Nye teikn på mørk materie

Av Jørgen Eriksson Midtbø, masterstudent i partikkelfysikk ved Universitetet i Oslo.

dn23222-1_1200Me veit at det meste av materien i universet vårt er mørk materie. Ingen veit kva det er, men mange leiter etter det. Fleire grupper av forskarar har no sett teikn til den mørke materien i lyssignal frå sentrum av galaksar – men teikna er ikkje kompatible med kvarandre.

Ein rask gjennomgang av fakta

I løpet av dei siste hundre åra har det vorte klart at universet inneheld mykje meir materie og energi enn me tidlegare har trudd. Nærmare bestemt 20 gonger meir. Materien me kjende frå før – lat oss kalle han vanleg materie – utgjer fem prosent av totalen i universet. Sytti prosent består av noko som kallast mørk energi, og tjuefem prosent er mørk materie. (Jostein har skrive om mørk energi her.)

Mørk materie er ein type stoff som me ikkje veit så mykje om, anna enn at han er mørk. Med mørk så meiner me at han ikkje kan sende ut eller ta imot lys. Det gjer samtidig at han ikkje kan kollidere med anna materie eller med seg sjølv – mørk materie går berre rett gjennom alt. Den einaste naturkrafta som den mørke materien vert påverka av er gravitasjon. (Nesten. Meir om det snart.) Difor klumpar den mørke materien seg saman i galaksar, side om side med vanleg materie. Vår galakse, Mjølkevegen, er faktisk full av mørk materie, og sannsynet er stort for at litt mørk materie susar gjennom kroppen din nett no!

Astrofysikarane er i dag heilt sikre på at det fins mørk materie. Grunnen til det, er at mørk materie kan nyttast til å forklare ein heil haug med mysterium som dei har observert i universet. Eit døme er kor fort dei ytste stjernene i Mjølkevegen roterer. Viss me reknar ut kor mykje synleg materie det er i Mjølkevegen, og kor mykje denne materien veg, så kan me føreseie kor fort galaksen må rotere. Men farten vert alt for låg samanlikna med det me har klart å måle. Altså må det vere meir materie der som me ikkje kan sjå – og det er den mørke materien.

Prosjektilhopen. Bilete frå <a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Bullet_Cluster">Wikipedia</a>/NASA

Prosjektilhopen. Bilete frå Wikipedia/NASA

Eit anna prov er det som kallast Prosjektilhopen («Bullet cluster» på engelsk), to klynger av galaksar som nett har kollidert med kvarandre. («Nett» er her brukt i kosmisk betydning – kollisjonen skjedde for 100 millioner år sidan.) Viss me ser i teleskopet på korleis stjernene i klynga er fordelt, så syner dei alle teikn på å ha kollidert valdsamt og vorte deformert (dei rosa områda på biletet). Men om me analyserer fordelinga av den totale massen i klynga, så synar han ingen teikn på kollisjon (det blå området). Det syner tydeleg at mørk materie ikkje oppfører seg slik som vår vanlege materie.

Me veit ikkje kva mørk materie er, men det finst mange teoriar. Dei fleste er samde om at han er nøydd til å bestå av ein eller annan type partikkel. Nokon trur at han er av eit slag som vert kalla supersymmetriske partiklar. Andre tenkjer seg at han kjem frå ei stilig utviding av Einsteins relativitetsteori som kallast Kaluza-Klein-teori, eller at han er ein nær slektning av nøytrinoet, som er ein partikkel me kjenner godt frå før.

Korleis leite i mørkret

Det ser bokstavelig talt ikkje så lyst ut for forskarane som prøver å finne desse greiene. Sidan vanlege teleskop går på lys, så ser me jo ikkje snurten av mørk materie i dei. Me skulle hatt eit gravitasjonsteleskop. Og på ein måte så har me det, for lys vert bøygd av gravitasjon. Det er ved å studere lysavbøying ein har fått fram dei blå områda på biletet av Prosjektilhopen.

