Det usynlige univers

Mørkt stof

De grundlæggende byggesten i vores univers er galakser. Galakser klumper sig ofte sammen og danner større strukturer, kaldet galakseklynger. Disse strukturer holdes sammen af en balance mellem galaksernes indre bevægelser og tyngdekraften.

Forskere på Niels Bohr Institutet forsøger at forstå det mørke stof, ved at bruge en kombination af de mest avancerede røntgen-strålings satellitter, laboratorier dybt under jorden og enorme detektorer ved Sydpolen. Alt dette kombineres med teoretiske partikel-modeller som de teoretiske fysikere udtænker.

Observationer viser, at galaksernes indre bevægelser er for store til, at blive påvirket udelukkende af tyngdekraften fra normalt stof. Det er det stof, som består af elementarpartikler, som vi kender det i vores laboratorier. Vi må derfor formode, at der inde i galakserne eksisterer en ekstra mængde stof af ukendt fysisk natur. Det er dette stof vi kalder det mørke stof.

Det mest slående bevis for tilstedeværelsen af mørkt stof, kommer fra det simple faktum, at vi lever i et kosmisk rum fyldt med milliarder af forskellige galakser. Denne utrolige overflod af galakser forekommer, takket være en ekstra forstærkelse af struktur-formationen, forårsaget af det mørke stof. Et univers uden mørkt stof ville ikke have haft tid nok til at skabe galakserne, heriblandt vores egen galakse, Mælkevejen.

Mørkt stof er et vigtigt element i den moderne kosmologiske model. Præcise kosmologiske observationer viser, at det optager 26% af universets totale energi, hvilket er 5 gange mere end det kendte stof, lavet af elementarpartikler.

Årtiers arbejde med at finde overbevisende dokumentation for tilstedeværelsen af mørkt stof blev i 2019 anerkendt med en Nobel Pris i Fysik, tildelt James Peebles, en af pionererne bag den moderne kosmologiske model. Hvordan mørkt stof ser ud, rent fysisk, mangler dog stadig at blive afdækket.

Kosmologiens hypotese er, at mørkt stof kan være en ny fremmedartet partikel, eller endda flere forskelige partikel-arter. Nylige opdagelser af tyngdebølger (tyngdebølger minder om bølger af lys, men skabes af massive objekter i rummet) fra 2 sorte huller, som kredser om hinanden, rejste et spørgsmål om, hvorvidt en brøkdel af mørkt stof kan dateres tilbage til sorte huller, skabt kort efter Big Bang.

Mørkt stof kunne være partikler, der interagerer svagt med hinanden, eller med de kendte elementarpartikler. Disse interaktioner kan muligvis generere et målbart signal, som sætter os i stand til at opdage det mørke stof. Eksperimentelle fysikere prøver at måle disse svage signaler i underjordiske partikel-detektorer, mens astrofysikere kigger efter mistænkelige udsving af stråling udsendt fra steder med høj koncentration af mørkt stof.

Indtil videre er der ikke målt et klart signal i de underjordiske detektorer. Det lader til at være sværere end forventet at identificere præcis hvordan det mørke stofs fysiske natur faktisk er. Måske betyder dette, at vi er nødt til at kigge efter svar andre steder.

Mørk energi

Forskerne på Niels Bohr Institutet forsøger at forstå universets acceleration på 2 måder - observationelt og teoretisk:

• Den observationelle del bruger data fra SuperNova eksplosioner, fra den kosmiske baggrundsstråling, og for fordelingen af galakser igennem hele det synlige Univers.
   
• Den teoretiske del af forskningen undersøger hvilken slags forudsigelser forskellige teorier giver, både den mest basale med “Einsteins kosmologiske konstant”, og også mere avancerede modeller med en acceleration af Universet, der skabes gennem nye kræfter og ladninger i Universet.

Mørk stof fungerer som en ekstra kilde til tyngdekraft, som nedsætter hastigheden af universets udvidelse. Til stor overraskelse for alle, demonstrerede to konkurrerende hold af astronomer under ledelse af Saul Perlmutter, Brian Schmidt og Adam Riess i 90erne, at universet accelererer.

