Mörk materia: de 85% av universum vi inte kan se

Vera Rubins upptäckt av galaxärs rotationskurvor förändrade kosmologin för alltid.

Kvinnan som hittade det osynliga

På 1970-talet mätte astronomen Vera Rubin rotationen hos galaxer. Enligt Newtons tyngdkraftlag borde yttre stjärnor röra sig långsammare än inre — precis som planeter i solsystemet. Istället hittade hon något djupt märkligt: stjärnorna vid ytterkanten av galaxerna rörde sig lika snabbt som de nära centrum. Rotationskurvorna var platta där de borde sjunka. Antingen brister vår förståelse av tyngdkraft på galaktiska skalor, eller finns det mycket mer massa i galaxer än vi kan se. Den osynliga massan kallas mörk materia, och vi uppskattar nu att den utgör ungefär 27 procent av universums totala energiinnehåll jämfört med bara 5 procent för vanlig materia.

Vad mörk materia inte är

Mörk materia är inte vanlig materia som bara är mörk. Primordial nukleosyntesen begränsar hur mycket baryonisk materia som kan finnas — det är inte tillräckligt för att förklara den saknade massan. Mörk materia utsänder, absorberar eller reflekterar inte elektromagnetisk strålning. Den interagerar gravitationellt — det är hur dess effekter detekteras: i rotationskurvor, i gravitationslinsning och i universums storskaliga struktur.

Ledande kandidaten: WIMP

Svagt interagerande massiva partiklar (WIMP) var under decennier den ledande kandidaten. Flera stora experiment — LUX, XENON1T, PandaX — har sökt efter WIMP med extraordinär känslighet. De har inte hittat något. Bland andra kandidater finns axioner, primordiala svarta hål och sterila neutriner. Fältet är genuint öppet.

Mörk energi: den ännu märkligare följeslagaren

År 1998 upptäckte två forskarlag att universums expansion accelererar — galaxer flyger isär allt snabbare. Något driver denna acceleration: mörk energi, som utgör ungefär 68 procent av universums totala energiinnehåll. Dess natur är nästan helt okänd. Det kan vara en egenskap hos rymden själv (Einsteins kosmologiska konstant), eller ett dynamiskt fält.

Den filosofiska tyngden av att inte veta

Vanlig materia — allt vi någonsin rört, sett, mätt — utgör ungefär 5 procent av universums innehåll. De övriga 95 procenten är antingen mörk materia (27 procent) eller mörk energi (68 procent), och vi vet inte vad någondera är. Vi har kartlagt universums byggnadsställning utan att förstå vad den är gjord av. Universum är mestadels ett mysterium vi har gett namn åt.

Vanliga frågor

Fråga: Kan mörk materia bara vara ett problem med vår tyngdkraftsteori?

Svar: Möjligen. Modifierad Newtonsk Dynamik (MOND), föreslagen av Mordehai Milgrom 1983, kan förklara galaxrotationskurvor utan mörk materia. Men MOND kämpar med gravitationslinsningsobservationer och Bullet Cluster-kollisionen, där gravitationscentrat separerades från den synliga materian. De flesta kosmologer anser mörk materia bättre understödd.

Fråga: Om mörk materia bara interagerar gravitationellt, hur kan vi direkt detektera den?

Svar: Direkt detektering (LUX, XENON, PandaX) försöker fånga sällsynta WIMP-kärnkollisioner. Indirekt detektering letar efter gammastrålning från annihilering av mörk materia-partiklar. Partikelkolliderexperiment kan producera mörk materia-partiklar. Inget har bekräftat mörk materia ännu, men varje runda av experiment begränsar möjligheterna ytterligare.

Nyfikna sinnen hör ihop. Hitta människor som ställer samma frågor på Good People Map.