Men det finst òg ein del andre triks, heldigvis. For det er ikkje heilt sant at mørk materie berre kommuniserer via gravitasjon. Mykje tydar på at mørk materie òg kan reagere gjennom den naturkrafta som kallast svak kjernekraft. Og då kan faktisk mørk materie kollidere, både med seg sjølv og med vanlig materie. Men sidan svak kjernekraft er nettopp svak, så vil desse kollisjonane skje så sjeldan at me ikkje oppdagar det i døme som Prosjektilhopen. Dei vil likevel skje frå tid til anna, og det er det mange som freistar å nytte i leitinga.

Diagram over mørk materie-reaksjoner.

Diagram over mørk materie-reaksjoner.

Dette er eit bilete som syner skjematisk korleis me trur mørk materie og vanleg materie kan reagere med kvarandre. På venstre side er det to partiklar med mørk materie, på høgresida to partiklar vanleg materie. Og dette diagrammet er kult, for det kan lesast mange vegar. Om me les det frå venstre mot høgre så syner det to mørk materie-partiklar som kolliderer og vert til to vanlege partiklar. Desse vanlege partiklane kan vere foton (lyspartiklar), elektron, proton eller andre ting. I teorien lyt det vere mogleg å oppdage slike hendingar, der to vanlege partiklar tilsynelatande oppstår ut av ingenting.

Om me i staden les diagrammet frå høgre mot venstre, så syner det to vanlege partiklar som vert til to mørk materie-partiklar. Ein slik reaksjon vil krevje mykje energi, men i kollisjonsmaskina LHC i CERN kan han vere mogleg. Den moglegheita er ein av hovudgrunnane til at LHC vart bygd, og det føregår febrilsk leiting i LHC-dataene etter teikn på sånne kollisjonar.

Den tredje moglegheita er å lese diagrammet frå toppen og ned. Då tydar det ein mørk materie-partikkel som krasjar med ein vanleg partikkel. I den reaksjonen kjem dei same partiklane ut att på botnen, men dei kan ha endra retning. (Tenk på to biljardkuler som kolliderer.) Det finst store eksperiment som leitar etter denne forma for kollisjonar. Dei leitar ved å sette fram ein stor tank med eit eller anna stoff. Viss ein mørk materie-partikkel kolliderer med ei atomkjerne i stoffet, så vil dei kunne sjå spor etter det.

Dei nyaste funna

Det finst altså ein heil del teknikkar for å leite etter mørk materie. Og alle teknikkane vert nytta i mange ulike eksperiment. Men trass i iherdig innsats er det så langt ingen som har sett noko definitivt teikn til den mørke materien. Frå tid til annan kjem det likevel artiklar frå forskarar som trur dei har sett noko nytt. I det siste har det dukka opp ein serie artiklar som fortel om nye lyssignal frå sentrum av forskjellige galaksar og galakseklynger. Sidan mørk materie reagerer gjennom gravitasjon, så lyt det vere mykje av han i sentrum av galaksar, der det er sterke gravitasjonskrefter. Då lyt det òg vere gode sjansar for at mørk materie-partiklar kolliderer med kvarandre og vert til vanlege partiklar, mellom anna lys. (Me les no diagrammet frå venstre mot høgre).

Men sentrum av ein galakse er ein travel plass. I midten sit det eit supermassivt svart hol, som øver kjempesterke gravitasjonskrefter på omgivnadene. Det er òg masse stjerner og gass som driv og spinn og krasjar, og sender ut og absorberer lys. Om me peiker teleskopet mot det, vil me altså vente å sjå mykje rart. Men alt dette med stjernene og gassen og det svarte holet er i prinsippet kjend fysikk, så me bør kunne rekne ut kva for signal me ville kunne forvente. Det er det mange som har gjort, og det fins over hundre ulike modellar for korleis signalet må sjå ut. (Mangfaldet av modellar seier noko om at prinsipp og praksis ikkje er heilt det same i eit så komplisert system.) Det forskarane gjer for å leite etter mørk materie er å ta ei måling av signalet frå teleskopet sitt og trekke frå det signalet som modellen føreseier. Det som vert igjen då, det er noko modellen ikkje forventar, og det kan vere teikn på heilt ny fysikk.

