Mørk materie: Hvordan leter forskere etter noe de ikke vet hva er?

Kan det være sorte hull? Eller er det en ukjent type partikkel? Likningene går ikke opp uten mørk materie, men gåten er ikke løst.

Mørk materie: Hvordan leter forskere etter noe de ikke vet hva er?
Universet er fullt av ubesvarte spørsmål. Foto: NASA

– Vi vet ikke hva det er, men vi vet at det er der, og vi kaller det for mørk materie for å ha et navn på det, forklarer fysikkprofessor Are Raklev på Universitetet i Oslo. 

Han er en av dem som leter etter mørk materie og alt det kan være. På 70-tallet begynte fysikere for alvor å ane at det måtte være mer materie i universet enn det som kunne observeres. Fysikerne studerte fjerne galakser og så at de ytterste stjernene beveget seg raskere enn de burde med tanke på den massen galaksene hadde. Dermed måtte det finnes mer masse for å ha nok tyngdekraft til å holde disse stjernene på plass. Det var startskuddet for jakten på dette merkelige stoffet. Et halvt århundre senere leter forskerne fremdeles etter forklaringer på hva denne ukjente massen kan være. 

– Ofte blir det sagt at vi vet ingen ting om hva mørk materie er, men det er ikke sant. For hvert nye eksperiment, for hver nye dataanalyse, vet vi mer selv om vi ikke fant mørk materie. Det betyr at vi har utelukket en del alternativer, forklarer postdoktor Anders Kvellestad. 

Han illustrer poenget med å si at dersom du har mistet nøklene og leter under både en og to sofaputer uten å finne dem, så har du utelukket at de befinner seg der. Da vet du mer enn før du begynte å lete. Både Kvellestad og Raklev er teoretikere. Deres jobb består i å teste ulike teorier om hva mørk materie kan være. 

– Det finnes mange teorier, og vi jobber med å snevre inn antallet og finne ut hvilke teorier som er mest sannsynlige gitt de dataene vi har og de dataene vi kan få. Vi må teste så mange teorier som mulig, som betyr at vi må skrive store, smarte dataprogrammer, og så må vi se på hver teori og teste om den kan stemme og hvor godt den stemmer og om den stemmer bedre enn andre teorier, forklarer Kvellestad. 

Nye teorier oppstår sjelden på nachspiel

– Kan hvem som helst komme med en ny teori, for eksempel på et nachspiel i en studentkjeller? 

– Problemet er da å huske den morgenen etterpå, smiler Raklev. 

Han utdyper at selv om hvem som helst står fritt til å komme med nye teorier, er det noen konkrete kriterier som må være oppfylt. 

– Det ene er at vi har kalt det mørk materie av en grunn. Den vekselvirker ikke med elektromagnetisme. Det vil si at den ikke sender ut eller absorberer lys, forklarer Raklev. 

Videre forteller han at dersom den mørke materien er en partikkel, må den ha ganske stor masse for å påvirke gravitasjonen så mye som forskerne har observert. I tillegg vet de at den beveger seg ganske langsomt og er stabil. 

Mørk materie kan være sorte hull eller partikler

– Vi er jo partikkelfysikere, så vi håper at det er en ny type partikler, sier Raklev.

Men det finnes også andre forslag som blir tatt seriøst. Et av dem er at det kan være sorte hull, og da spesielt sorte hull fra begynnelsen av universet. 

Selv holder Raklev med partikkelteorien. Det er flere mulige partikler det kan være. Det er flere måter forskerne jobber med å bekrefte denne teorien på. Det ene er å forsøke å lage den på CERN. Det andre er å måle den direkte ved hjelp av svært sensitive detektorer. 

På grensen mellom Sveits og Frankrike ligger CERN. Det er et enormt anlegg for å krasje partikler, som protoner. I disse kollisjonene studerer fysikere fra hele verden det som skjer. Et av målene er å klare å lage mørk materie. 

– Det vi vet er at den mørke materien stort sett går rett gjennom vanlig materie, så hvis vi klarer å lage den, vil den bare forsvinne. Hvordan skal vi da klare å oppdage en partikkel som bare forsvinner med én gang vi har laget den, og som går rett gjennom alt av detektorer, undrer Raklev. 

