Julekollokvium: Hva er mørk materie? [Video]

Kollokvium: Samtale mellom studenter. Her med peisild og skarpe argumenter.

Hva er egentlig «mørk materie»? Her har både astrofysikere og partikkelfysikere sine synspunkter – men er de enige?

Siden et kollokvium egentlig er en samtale mellom studenter, og forskere ikke er annet enn evige studenter med lønning, eksperimenterer kollokvium.no med små videosnutter med forskerprat. Sist var det Higgs, mens det på denne julemorgen er mørk materie som står på agendaen. 

  • Hva er mørk materie?
  • Har vi sett det?
  • Kan vi se det?
  • Hvorfor tror vi at det er der, hvis det nå en gang er et så dunkelt og mystisk stoff?

Kjør debatt – astrofysiker Jostein Riiser Kristiansen vs fysiker Bjørn H. Samset:

På fem minutter rekker man ikke mangt. Flere syn på mørk materie? Kommentarfeltet er åpent gjennom romjulen og utpå nyåret – sett i gang 🙂

Ellers ønsker kollokvium alle våre lesere en god jul!

Takk til MatNat-fakultetet ved UiO for produksjonshjelp.

21 comments

  1. Magne Skålevik (@magne61) · desember 26, 2011

    Mens vi venter i spenning på å få vite hva den mørke materien består av, lurer jeg på hvorfor den synlige del av materien i en spiralgalakse fordeler seg på en annen måte enn den mørke materien i spiralgalaksen. I motsatt fall – hvis den usynlige materien hadde samme (spiral)formasjon som den synlige, ville vi fortsatt ha et forklaringsproblem med de gjeldende tyngdelovene?

  2. Jostein Riiser Kristiansen · desember 26, 2011

    Hei,

    Takk for godt spørsmål som gir en snikmulighet til å skrive litt mer om mørk materie 🙂

    Det kommer av at mørk materie ikke har elektriske ladninger og derfor ikke kjenner trykkrefter. Hvis du slipper en mørk materie-partikkel mot bakken vil den fortsette gjennom jorda til jordoverflata på motsatt side av jorda, før den snur og faller tilbake til der du slapp den fra. Og slik vil mørk materie-partikkelen pendle fram og tilbake uten å bremses.

    Det samme skjer i galakser. Mørk materie-partikler vil pendle fram og tilbake og til sammen utgjøre en diffus, kuleformet sky som strekker seg langt utenfor den synlige delen av galaksen. Vanlig materie, derimot, kræsjer med annen vanlig materie (de kjenner trykkrefter) og vil derfor bremses og samles mer mot midten av galaksen. De synlige spiralarmene i galakser er et resultat av stjernedannelse, stjerneeksplosjoner og påfølgende trykkbølger, noe den mørke materien altså ikke vil være en del av.

    Av samme grunn kan heller ikke mørk materie danne stjerner. En stjerne dannes av en gassky som kollapser på grunn av tyngdekrefter, og når gassen «kræsjer» i midten av skyen, vil den stoppe opp og samles til en tett stjerne. Dette kan ikke skje med mørk materie, siden den ikke har elektriske ladninger og derfor ikke kræsjer.

    • Hans · januar 12, 2012

      «Hvis du slipper en mørk materie-partikkel mot bakken vil den fortsette gjennom jorda til jordoverflata på motsatt side av jorda, før den snur og faller tilbake til der du slapp den fra. Og slik vil mørk materie-partikkelen pendle fram og tilbake uten å bremses.»

      Dette er vel ikke helt riktig? Om en mørk materie-partikkel ikke bremses av noe annet enn gravitasjon vil den vel ha større hastighet på vei ut av ‘gravitasjonssentrum’. Integrasjonstiden for hvor mye gravitasjonskraften vil påvirke partikkelen vil minke, og dermed vil vel mørk-materie partikkelen ende litt lenger vekk for hver gang den ‘passerer start’ ? Det kunne vel forklare litt av hvorfor ting ekspanderer …

      • Jostein Riiser Kristiansen · januar 12, 2012

        Hei, og takk for kommentar.