I februar kom det ut to forskningsartiklar omtrent samtidig, frå to forskjellige forskningsgrupper. Dei hevder begge å ha sett eit lyssignal, med ein frekvens som svarar til røntgenstråling, i målingar frå mange ulike galaksar. Om dei har rett, så kan det tyde på at mørk materie er såkalla sterile nøytrino. Eit sterilt nøytrino er, viss det finst, ein nær slektning av det vanlege nøytrinoet. (For feinschmeckerane: Sterile nøytrino er høgrehendte, medan vanlege nøytrino er venstrehendte.) Nøytrinoet er partikkelfysikkens minst handgripelege materiepartikkel, fordi det er så lett og reagerer så svakt med all anna materie. Eit sterilt nøytrino vil i teorien arve dei same eigenskapane, og kan difor passe som mørk materie.

Mjølkevegen sett frå Jorda. Foto: Wikimedia commons.

Mjølkevegen sett frå Jorda. Foto: Wikimedia commons.

I ein annan artikkel, også den frå februar, har ei anna gruppe teke for seg eit signal frå sentrum av vår eigen Mjølkeveg. Signalet er ikkje nytt, men det synar eit overskot av gammastrålar. No har desse forskarane analysert signalet ein gong til, og dei demonstrerer at det passer veldig godt overeins med mørk materie-kollisjonar.

Det dei har gjort er å ta ein av dei nemnde modellane for korleis signalet lyt sjå ut basert på kjend fysikk, putte han inn i datamaskina og prøve å legge til nye ting. Dei har oppdaga at om dei legg til ein porsjon med stråling fordelt som ei rund kule omkring sentrum av galaksen, så får dei mykje betre statistisk samsvar med det målte signalet. Men den vanlege materien i mjølkevegen er fordelt som ei flat skive, ikkje som ei kule. Det skuldast kollisjonane som har skjedd i danninga av galaksen. Mørk materie kolliderer derimot ikkje med noko, så han lyt nettopp vere fordelt som ei rund kule! (Nett som det blå området i Prosjektilhopen.) Difor passar dette veldig bra med dei mest populære teoriane for mørk materie – og det har gjort ein del fysikarar ganske entusiastiske. Men det er ikkje mogleg å seie noko sikkert før me har samla inn meir data frå teleskopa.

Dei nemnde signala er berre to av mange potensielle mørk materie-observasjonar som har vorte rapportert dei seinare åra. Og det er lite truleg at begge er riktige, for då må det anten vere meir enn éin type mørk materie, eller den mørke materien må vere av ein ganske komplisert sort. Det gjeld altså å vere forsiktig optimistisk, men ikkje ta heilt av, når ein høyrer om sånne funn.

Von for snarleg løysing

Det er kjempetrøkk i forskinga på og leitinga etter mørk materie, på alle dei tre måtane som diagrammet tillèt. I 2015 vil CERN starte opp att LHC, med enda høgare energi enn før, og med stor von om å byrje å sjå teikn til direkte produksjon av mørk materie. Og tank-eksperimenta og teleskopa som leitar etter signal frå galaksane samlar stadig meir data. I forskingsmiljøet verker det difor som det er stor semje om at me vil få eit svar på mørk materie-mysteriet innan få år. Det er berre å glede seg!

Meir frå Kollokvium om mørk materie:

Originalartiklane som fortel om nye signal ligg òg ute på nett. Men dei er ganske tekniske. Røntgensignalet er publisert her og her, medan det står om gammasignalet her. (Trykk på PDF oppe til høgre.)

One comment

  1. Carbomontanus · mars 30, 2014

    J.E.Midtbø & al:

    Jeg prøver å finne orden i det fra min synsvinkel og det er ikke lett.

