mörk materia och mörk energi

med Göran Östlin

Want to read this article in English? Click here!

Göran Östlin, professor i astronomi.

Om Göran Östlin
Göran Östlin är professor i astronomi vid Stockholms universitets Institution för Astronomi. Han är också ledamot av Kungliga Vetenskapsakademien. Görans huvudområde är extragalaktisk astronomi och observationell kosmologi och han är verksam vid Stockholms observatorium (AlbaNova). Han har arbetat med astronomi i över 20 år och använder mycket data från Hubbleteleskopet och Very Large Telescope (VLT) i sitt arbete.

Varför tror man att mörk materia finns, och hur mycket vet man om den?
– Man vet faktiskt inte särskilt mycket mer än man visste för 30-40 år sedan. De första indikationerna på att det fanns mörk materia kom på 30-talet. Det var astronomen Fritz Zwicky som tittade på hur fort galaxer i en galaxhop (flera sammanhängande galaxer, reds. anm.) rörde sig. När man tittar på hur fort saker och ting rör sig kan man räkna ut massan. Man kan till exempel räkna ut solens massa genom att titta på hur fort jorden cirkulerar runt solen och på vilket avstånd. På samma sätt kan man bestämma massan på en galaxhop genom att se hur fort de enskilda galaxerna rör sig. Det man tittar på är hur fort de roterar som en funktion av avståndet från centrum. Då kan man räkna ut massan som en funktion av avståndet från centrum. Sen jämför man det med hur mycket stjärnljus det finns och gör ett antagande om stjärnans vikt.

Vår galax, Vintergatan.

– På det här sättet kan man se att i centrum av galaxer domineras massan av luminös materia, alltså sådant vi kan se med teleskop, så som stjärnor, gas och stoft. Men ju längre ut vi kommer minskar tätheten på materia vilket innebär att rotationshastigheten också borde minska, men det gör den inte, utan ligger kvar. Det har man då tolkat som att det finns mer materia där ute än vad vi kan se, osynlig materia som man kallar mörk, helt enkelt för att den inte lyser. Det är egentligen det enda man vet om den. Det ska inte blandas ihop med antimateria som är något annat. När materia och antimateria möts förintar de varandra i en annihilationsprocess och frisläpper stora mängder energi som lyser starkt. Om det fanns antimateria i den mörka materian skulle det lysa kraftigt.

Vad finns det då för teorier om vad mörk materia egentligen är?
– Det skulle kunna vara ”vanliga” saker och ting som inte lyser, till exempel döda stjärnor som slocknat eller kall gas. Man tror dock inte att det kan vara all mörk materia, utan endast en delmängd. Man kan räkna på hur mycket helium och deuterium som skapades i Big Bang. Man inser då att det inte kan ha funnits så mycket vanlig materia i det tidiga universum för att förklara all den mörka materian, eftersom det då hade bildats för mycket helium eller deuterium. Av den här anledningen tror man att det mesta av den mörka materian är av ett annat slag, icke-baryonisk. Baryoner är vanliga, tunga partiklar som bygger upp atomer, till exempel protoner och neutroner.

Partikelacceleratorn Large Hadron Collider (LHC) på CERN i Schweiz.

– Inom partikelfysiken har man tänkt att det kan vara något man kallat WIMPs (weakly interacting massive particles, reds.anm.). Problemet är att man inte hittar några, även om man har letat på till exempel CERN. Teorin om WIMPs var väldigt populär för några år sedan, men den verkar inte längre lika trolig. Man kan bygga upp hypotetiska partiklar och göra justeringar i partikelfyisken vilket kan leda till att det dyker upp nya partiklar, men vanligtvis blir det alldeles för många eller alldeles för få. Ibland dyker det upp en lagom mängd som man då tänker skulle kunna vara mörk materia, men det är inte så välgrundat. Men hypotetiska partiklar är något man tittar på, axioner till exempel.

– Något som det också funderas kring är om det kan finnas något fel på gravitationslagen som vi använder för att sluta oss till att mörk materia finns. Istället för att då leta efter ny materia som vi inte kan se finns teorier där man justerar gravitationslagen tills det stämmer bättre överens med det vi ser. Problemet är ofta att när man gjort justeringar och får resultat som fungerar för en galax så stöter man sen på problem när man går vidare till en galaxhop. Då får man göra ytterligare justeringar och addera fler parametrar. Det finns en hel drös med varianter av sådana teorier, men även om de kanske kan beskriva galaxernas dynamik kan de inte förklara någonting. Det finns hur som helst nu experiment med satelliter där man förhoppningsvis kommer kunna reda ut om det gravitationslagen behöver justeringar för väldigt stora avstånd. Ett exempel är en satellit som heter Euclid ska skickas upp av ESA närmsta åren och ska mäta materiefördelningen i universum på två olika sätt.

– Det finns också mer exotiska förklaringar inom teoretisk fysik, till exempel att universum har fler dimensioner än de vi kan se och uppleva, men som ändå påverkar universums dynamik. I gravitationslagen minskar gravitationskraften och accelerationen med avståndet i kvadrat. Tänk då en tredimensionell värld som vi bara upplever som tvådimensionell. När vi tittar på avståndet A ser vi då bara det projicerade avståndet Axy, en vektor i det tvådimensionella planet. Men egentligen har den en riktning i ytterligare en dimension, Z. I verkligheten är den alltså längre än vad vi ser. Resultatet i beräkningarna är en svagare gravitationskraft än vad den egentligen är och vi drar slutsatsen att accelerationen minskar, men i själva fallet tar vi inte på ett korrekt sätt hänsyn till alla dimensioner. Det här blev otroligt populärt för några år sedan med strängteorin och är även en tänkbar förklaring till mörk energi.