        Jeg er nok ikke helt enig med deg. I et tyngdefelt vil vi ha at summen av potensiell og kinetisk energi er bevart for en fri partikkel. I snupunktet/startpunktet er all energien potensiell. Hvis partikkelen har kommet lenger ut når den passerer start, må den ha blitt tilført energi et sted på veien, og jeg skjønner ikke helt hvordan det skal skje.

  3. Magne Skålevik (@magne61) · desember 27, 2011

    Takk for godt svar, som gir meg en snikmulighet til å stille flere spørsmål 🙂
    1) Siden den mørke, dominerende materien er ordnet i diffus kuleform, hva var det som fikk så mange galaksene til å velge en flat form? Hva var utslagsgivende for å definere rotasjonsakse og -plan? (kunne stille samme spørsmål om solsystemet)
    2) Er det mulig å bestemme størrelsen på den mørke materieskyen, eller avtar densiteten kontinuerlig utover? 3) Hva hvis det er et sort hull i midten av galaksen, da finnes det vel visse baner mørk materie-partiklene ikke kan pendle i, og hvordan vil det arte seg?

  4. Jostein Riiser Kristiansen · desember 28, 2011

    Flere gode spørsmål, og nye grunner til å skrive mer om mørk materie og galakser 🙂

    1) En galakse oppstår ved at et mye, mye større område med tynt fordelt materie kollapser sammen på grunn av gravitasjon. I et slikt område vil det alltid være en svak statistisk overvekt av rotasjon i en eller annen retning. Når det store området trekker seg sammen til en «liten» galakse vil den opprinnelige langsomme rotasjonen øke i hastighet. Dette skjer av akkurat samme grunn som når en kunstløper øker rotasjonshastigheten sin ved å trekke armene til seg. Den fysiske årsaken skyldes en fysisk størrelse som kalles spinn og som alltid må være bevart i et fysisk system. Når utstrekningen til et objekt minker, må rotasjonshastigheten øke for at spinnet skal være bevart. Oppsummert: Rotasjonen skyldes altså at en ørliten rotasjon forsterkes når galaksen trekker seg sammen under dannelsen.

    Når vi først har en rotasjon, er det ikke så rart at formen blir flat. Hvis du ser for deg en kuleformet galakse som roterer rundt en bestemt akse, vil materien i galaksen presses utover rundt denne rotasjonsaksen, på samme måte som teddybjørner kastes ut fra sirkuskaruseller, vann slenges ut fra vaskemaskinens sentrifuge, og jorda buler ut langs ekvator.

    Det bør også nevnes at langt fra alle galakser er roterende spiraler med en veldefinert rotasjonsakse. Mange galakser er også såkalt elliptiske, men disse har en langt kjedeligere form og er derfor ikke avbildet like ofte :-). Man regner med at de fleste elliptiske galakser har oppstått ved at to eller flere andre galakser har kollidert / slått seg sammen.

    2) Joda, det er mulig å anslå størrelsen og formen på mørk-materieskyen ved hjelp av flere metoder. Man kan f. eks. se på hvordan små satellittgalakser beveger seg, eller man kan bruke gravitasjonslinsing til å studere hvordan galaksene bøyer lys fra bakenforliggende galakser. Dette kan også sammenlignes med datasimuleringer.

    3) Et svart hull vil kunne spise opp mørk materie, men selv et supermassivt svart hull er knøttlite sammenlignet med utstrekningen på mørk-materie-skyen, så dette fører ikke til noe betydelig forsvinning av mørk materie.

  5. Magne Skålevik (@magne61) · desember 29, 2011

    Glimrende. Men nå til et større spørsmålskompleks der man også trekker inn gravitasjonsbølgene (13.desember). Kan man tenke seg en idyllisk peiskos-kollokvie der Einstein, astrofysikeren og partikkelfysikeren snakker sammen i skjønn forening om at mørk materie er krumning av rommet, at mørk materie-partikkelen er den minste mulige krumning i rommet – en slags elementærkrusning på rom-tid-veven, og at gravitasjonsbølgene som utbrer seg på romtiden ikke er noe annet enn modulasjon av materiens tetthet? Eller må partikler, materie og bølger fortsatt tilhøre hvert sitt dualistiske domene?