    Mest ser det ut som at man har bragt en teori utover sitt gyldighetsområde, hvor vi har mange eksempler å sammenligne med, f. eks Latinsk gramatikk i Kina. Gramatikken er klar i de tradisjonelle europeiske sentralspråk og blir bare litt vanskeligere på russisk hvor det er 20 casi. Så holder det bortover i Iran og på Urdu og i India og opp Himalaya, men ned igjen på baksiden bor det kinesere, og der er det bare unntak fra reglene. Allikevel snakker allerede barna i kina kinesisk,.. pussig…

    Det skyldes at gramatikk som videnskap er en gammel sær- teori om hvordan å få tyske teologistudenter til å lese Cæsars de bello gallico i orginal.

    Jeg har vært ute for fanatiske fysikere. Min far sa at fysikerne er sære og merkelige for de har noe høiere aandelig som man ikke forstår enda og ikke klarer å være med på for man må være innvidd- smil smil….

    Og det har jeg kunnet konstatere er tilfelle.

    De har det for seg at alt man kan se og sanse og ta på og føle er såkalt klassisk fysikk og klassiske mekanismer. Men så er det noe microchosmisk og det er det bare fysikerne som vet om og det er noe man faaaaenikke kan se i praksis ved høylys dag eller om natta , for det man kan se der er noe de kaller «klassisk fysikk».

    Men de er jo helt perverse og på trynet og er jo bare klassiske mekanister og atomister og vet ikke og ser ikke. Kan det være klassisk kjemi? kan det være klassisk musikk? kan det være klassisk litteratur?

    Slett ikke alt i den klassiske kjemi og som er helt trivielt og vanlig og synlig og sansbart håndgripelig får sin oppklaring i den såkalte klassiske fysikk. Allerede svarte natta er et typisk relativistisk fenomen. Og gullets gul- het og kvikksølvets fenomenalt lave smeltepunkt er oppklart som relativistiske fenomener. ( abnormiteter ved særlig tunge grunnstoffer der gravitasjonsfeltet for de innerste elektroner nær kjernen må drøftes relativistisk) Og man glemmer at den klassisk mekaniske sandstormteorien om helt vanlige materialers egenskaper er grunn- gal. Den klassisk tørrstofflig mekaniske atomisme er gammel overtro som er gjendrevet av forskningen forlengst og er en stupid gammel hype og overtro med svært begrenset gyldighet som er bragt altfor langt utover sitt gyldighetsområde.

    Videre bio- fenomener og fenomener i van der waals- feltet,…. det får ikke sin oppklaring og drøftes ikke effektivt på klassisk tørrstofflig micro- punctualistisk mekanistisk måte. Og den innvidde høiere aandelige greia hjelper ikke det ringeste. Tvertimot, Husbjørnismen og bøttekottismen og donaldismen virker heller effektivt sperrende og blokkerende og bringer fysikerne effektivt av de empirisk videnskabelige skinnene og hen i gjørma og av banen og helt bak mål i praksis..

    Og PC med digitalisme i virtual reality gjør da situasjonen bare enda mer elendig.

    Derfor har jeg personlig truffet endel valg. Jeg tror ikke på fotonet for jeg vet for mye om bølger og om radio. Lysets randbetingelser er kvatemekaniske partikulære og materielle men ikke lyset selv. Lyset er reelt og det er energisk, men det er ikke materielt. Å drøfte lyset som materie er å bringe material- læra utover sitt gyldighetsområde. Det er nærmest som gammel fanatisk og naiv og overtroisk dia- lektisk materialisme.

    Så jeg advarer mot sandstormteorien massepunktpartikkelteorien for å få has på dette med sort eller mørk materie.

    Se opp for slike heller vanlige og trivielle eksempler hvor besserwissere og experter pukker på sitt ganske fanatisk men er totalt på trynet og hvordan og hvorfor de er på trynet. Der kan man skolere og kvalifisere seg i det små for å kunne se hvordan de store gutta og fysikerne er åpenbart på trynet og står bommende fast også ved de store ting, men er stein sikre i sin sak allikevel, og avsløre hvorfor.

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