Haloer fra slukte galakser kan gi kunnskap om hva mørk materie er

Tenk deg at du løfter blikket en stjerneklar vinternatt og ser Melkeveiens hvite bånd over den mørke nattehimmelen.

Det du ser, er lyset fra flere hundre milliarder stjerner i den spiralformede galaksen vår. Vårt eget solsystem er bare en bitte liten prikk et stykke ut på siden av galakseskiven.

Om du kunne vendt blikket stikk motsatt vei, ville du sett ut av den flate spiralen. Der ute, i det tilsynelatende tomme mørket, spredt utover som vifteformede slør, ligger restene av eldgamle galakser.

– Gjennom hele universets historie har galakser slått seg sammen. Når det skjer, blir stjerner revet løs. Det dannes stjernestrømmer. Sammen med andre svake strukturer og diffust lys fra stjernene utgjør dette det vi kaller galaksens halo, forklarer Sijing Shen. 

Shen er professor i kosmologi ved Universitetet i Oslo. Forskere i kosmologi sysler med spørsmål som hvordan universet ble til og hva det inneholder. Og de har mye å jobbe med. Det meste av kosmos består nemlig av noe vi ikke vet hva er. Det vi bare kaller mørk materie.

– I dagens kosmologiske modell utgjør mørk materie rundt 27 prosent av universets totale energiinnhold, mens all vanlig materie – hydrogen, helium, oksygen, stjerner, planeter og alt vi kjenner fra standardmodellen i fysikken – bare utgjør rundt 5 prosent, sier Shen.

Hun koordinerer Norges bidrag til Den europeiske romfartsorganisasjonen Esas nyeste oppdrag: ARRAKIHS-teleskopet.

– ARRAKIHS er et teleskop som skal observere svært svake strukturer rundt galakser i det nærliggende universet. Vi planlegger å studere rundt 70–80 galakser som ligner Melkeveien, selv om det endelige antallet mål ennå ikke er bestemt.

Haloer av mørk materie

Selve storskala-strukturen av universet er som et stort, kosmisk nett med filamenter, eller tråder. Der trådene møtes, ligger det haloer av mørk materie.

I kosmologenes standardmodell dannes disse haloene først. Deretter strømmer gass – vanlig materie – langs filamentene og inn mot haloene. Gassen avkjøles og kondenserer i sentrum av haloene, og etter hvert dannes galakser som inneholder stjerner og planeter.

– Også nærliggende galakser kan bevege seg langs filamentene og smelte sammen med hovedgalaksen og dens halo, forklarer Shen.

Galakser kan bli utsatt for tidevannskrefter, den samme fysiske mekanismen som danner flo og fjære på jorda. Når en liten galakse nærmer seg en mye større galakse, trekker den store galaksens gravitasjon sterkere i den siden av den lille galaksen som er nærmest, enn i siden som er lengst unna.

– Stjernene kan da bli revet løs fra galaksen sin. Slik dannes det stjernestrømmer og diffuse stjernehaloer. Også kulehoper, tette, kuleformede samlinger av opptil millioner av stjerner som holdes sammen av tyngdekraften, kan bli revet i stykker av tidevannskreftene og danne stjernestrømmer, forklarer Shen.

Kosmiske fossiler

– Ulike galakser av ulik masse vil ha sin egen halo av mørk materie, sier Shen.

Når forskerne vil se nærmere på sporene etter gamle og oppslukte galakser, er det fordi de er skapt av prosesser som involverer både mørk materie og «vanlig» materie.

De svake stjernestrukturene som ARRAKIHS-teleskopet skal observere, fungerer som fossile spor etter kosmologiske hendelser.

– Vanlige observasjoner av galakser viser først og fremst de lyssterke, sentrale delene. For å kunne se de svært svake strukturene, må man observere mye dypere, helt ned til svært lave nivåer av overflatelysstyrke. Når man gjør det, begynner man å se dverggalakser, rester etter oppslukte galakser og diffuse stjernehaloer. Disse strukturene fungerer som fossiler. De kan fortelle oss hvordan galaksene er blitt dannet og utviklet, forklarer Shen.

Hennes forskningsgruppe er ansvarlig for å utvikle modeller som skal forutsi hvilke strukturer ARRAKIHS kan forvente å observere.

– Vi ønsker å finne ut hvordan ulike prosesser for galaksedannelse og ulike modeller for mørk materie kan påvirke de svake strukturene.

For å gjøre det, brukes datasimuleringer der forskerne skaper et virtuelt univers. Simuleringene starter med de første endringene i tetthet som oppsto etter Big Bang og følger utviklingen av universet helt fram til i dag.

– På denne måten kan vi undersøke hvordan galakser dannes og utvikler seg under ulike forutsetninger. Vi kan for eksempel sammenligne standardmodellen med kald, mørk materie med alternative modeller. Som varm, mørk materie, eller modeller der mørk materie har selvinteraksjoner.

Ikke alle teorier stemmer

Standardmodellen for mørk materie er nemlig at den er kald. At den ikke har vekselvirkninger med annen materie. Den kolliderer ikke. Men kanskje det ikke er slik likevel?

– Mørk materie beskrives ofte som kollisjonsløs. Det er en modell som beskriver universets storskalastruktur svært godt, men den møter utfordringer når man studerer de aller minste og svakeste galaksene. Observasjoner av dverggalakser og ultrafine dverggalakser stemmer ikke alltid overens med teorienes forutsigelser, sier Shen.

Datamodeller forutsier for eksempel langt flere små satellittgalakser rundt store galakser enn det forskerne faktisk observerer.

– Et annet problem gjelder fordelingen av mørk materie inne i galaksene. Simuleringer av kald mørk materie forutsier at tettheten av mørk materie skal øke kraftig inn mot galaksenes sentrum. Observasjoner antyder derimot at fordelingen ofte er mye flatere, sier Shen. 

Samtidig understreker hun at ARRAKIHS hovedsakelig vil undersøke stjernestrømmer og diffuse stjernehaloer, snarere enn bare dverggalakser.

Så hva ønsker forskeren mest? Håper hun at observasjonene fra ARRAKIHS skal bekrefte modellene deres, eller håper hun at de skal vise noe uventet? Shen smiler når hun får spørsmålet.

– Begge deler er interessant. Dersom observasjonene stemmer godt overens med simuleringene, betyr det at vi har forstått de underliggende prosessene ganske godt. Men dersom observasjonene avviker fra modellene, kan det være enda mer spennende. Da kan det tyde på at det finnes prosesser eller fysikk vi ennå ikke har forstått.

Artikkelen ble først publisert på Titan.uio.no