    • Jostein Riiser Kristiansen · desember 30, 2011

      Hei igjen,

      Astrofysikere og partikkelfysikere er glade i å diskutere og spekulere foran peisen, så slike tanker kunne sikkert blitt diskutert 🙂 Siden vi ennå ikke har en fungerende kvantegravitasjonsteori er det absolutt på sin plass i å spekulere i om «rare» fenomener av typen mørk materie og mørk energi bare er naturlige konsekvenser av en kvantegravitasjonsteori som vi ennå ikke har funnet. Jeg forstår ikke helt hva du mener, spesielt vedr. gravitasjonsbølger og det om dualisme i den siste setningen, men det du skriver om mørk materie som en minste krumning av rummet minner litt om tanker fra loop quantum gravity, som er en av de tentative veiene (i tillegg til strengteori) mot en kvantegravitasjonsteori.

  6. Magne Skålevik (@magne61) · desember 31, 2011

    Hei, beklager at det gikk litt fort i siste sving 🙂 Det jeg mente med gravitasjonsbølger som en modulasjon av materietettheten (og dermed partikkeltetthet) er kanskje det samme som i din artikkel 13. desember: En krymping av giraffenes halslengde må bety en økning av halsenes tetthet. Altså – en forbigående, lokal, krymping av rommet er ekvivalent med en forbigående fortetning av partikler. Slik utbrer bølgen seg. Eller: Økt krumning er det samme som økt materietetthet, og bølger kan ses på som krumninger som forflytter seg? Jeg vet ikke.
    Med dualisme siktet jeg til det tradisjonelle skille mellom bølgeegenskaper og partikkelegenskaper som et enten-eller. Kan man forene de to ved f.eks. å se på partikkelen som det minste mulige bølge-element? Eller som et mer åpent spørsmål – hvordan kommer partikkelfysikeren i diskusjonen om store og små bølger?

    • Jostein Riiser Kristiansen · januar 2, 2012

      Hei igjen, og beklager at jeg ikke rakk å svare før i år. Du må gjerne se på gravitasjonsbølger som krusninger i tidrommet, og hvis vi skal ty til kvantegravitasjonsforklaringer, kan vi jo anta at disse krusningene er kvantiserte og at vi har tilhørende partikler. Disse partiklene kan imidlertid ikke være mørk materie. Mørk materie-partikler må ha en betydelig masse. Gravitasjonseffekter, på sin side, forflytter seg med lyshastigheten, og må dermed formidles av en masseløs (hypotetisk) partikkel. Denne partikkelen omtales gjerne som et graviton, og den kan altså dessverre ikke utgjøre den mørke materien.

  7. Magne Skålevik (@magne61) · januar 3, 2012

    Hei og takk for nok et klart svar. Men dette er fortsatt spennende :). Masseløse gravitasjonsbølger med evt ditto partikler er forholdsvis begripelig så lenge de utbrer seg gjennom vakum, men hva skjer når gravitasjonsbølgen passerer gjennom et område med mørk (eller synlig) materie? Hvordan kan sjiraffhalser og andre partikkelgrupper få gjennomgå av gravitasjonsbølgens herjinger uten at massens treghet gjør seg gjeldende? Vil ikke dette arte seg som en slags «medsvingende masse» som må akselereres og dermed påtvinge gravitasjonsbølgen en slags masseegenskap her og der?

  8. Jostein Riiser Kristiansen · januar 3, 2012

    Litt usikker på hva du mener med «masseegenskap». Gravitasjonsbølger vil akselerere masse og miste energi når den passerer gjennom giraffhalser og mørk materie, men det betyr ikke at den trenger å være laget av masse. Tilsvarende, fotoner/elektromagnetiske bølger som treffer en antenne vil akselerere elektroner i antenna, selv om fotonene er masseløse.

