Mørk materie kartlagt

Et kart over usynlig, mørk materie.

Etter å ha fått litt hjelp av Albert Einstein og et stort teleskop på Hawaii, kunne en gruppe astronomer denne uka legge frem et imponerende kart. Kartet viser hvordan mørk materie fordeler seg utover i universet. Ikke dårlig, med tanke på at mørk materie er usynlig.

For hvis du synes det er mye fascinerende å se på rundt i verden, skal du vite at det er en usynlig virkelighet der ute som er enda mye større. Alt vi kan se rundt oss – syltetøy, gassiske snikekatter, planeter og stjerner – er laget av vanlig materie. Likevel utgjør den vanlige materien bare omlag 5% av innholdet i universet. Hovedingrediensen – en underlig skrue vi kaller mørk energi – står for omtrent 70% av det totale innholdet.

De siste 25 prosentene tror vi består av noe som kalles mørk materie. Dette er en type usynlige, uhåndgripelige partikler som intet menneske noen gang har sett. Likevel er vi temmelig sikre på at mørk materie eksisterer. Så sikre at det nå er laget et kart over hvor den befinner seg.

Men hva er nå denne mørke materien for noe? Dette diskuterte Bjørn Samset og jeg i en filmsnutt på Kollokvium like før jul. Kort fortalt er mørk materie en type partikler som har masse, men ikke elektrisk ladning. At mørk materie-partikler har masse betyr at de føler tyngdekrefter: Mørk materie påvirker og blir påvirket – via gravitasjonskrefter – av alle andre partikler i universet. At partiklene ikke har elektrisk ladning betyr at de er både usynlige og uhåndgripelige.

Når sola eller en lyspære lyser, er det fordi elektrisk ladde partikler – typisk elektroner – blir ristet på. Når du kan se en elg i skogen, er det elektrisk ladde partikler i pelsen på elgen som reflekterer lyset. Når lyset fra elgen oppfattes av øyet ditt, er det fordi netthinna har elektrisk ladde partikler som kan absorbere lys. Partikler uten elektrisk ladning, for eksempel mørk materie, bryr seg rett og slett ikke om lys. Et bedre navn ville kanskje derfor vært usynlig materie.

Men kan vi tenke oss at det finnes usynlige elger laget av mørk materie? Nei, elektriske ladninger fører ikke bare til at elgen er synlig, men også at den henger sammen. Hvis vi på magisk vis kunne skrudd av alle elektriske ladninger, ville du, jeg og dompapen blitt omgjort til en ustrukturert suppe av partikler som uten motstand ville falt gjennom bakken og nedover i jorda. Mørk materie kolliderer ikke med annen materie, føler ikke trykkrefter, og kan altså heller ikke lage tette strukturer.

Vi regner med at den synlige delen av Melkeveigalaksen (i midten) befinner seg i sentrum av en enorm, kuleformet sky av mørk materie.

Denne mangelende evnen til å danne tette strukturer gjør at du ikke vil finne elger, planeter, stjerner eller små galakser laget utelukkende av mørk materie. Isteden vil mørk materie danne store, tynne slør rundt galakser og galaksehoper (klumper av galakser). For eksempel regner vi med at den synlige delen av Melkeveien svømmer i en diffus, kuleformet tåke av mørk materie som strekker seg ut til en radius som er flere ganger større enn den synlige delen av galaksen.

Og hvordan kan vi være så sikre på at mørk materie eksisterer og at det ikke bare er et fantasifoster kreativt klekket ut i desperate astrofysikerhoder? Grunnene til å tro på mørk materie er mange og svært forskjellige. Noen indikasjoner går på hvordan objekter i universet beveger seg. For eksempel viser det seg at hastigheten på de ytre stjernene i roterende galakser er så stor at de ville blitt slynget vekk fra galaksekarusellen dersom det ikke var en god slump ekstra materie i galaksen. Mørk materie manisfisterer seg også i mikrobølgestrålingen fra universets barndom og i den statistiske fordelingen av galakser på himmelen. I tillegg kan vi «se» mørk materie indirekte gjennom såkalt gravitasjonslinsing.

Et eksempel på sterk gravitasjonslinsing. Den gule galaksen i sentrum av bildet forstørrer og bøyer lyset fra den blå galaksen i bakgrunnen til en stor ring. Les mer om bildet på NASAs hjemmesider. (ESA/Hubble og NASA)

Gravitasjonslining er et fenomen som oppstår fordi ikke bare materie, men også lys bøyes av tyngdekrefter. Dette er forutsagt av Einsteins relativitetsteori og er godt testet gjennom observasjoner. Akkurat som en glasslinse vil kunne forstørre og fordreie objekter, vil en klump med materie kunne forstørre og fordreie lys. Derfor, hvis vi ser på en fjern galakse og det ligger en stor klump med mørk materie mellom oss og galaksen, vil galaksen kunne se fordreid ut. Hvor mye og hvordan den fordreies kan vi bruke til å utlede hvordan gravitasjonslinsa i midten ser ut. Dette vil igjen fortelle oss om hvor mye mørk materie det er i linsa. Lett!

