignende skyer eksisterer andre steder, kan de inneholde all den manglende materien i universet.
1. Kvasar sender ut stråling
Enorme gasskyer virvler rundt om et supertungt svart hull i sentrum av en kvasar og skyter jetstrømmer av partikler langt ut i rommet. Både gassene og jetstrømmene sender ut store mengder energirik røntgenstråling som reiser gjennom universet.
2. Gasskyer fanger stråler
På vei gjennom universet har strålingen støtt på to varme intergalaktiske gasskyer. Oksygen i skyene har absorbert to bølgelengder av røntgenstrålingen ved å sende to av elektronene opp i en høyere energitilstand.
3. Teleskop ser signal
Når strålingen fra kvasaren når fram til romteleskopet XMM-Newton, avslører de to manglende bølgelengdene at strålingen har passert gjennom oksygen. Ut fra mengden av oksygen i skyene har forskerne også regnet ut hvor mye annen materie de inneholder.
Materien som forsvant
Astronomene er sikre på at den synlige materien eksisterer. Forskerne har nemlig sett alt sammen i den kosmiske bakgrunnsstrålingen som ble sendt ut 380 000 år etter big bang og fungerer som et øyeblikksbilde av det nyfødte universet. Nasas COBE-satellitt gjorde de første detaljerte observasjonene av den kosmiske bakgrunnsstrålingen
i 1992, og i 2013 målte Planck-satellitten temperaturforskjellene i bakgrunnsstrålingen med en enorm presisjon.
Bitte små temperaturvariasjoner i bakgrunnsstrålingen avslører fordelingen av masse i det unge universet, og ut fra dette har forskerne beregnet at fem prosent av massen i universet består av synlig materie. Mengden passer presist med big bang-teoriens spådommer for hvor mange lette atomer av hydrogen, helium og litium det ble dannet etter ureksplosjonen.
Astronomene kan fortsatt se nesten all materien når de observerer galakser og gasskyer fra perioden fem milliardene år etter big bang. Men etter dette – ni milliarder år fram til i dag – har en masse som svarer til 500 milliarder galakser forsvunnet.
I dag kjenner vi til om lag 200 milliarder galakser, de utgjør bare 14 prosent av den synlige materien i form av stjerner, planeter og gass. Resten må befinne seg mellom galaksene, men her kan forskerne bare se 47 prosent av materien.
Forskerne kan ikke finne 40 prosent av de 5 prosentene av universet som består av synlig materie.
Forskerne vet at nøkkelen til å forstå forsvinningsnummeret ligger i hvordan galaksene utvikler seg. De galaksene som oppsto i de første fem milliardene år etter big bang, var 10–20 ganger mer effektive til å gjøre om gasskyer til stjerner enn senere galakser, så materien holdt seg inne i galaksene som stjerner.
I dag er det særlig to mekanismer som begrenser stjernedannelsen, noe som gjør at mye gass i stedet havner ute i områdene mellom galaksene.
Den ene mekanismen er supernovaeksplosjoner. De eksploderende stjernene utløser voldsomme trykkbølger som sender det meste av stjernens masse langt ut i verdensrommet og noen ganger helt ut av galaksen. I det unge universet var supernovaer sjeldne fordi stjernene fortsatt ikke hadde brent ut, men i dag er de den viktigste drivkraften bak massetapet i små dverggalakser.
I store galakser er en mye kraftigere pumpe også involvert: supertunge svarte hull i galaksenes sentrum. I aktive galakser er hullene omgitt av store mengder gass som virvler rundt hullet på vei ned i intetheten. Den roterende gasskiven skaper ekstremt kraftige magnetfelt som sender to kolossale jetstrømmer av partikler hele veien ut gjennom galaksen og videre ut i det intergalaktiske rommet.