Han forklarer videre at det er mulig å bruke fysikkens lover til å se etter hva som mangler i en slik kollisjon. Energi og bevegelsesmengde skal være bevart, så hvis det er noe som mangler, kan det være et tegn på mørk materie. 

Dersom forskerne finner noe...

Dersom mørk materie skulle dukke opp i et eksperiment, vil det likevel ta tid å finne ut hva som faktisk har blitt funnet. Ifølge Raklev vil et funn trolig rapporteres som «overskudd av hendelser med manglende energi er oppdaget». En slik rapport vil ikke engang ha mørk materie i overskriften. 

Professor Are Raklev (t.v.) og postdoktor Anders Kvellestad møtes til en samtale om mørk materie. – Vi er rimelig sikre på at mørk materie ikke skyldes en regnefeil, sier Raklev. Foto: Elina Melteig/UiO

– Dersom du har observert at noe forsvinner, vet du fremdeles ikke at det er mørk materie. Du vet bare at du har skapt en ny partikkel som blir borte, men kanskje er det noe annet. Hvordan kan du være sikker på at det er den samme mørke materien som finnes ute i galaksene? Da må du undersøke mer, konstaterer Raklev. 

Kvellestad er mer optimistisk: – Dersom vi finner den, popper vi champagnen! 

– Det er eksperimentalistene som kommer til å gjøre det, repliserer Raklev, – og så kommer det lange perioder der vi kommer til å se nærmere på hva vi har funnet og hva slags egenskaper det har. Det er veldig tvilsomt at mørk materie er én ny partikkel. Sannsynligvis er det mange nye partikler, og da er det ganske mange ekstra ting vi er nødt til å finne ut av. Det er alltid nye mysterier å grave i!

Det finnes partikler som oppfører seg som mørk materie

– Et av problemene med dette er at vi allerede vet om partikler som oppfører seg litt som mørk materie, sier Kvellestad. 

Det finnes en partikkel som oppfører seg ganske likt det forskerne forventer av mørk materie. Disse partiklene kalles nøytrinoer. Det er en type elementærpartikler. Disse partiklene blir ikke påvirket av annen materie og er elektrisk nøytrale. Slike partikler produseres blant annet inne i solen, og ifølge Kvellestad blir vi stadig vekk truffet av nøytrinoer uten at det påvirker oss på noen måte. 

– På en måte er disse nøytrinoene et bidrag til mørk materie, men det er ikke nok av dem, utdyper Raklev. 

Problemet er altså at selv om nøytrinoene har mange av de forventede egenskapene, er det på langt nær nok av dem til å forklare galaksenes bevegelser. Problemet med nøytrinoene er imidlertid at de også dukker opp på CERN. 

– Du kan ikke anta at du har produsert mørk materie hvis du finner noe som likner. Først må du anta at det var nøytrinoer, og så må du utelukke at det var det, forklarer Kvellestad. 

Med gode teorier og modeller er det mulig å forutsi mengden nøytrinoer som skal dukke opp.

– Vi er teoretikere, så vi kan regne ut hvor mange nøytrinoer og hvor mange mørk materie-paritkler du burde få. Da blir det etter hvert en tellejobb. Vi kan lage nøyaktige modeller av hva eksperimentalistene burde finne, forklarer Raklev. 

Les også

Venter på å bli truffet av mørk materie

Det er flere metoder for å jakte på mørk materie. Fremfor å forsøke å lage den, er det også mulig å prøve å observere den. Ifølge Raklev er det mulig å bygge svært sensitive detektorer. Deretter er det bare å vente på at mørk materie skal treffe et atom inne i sensoren. Dette skjer trolig ikke så ofte, og dermed trengs det store mengder stoff som blir observert for å øke sannsynligheten. 

– Denne kollisjonen er ikke veldig spektakulære greier, så da må da må du ha et veldig sensitivt anlegg. Da får du fort problemer med støy, sier Raklev. 

En av støykildene er kosmisk stråling fra rommet. Det er årsaken til at de fleste av disse detektorene bygges dypt i en gruve eller under et fjell. Der inne er det andre problemer, som naturlig radioaktivitet. 