Illustrasjon av gravitasjonslinsing. Lyset fra galaksene i bakgrunnen blir vridd og vrengt på av gravitasjonen fra en galaksehop som ligger langs synslinjen. Resultatet blir et litt fordreid bilde av de bakre galaksene. Legg merke til at galaksene danner et sirkulært mønster rundt gravitasjosnslinsa. (Ill.: Michael Sachs)

Ja, faktisk, når vi har skikkelig flaks og har en perfekt plassering av galakse og gravitasjonslinse vil effekten være svært kraftig og lett å se. Galaksene bak en kraftig gravitasjonslinse vil kunne dukke opp i flere ulike posisjoner samtidig og danne lange buer på himmelen (se figur).  Men skikkelig flaks har man per definisjon sjelden. I de fleste tilfeller blir galaksene så lite fordreid av gravitasjonslinsing at effekten er umulig å se hvis man studerer én galakse. Hvis man derimot ser på mange fjerne galakser samtidig, vil man kunne se et mønster i hvordan de er fordreid (se figur til venstre). Fra dette mønsteret kan vi bestemme hvordan materie er fordelt mellom de fjerne galaksen og oss. Og vips har vi et kart over fordelingen av mørk materie på himmelen.

Det er denne siste teknikken som nå er brukt for å kartlegge den mørke materien. Forskerteamet har brukt CFHT-teleskopet på Hawaii til å studere utseendet til ikke mindre enn 10 millioner galakser. Med så mange galakser har de klart å lage detaljerte mørk materie-kart, på tross av at hver enkeltgalakse er svært lite forvrengt av gravitasjonslinsing.

Mørk materie-kart over fire ulike flekker på himmelkula, sammenlignet med størrelsen på fullmånen. Lys farge svarer til mye mørk materie. De fargede flekkene ved månen angir størrelsen på området som er utforsket med samme teknikk tidligere. Klikk for større versjon (CFHTlens)

Til sammen har de laget kart over fire ulike deler av himmelen. Resultatet ser du i figuren til høyre: en haug med tilsynelatende tilfeldige flekker, og noe antydning til trådaktige strukturer mellom flekkene.

Kan vi lære noe nytt av dette? Det første man gjør når man har gjort nye observasjoner er å sammenligne observasjonene med de teoriene man har. I dette tilfellet stemmer teori og virkelighet godt overens. Fra datasimuleringer har man forutsagt at mørk materie skal være samlet i nettopp slike store klumper med akkurat slike trådstrukturer mellom klumpene. Mørk materie har altså bestått enda en test, og vi kan være enda sikrere på at den faktisk eksisterer.

Observasjonene vil også kunne være viktige for vårt totale bilde av universet. Hvordan mørk materie klumper seg avhenger ikke bare av den mørke materien selv, men også av hvordan den mørke energien oppfører seg, og om gravitasjonslovene oppfører seg slik Einstein har forutsagt. Einstein ser så langt ut til å ha bestått denne testen. Men for å bruke slike observasjoner til å lære mer om mørk energi vil vi trenge enda bedre kart. Det vil vi blant annet få fra den planlagte Euclid-satellitten som jeg har skrevet om tidligere. De imponerende gravitasjonslinskartene vi ser her representerer altså bare begynnelsen på det som tegner til å bli en svært fruktbar metode for å studere universets sammensetning.

6 comments

  1. blank · februar 6, 2012

    Hva skjer hvis i et romskip i en tenkt situasjon reiser «igjennom» en sky mørk materie? Hvorfor samles mørk materie i slike «skyer»/felt som dere beskriver og ikke «blander seg inn i»/fordeler seg utover «vår verden» (les: det jordiske livet)? Kan de bare «oppfattes» på avstand? Finnes det noen modell for denne typen «partikler», og er massen til disse partiklene da de ikke har elektrisk ladning mer «konsentrert» enn masse til «vanlige partikler» eller «opphøyes» til eksempel denne forskjellen i tomrommet mellom selve «partiklene» som utgjør mørk materie?

  2. Tarhald Rifeil · juni 28, 2012

    Hei. Har et par naive spørsmål. Hvorfor samler ikke disse partiklene seg til store klumper rundt tilfeldige gravitasjonssentre, slik vanlig materie danner stjerner og planter? Dessuten har de jo ikke evne til å danne kjemiske bindinger og burde dermed kunne falle mye lenger inn mot gravitasjonssentre. Jeg ser for meg en slags «døde» atomkjerner – selv om de ikke har ladning, har de noe utstrekning i rommet, altså radius, slik at feks to partikler ikke kan befinne seg på samme sted men kollidere med hverandre?

    • Jostein Riiser Kristiansen · juni 28, 2012

      Hei Tarhald,

      Når en stjerne dannes er gravitasjonen bare én del av historien. Gravitasjonen får materien til å falle sammen, men det er de elektriske ladningene som får materien til å stoppe opp i midten og samle seg. Mørk materie kan derfor ikke klumpe seg på samme måte, sdien den ikke har elektriske ladninger.

      En analogi kan være en skateboardrampe. En skater som befinner seg langt opp i rampa vil hele tiden trekkes mot bunnen, men ikke stoppe opp der med mindre han bremser eller kræsjer med noe. I stedet vil han trille fram og tilbake fra side til side. Slik er det også med mørk materie-partikler. Siden de ikke bremses eller kræsjer med andre partikler (ingen elektriske ladninger) vil de ikke stoppe opp i et gravitasjonssenter, men fortsette ut på andre siden, og vugge fram og tilbake fra side til side som en kosmisk skater.

      Har skrevet litt om disse tingene her: http://www.dagbladet.no/2009/01/14/magasinet/astronomi/astronomiaret_2009/astropanelet/mork_materie/4345128/

  3. Tilbaketråkk: Ny partikkelsensasjon på vei – fra verdensrommet? | Kollokvium
  4. Tilbaketråkk: Nye teikn på mørk materie | Kollokvium
  5. Tilbaketråkk: Hva tenker kosmologer verden over om universet? | 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