    For å akselerere noe, må man påvirke noe med en kraft (jmfr. Newtons 2. lov), men man trenger ikke å bruke noe som har masse for å skape en slik kraft. Fotoner, for eksempel, har både energi og bevegelsesmengde som de kan avgi  (du kan dytte gjenstander med en lysstråle) selv om de er masseløse.

  9. Magne Skålevik (@magne61) · januar 3, 2012

    Hei igjen, og takk for gode svar. Da melder jo straks et nytt spørsmål seg: Hva skjer med den energien som gravitasjonsbølgen mister når den passerer gjennom en mørk materiesky? Reduseres gravitasjonsbølgens hastighet eller bare dens amplitude når den går gjennom skya?

    • Jostein Riiser Kristiansen · januar 4, 2012

      En gravitasjonsbølge som har beveget seg gjennom en mørk materiesky vil i teorien ha samme hastighet (lyshastigheten) når den forlater skya på den andre siden, og energien som er avsatt må dermed ha gitt bølgen en mindre amplitude. Dette blir uansett bare teoretiske betraktninger, siden gravitasjonsbølger jo aldri er målt direkte.

      • Magne Skålevik (@magne61) · januar 4, 2012

        Selvfølgelig, men ved å utlede mulige konsekvenser av teoriene om gravitasjonsbølger og mørk materie, har man et utgangspunkt for å utvikle målemetoder til å teste teoriene med, ikke sant? Jeg tenker meg to mulige veier energien i gravitasjonsbølgen kan ha tatt da den braste gjennom mørk materieskyen:
        1) Noe av energien ble spredd i form av svakere gravitasjonsbølger i andre retninger (scattering).
        2) Noe av energien ble til bevegelsesenergi i den mørke materien. Men siden mørk materie ikke krasjer så lurer jeg på – kan dens bevegelsesenergi på noen måte omformes til andre energiformer, eller vil den bare akkumuleres etterhvert som gravitasjonsbølger spises av?
        I begge tilfeller 1 og 2 kan det se ut til at mørk materie bidrar til mer diffust gravitasjonsbølgeskvulp og reduserer sjansene for «hundreårsbølgen» eller andre ønskede måleobjekter. Bare mine spekulasjoner, selvfølgelig. Hva er din kommentar?
        Jeg har ingen illusjon om å kunne bidra til astrofysikken, men denne dialogen har vært interessant for meg. Takk for god respons.

  10. Jostein Riiser Kristiansen · januar 5, 2012

    At mørk materie (og annen materie) kan dempe bort gravitasjonsbølger slik at de blir for svake til å detekteres på jorda er en spennende tanke. Noe demping vil vi helt sikkert ha. Intuitivt tenker jeg at denne dempningen må være svært liten og uviktig, men jeg er dessverre ikke dreven nok til å gjøre en mer skikkelig overslag sånn i en håndvending. I prinsippet burde det ikke være fullstendig gjennomførbart å beregne denne effekten. Vi vet sånn noenlunde hvor tunge mørk-materiepartiklene må være, hvor mange de er og hvordan de er fordelt. Det burde være nok til å bestemme hvor mye de demper gravitasjonsbølger.

    Et kjapt googlesøk viser at andre har diskutert dette tidligere: http://physics.stackexchange.com/questions/10172/would-dark-matter-absorb-gravitational-waves . Jeg finner dessverre ikke noen mer skikkelig referanse på dette i farta, men det finnes nok hvis man leter.

    Jeg imidlertid er overbevist om at folkene som leter etter gravtiasjonsbølger har tenkt på og beregnet størrelsen til slik demping.

    Beklager at jeg ikke kan gi noe mer presist svar.

  11. Tilbaketråkk: Mørk materie kartlagt | Kollokvium
  12. Tilbaketråkk: Hypotetisk partikkelkalender: 10. desember – WIMP | Kollokvium
  13. Tilbaketråkk: Ny partikkelsensasjon på vei – fra verdensrommet? | Kollokvium
  14. Tilbaketråkk: Nye teikn på mørk materie | Kollokvium
  15. Tilbaketråkk: Mørk materie, mørk energi – og verdens minste sprettball | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s