– Disse eksperimentene går stort sett ut på å beskytte detektoren, slik at du er helt sikker på at det eneste som virkelig treffer detektoren, er mørk materie. Så er det bare å vente – og vente og vente, sier Raklev. 

Kan det være en regnefeil? 

Ifølge forskerne er det mange grunner til å tro at mørk materie eksisterer. Hvordan skal man ellers forklare fjerne stjerners hastighet i forhold til massen? 

– Folk har foreslått alternativer, slik som at vi ikke helt forstår gravitasjon og at den underlige oppførselen vi ser der ute skyldes at vi må modifisere gravitasjonslovene våre, sier Raklev. – Men vi har prøvd, og det går ikke opp. 

Ifølge professoren er det ikke mulig å endre gravitasjonen på en slik måte at modellen av universet fungerer på alle skalaer fra solsystem til galaksehoper. 

– Vi er rimelig sikre på at mørk materie ikke skyldes en regnefeil, sier han.

I eksperimentene forsøker forskerne å sikre seg mot feil ved å ha nok data. Det er tusenvis av forskere som jobber med ulike typer forsøk. 

– Og så er det bare å håpe at det ikke er noen løse kabler eller andre ting. Da kan vi driste oss til å tro at vi har funnet noe nytt, humrer Raklev. 

Slik vet forskerne hvor mye mørk materie det må være

Ifølge Raklev er det ganske nylig, rundt 2000-tallet, at forskerne ble helt sikre på at 80 prosent av materien i universet er av den ukjente sorten. Om man ser på den totale energien i universet, blir det enda rarere. Her utgjør vanlig materie cirka 5 prosent, mørk materie cirka 27 prosent, og resten er mørk energi.

– Mørk energi vet vi enda mindre om, sier Kvellestad. – Det ser ut til å være en slags energi som er knyttet til selve rommet og som vi tror er ansvarlig for at verdensrommet utvider seg raskere og raskere.

Mørk energi er ifølge ham ikke det samme som mørk materie, og energien kan heller ikke brukes til å forklare stjernenes fart eller andre spørsmål som vanligvis knyttes til mørk materie. 

– Noe av det vi kan gjøre som teoretikere, er å bake en universkake. Du kan ta noen ingredienser og se hva slags univers du får ut av det. Da kan du ta ingrediensene mørk materie, vanlig materie, mørk energi pluss litt stråling og variere dette i ulike mengder og se hva slags kake du får. 

Raklev hevder at det kun er én fordeling av ingrediensene som gir oss det universet vi har i dag. 

Vi påvirkes ikke av mørk materie i hverdagen

– Du påvirkes ikke nevneverdig av alle disse nøytrinoene som farer gjennom kroppen din til enhver tid. Jeg ville ikke bekymret meg for å bli slått i hodet av mørk materie, sier Kvellestad humoristisk. 

Selv om vi kan gå gjennom livet tilsynelatende upåvirket av mørk materie, er det svært mange som vier livet til å lete etter den. Hvorfor gjør de det? 

– Det er gøy. Trenger vi noen annen grunn, utbryter Kvellestad. 

Raklev utdyper: 

– Det å utforske universet vårt er noe grunnleggende i menneskers natur. Vi har gjort det i hele vår historie. Det å ha kunnskap har en verdi i seg selv. Jeg ser på meg selv som ekstremt privilegert som får betalt for å finne ut av hvordan universet fungerer.

Videre forteller han at mens forskerne leter etter mørk materie, har dette en rekke positive bieffekter for samfunnet. 

– Det å drive denne forskningen videre, utvikler teknologi og teknikker som brukes mange andre steder. Kroneksempelet er nettet, world wide web, som ble funnet opp på CERN for å organisere data. Grunnen til at du kan sitte på VG, skyldes eksperimenter i partikkelfysikk, sier Raklev. 

Med på kjøpet følger også alle studentene som trenes opp i vitenskapelig problemløsning og moderne beregningsteknikker som maskinlæring, og som tar med seg kompetansen ut i arbeidslivet. 

Denne artikkelen ble først publisert på Titan.uio.no

Les også