Det betyder, at der må eksistere en slags energi som fungerer som en anti-tyngdekraft. Den kosmiske acceleration blev senere bekræftet af omfattende mængder af uafhængige observationer.

I 2011 modtog de ledende astronomer bag den oprindelige opdagelse en Nobelpris i fysik.

Mørk energi er mere flygtigt end mørkt stof, og det udgør en langt større udfordring for teoretikere end mørkt stof.

I den ene yderlighed kan mørk energi være et underligt fysisk felt, som er karakteriseret ved et negativt tryk, forskelligt fra alle andre tilstande af stoffer og fysiske felter, kendt fra laboratorier. 

I den anden yderlighed kan det også være en ny form for tyngdekraft, som manifesterer sig på store kosmologiske skalaer.

Mørk energi er en overordnet betegnelse for mulige grunde til den kosmiske acceleration. Hvad den egentlige grund til accelerationen er, er stadigvæk et stort spørgsmål inden for kosmologien.

I den kosmologiske standardmodel er mørk energi repræsenteret med en såkaldt kosmologisk konstant. Dette er den simpleste model for mørk energi, som man kan forestille sig, og den er i øjeblikket fuldstændig i overensstemmelse med alle observationer. Den kosmologiske konstant blev introduceret af Albert Einstein for ca. 100 år siden.

Den kosmologiske konstant er for tiden vores bedste model for mørk energi, men det ultimative bevis ligger stadig forude. Kommende observationer henover de næste 5-10 år, vil give os mulighed for at måle egenskaberne af mørk energi med meget højere præcision.

Måske overrasker universet os igen og afslører uventede egenskaber for mørk energi, som vil bringe astronomer i en helt ny retning?

Kosmologiske konflikter

Hverken mørkt stof eller mørk energi blev forudsagt teoretisk. Det var en serie af overraskende observationer som konkluderede, at disse to former for energi eksisterer i det kosmiske rum. Mørkt stof og mørk energi er altså blevet introduceret som konsekvens af, at tidlige observationer viste uoverensstemmelse mellem målinger og forudsigelser fra de ældre teorier. Der refereres ofte til disse uoverensstemmelser som kosmologiske ”konflikter”.

Den største ”konflikt” inden for kosmologien i dag omhandler ekspansions-hastigheden af universet. Denne hastighed kan observeres på to måder:

1. Via observationer af den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling som blev skabt i den tidligste observerbare epoke af universet.
2. Den tilsvarende hastighed målt ud fra observationer af objekter i nærheden af vores Galakse. Denne forskel i observationerne kaldes for ”Hubble konflikten”.

Umiddelbart betyder denne konflikt, at vores kosmologiske model ikke er i stand til at sammenknytte de tidligste og de seneste faser af den kosmiske evolution.

På den anden side, kan konflikten også skyldes en uforklarlig usikkerhed i vores målinger, hvilket ville betyde at vores nuværende model ikke behøver nogen ekstraordinære rettelser.

Begge senarier er problematiske: Den ene vil revolutionere vores forståelse af kosmiske dynamikker og deres relationer til mørk stof, imens den anden vil vise, at vi har problemer med at forstå vores observationer.

Fremtidige kosmologiske observationer

Mørkt stof og mørk energi er drivkraften i den kosmiske evolution. De regulerer både universets udvidelse og væksten af kosmiske strukturer som galakser.

Ved at observere forvrængninger af galakser, får vi muligheden for at få et indblik i det mørke stofs fordeling hen over tid. Forvrængningerne forårsages af den såkaldte gravitations-linseeffekt, hvor det lys, der rejser til os fra galakserne, afbøjes af kosmiske strukturer med stor tyngdekraft (- gravitation), fx fra andre galakser. 

Sammenholdt med flere målinger af kosmologiske afstande, kan vi kortlægge universets udvidelse henover tid. Vil vi finde særheder og konflikter i fremtidig data? Vil de øge vores forståelse af, hvad mørkt stof er, og hvad der forårsager Universets udvidelse? Det vil tiden vise.