Finns det mörk materia här på jorden också?
– Nästan ingenting, även om det ju också finns här förstås, eller borde finnas. Men det beror också på vad den mörka materian består av. Om den består av vissa partiklar så beror det på hur de partiklarna växelverkar med andra partiklar, samt vilken massa de har och hur fort de rör sig. Man brukar prata om den mörka materian som kall eller varm. Är det kall mörk materia betyder det att partiklarna rör sig långsamt, medan varm materia rör de sig fort. Neutriner skulle till exempel kunna vara varm mörk materia. Problemet är bara att för att kunna förklara strukturen i universum behöver man kall mörk materia. Jorden är en ovanligt tät plats i universum, mycket tätare än en stjärna. Materiakoncentrationen är hög. Vi finns i en relativt tät del av galaxen, men om vi rör oss längre bort från centrum börjar den mörka materian att dominera.

Om vi byter fokus till mörk energi, vad är det?
– Universum har en storskalig struktur med galaxhopar och hålrum som kan beskrivas som ett tvättsvampsliknande nätverk. Geometrin är ganska platt och krökningen är väldigt liten. Tittar man då på hur mycket materia som finns i universum ser man att den bara är ca 30% av vad som krävs för att universum ska kunna ha den geometrin. Då måste resten, ca 70%, utgöras av något som man brukar kalla för mörk energi. Då pratar vi inte längre om partiklar, utan energifält eller kraftfält. Det är inte särskilt intuitivt vad det egentligen är.

Har Einsteins kosmologiska konstant med mörk energi att göra?
– Ja, det är den enklaste formen av mörk energi. Han introducerade den för att få ett statiskt universum, eftersom han inte tyckte om att hans modelluniversum expanderade. Man får ha i åtanke att han i princip bara kunde se Vintergatan; universum var väldigt litet jämfört med vad vi kan observera idag. Den kosmologiska konstanten var illa sedd under lång tid och Einstein själv beskrev den som ett stort misstag. Faktum är att det fanns observationella stöd för en sådan konstant under 70- och 80-talet, men problemet var att felen i mätningarna på den tiden var så pass stora att man inte litade på resultaten. Men i samband med supernovorna i slutet på 90-talet fick man väldigt precisa mätningar som visade att det inte finns någon annan utväg än att det finns en kosmologisk konstant, eller mörk energi. Där är vi fortfarande idag.

Den kosmologiska konstantens upphovsman, Albert Einstein (1879 – 1955).

Hur fungerar då mörk energi?
– Vi föreställer oss en låda som vi fyller med partiklar. Sedan fördubblar vi lådans dimensioner vilket gör den åtta gånger större, men antalet partiklar inuti är detsamma, vilket innebär att densiteten går ned till en åttondel. Men mörk energi fungerar inte så, utan energitätheten i vakuum är konstant. Det innebär att oavsett hur mycket du förstorar lådan så fortsätter energin att öka. Det känns ju väldigt märkligt och man kan ju på allvar fråga sig om det inte strider mot fundamentala fysikaliska principer, vilket det gör det ju egentligen gör. Men frågan är om universum måste lyda de lagar som gäller i universum. Eftersom det bara finns ett universum som vi kan observera kan vi inte testa det.

– Någonting som beter sig på det här sättet måste finnas. Antingen tillkommer energi eller så har vi misstolkat observationerna på något sätt. Tidigare undrade man om vi kunde ha misstolkat supernovaobservationerna. Det man undersöker är förhållandet mellan avståndet till någonting och expansionshastigheten, för att ta reda på hur fort universum expanderar vid olika tidpunkter. Om det finns anledningar till att vi ser supernovorna sämre, till exempel stoft som är i vägen, blir resultaten ett svagare ljus och vi tror att de ligger längre bort än de egentligen gör. Det är möjligt men inte särskilt troligt. Nu är det relativt etablerat att det finns något som gör att universums expansion har börjat accelerera. Det kan innebära att materian blir glesare och glesare, men inte den mörka energin. Den blir istället viktigare och viktigare och kommer till slut fara iväg i en exponentiell hastighet åt alla håll och blåsa sönder hela universum, vilket ju inte låter så trevligt!

Vår närmaste granngalax, Andromedagalaxen.

Innebär det här att mörk materia och mörk energi motverkar varandras krafter?
– Den mörka materian bidrar med extra massa och därmed mer gravitation. Det ger snabbare rörelser och får galaxerna att dras mot varandra. Andromedagalaxen och vår galax rör sig runt varandra och drar i varandra. Galaxerna i en galaxhop drar i varandra och kommer närmare. Men detta motverkas av en konkurrerande kraft, universums expansion, som får saker och ting att komma längre och längre ifrån varandra. Det gör att galaxer och galaxhopar växer långsammare än de hade gjort om universum varit statiskt och alltså inte expanderat. Expansion verkar då ”puttas på” av den mörka energin.

Hur nära är man att reda ut vad mörk materia och mörk energi är?
– Det beror nog på vem man frågar, men generellt är det svårt att veta om vi är nära eller inte. Det finns ett sådant brett spektrum av idéer om egenskaper och hur den växelverkar med annan materia vilket gör att det inte finns något entydigt experiment för att avgöra om mörk materia finns eller inte. Hittills har man mest kunnat utesluta idéer snarare än att komma framåt med nya, bra idéer. Om det var en vadslagning om huruvida vi har hittat den mörka materian om 20 år skulle jag inte satsa mina pengar på det. Men det är två av de stora frågetecknen man försöker lösa. Det finns då olika experiment, både på marken för att hitta mörk materia, och i rymden som ska beskriva mörk energi och mäta mörka materian på stora skalor, eller avvikelser som kan tyda på en annan gravitationsteori. Erfarenheten säger dock att varje svar man hittar skapar ännu fler nya frågor.