Varme gjør materien usynlig
Selv om forskerne kan redegjøre for hvordan stoffet har forsvunnet fra galaksene, har de fortsatt ikke kunnet bevise hvor det har endt opp. De har imidlertid lenge hatt en teori om at de gasstrømmene som supernovaer og jetstrømmer sender langt ut i rommet, fordeler seg over store områder og blir til veldig tynn hydrogengass som teleskopene ikke kan se.
Forskerne kan i dag observere kjølige hydrogenskyer. Det er ganske enkelt å få øye på skyene av kald gass når fjerne og sterke lyskilder, som aktive galakser, som sender lys gjennom dem på veien mot jorda. Når lyset passerer gjennom skyen, absorberer hydrogenatomene lyspartikler med en spesiell ultrafiolett bølgelengde som sender hydrogenatomets enslige elektron opp i en høyere energitilstand. Derfor forsvinner den bølgelengden, noe som avslører gassen.
Men metoden virker ikke hvis gassen er ekstremt varm – med temperaturer på opp mot ti millioner grader – for da er elektronet og protonet er skilt fra hverandre. Da kan ikke atomet lenger absorbere lys. Hydrogenet blir nesten helt usynlig.
En del av den manglende materien kan være varm gass langs spindelveven av mørk materie som forbinder galaksene i universet.
Nå har en forskergruppe under ledelse av Fabrizio Nicastro fra Italias Nasjonale institutt for astrofysikk brukt en annen metode til å finne den ekstremt varme gassen. De har brukt ESAs røntgenteleskop XMM-Newton til å måle røntgenstråling fra en ekstremt lyssterk aktiv galakse – en kvasar.
I stedet for å lete etter hydrogenets signatur har forskerne sett etter oksygen, som gasskyene også inneholder i små mengder. Oksygen består av åtte protoner i en kjerne og åtte elektroner rundt. Ved temperaturer på flere millioner grader mister oksygenet seks av elektronene, men atomet kan fortsatt absorbere røntgenstråling ved å sende de resterende to elektronene opp i en høyere energitilstand.
Teleskopet registrerte at røntgenstrålingen på sin fire milliarder lysår lange reise fra kvasaren til jorda har passert gjennom to glovarme intergalaktiske gasskyer, der oksygen har absorbert to av bølgelengdene. Fordi forskerne kjenner forholdet mellom oksygen og hydrogen fra kaldere gasskyer, kan de avsløre hydrogenet og dermed anslå hvor mye materie som finnes mellom galaksene.
Beregningene tyder på at ultravarme gasskyer inneholder minst en fjerdedel av den manglende synlige materien i universet.
Galakser inneholder bare 14 prosent av den synlige massen
Alle galaksene i universet inneholder til sammen bare 14 prosent av den synlige materien. Stjernene utgjør halvparten, mens den andre halvparten er gasser som ikke er tette nok til å danne stjerner.
Resten av den synlige materien er fordelt i det nesten tomme rommet. 28 prosent av det finnes i kjølige gasskyer som svever mellom galaksene fordi de ikke er tette nok til å føde stjerner. 15 prosent er varme, intergalaktiske gasskyer med temperaturer over 100 000 grader, som er samlet i haloer omkring galakser.
Og så er nesten 40 prosent av den synlige massen igjen. Hittil har de manglet i regnskapet, men nå mener forskerne at de består av over 10 millioner grader varme gasskyer som er slynget ut fra galaksene og har gjemt seg i det intergalaktiske rommet. De er for varme til at vi kan se dem.
Her finnes det synlig materie:
Mørke tråder kan skjule materie
Nå skal forskerne ut på jakt etter mer ultravarm gass andre steder i universet. En del av gassen kan også gjemme seg i universets skjelett, som ser ut som en tredimensjonal spindelvev som forbinder galaksene. Trådene består av mørk materie, som kan ha tiltrukket litt av den glovarme intergalaktiske gassen.
Jo flere gasskyer astronomene finner, desto sikrere kan de være på at de har funnet alt materiale i universet. Da mangler de bare å avsløre de mørke partiklene og den mørke energien, som utgjør 95 prosent av universet, for å få regnestykket til å gå opp.