Vad är mörk materia?

Den mörka materian är en mystisk, icke-lysande substans som utgör den stora majoriteten av materian i universum. Även om experter har observerat den mörka materiens gravitationseffekter i årtionden är forskarna fortfarande förbryllade över dess verkliga natur.

Vem upptäckte den mörka materian?

I slutet av 1800-talet började astronomer spekulera om osynlig materia – antingen svaga stjärnor eller gas och stoft, utspridda i universum. Forskare hade till och med börjat uppskatta dess massa, enligt en granskning från 2018 i tidskriften Reviews of Modern Physics. De flesta trodde att denna mystiska substans var en mindre del av den totala massan i kosmos.

Det var inte förrän 1933 som den schweizisk-amerikanska astronomen Fritz Zwicky noterade att avlägsna galaxer snurrade runt varandra mycket snabbare än vad som borde vara möjligt med tanke på deras synliga materia som ses i teleskop. ”Om detta skulle bekräftas skulle vi få det överraskande resultatet att mörk materia finns i mycket större mängd än lysande materia”, skrev han i en artikel som publicerades i tidskriften Helvetica Physica Acta samma år.

Men många inom området förblev skeptiska till Zwickys resultat fram till 1970-talet, då astronomerna Kent Ford och Vera Rubin gjorde detaljerade studier av stjärnor i de yttre regionerna av granngalaxen Andromeda. Dessa stjärnor kretsade runt den galaktiska kärnan alldeles för snabbt, nästan som om något osynligt material drog gravitationellt i dem och tryckte på dem – en observation som forskarna snart lade märke till i galaxer över hela universum.

Forskarna hade ingen aning om vad denna osynliga massa bestod av. Vissa astronomer spekulerade i att den mörka materian bestod av små svarta hål eller andra kompakta objekt som avgav för lite ljus för att synas i teleskop. Resultaten blev ännu konstigare på 1990-talet, när ett rymdteleskop kallat Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) visade att denna mörka materia uppvägde den vanliga synliga materian med fem gånger så mycket som den vanliga synliga materian, enligt NASA.

Varför den mörka materian förblir ett mysterium

Teleskopundersökningar lyckades aldrig hitta tillräckligt många små kompakta objekt för att förklara detta enorma myller av material. De flesta moderna astronomer anser att mörk materia sannolikt består av subatomära partiklar med egenskaper som skiljer sig ganska mycket från de mer välkända protonerna och neutronerna.

Den regerande kandidaten för mörk materia kallas en svagt interagerande massiv partikel (Weakly Interacting Massive Particle eller WIMP). Dessa spekulativa enheter återfinns inte i partikelfysikens standardmodell, som beskriver nästan alla partiklar och krafter. WIMP:er skulle mer likna den spöklika neutrino, förutom att den skulle väga 10 till 100 gånger mer än en proton. (Neutrinos exakta massa är okänd, men de är mycket lättare än elektroner).

Likt neutriner skulle WIMPs endast interagera med två av de fyra grundläggande krafterna i universum: Gravitationen och den svaga kärnkraften, som förmedlar sönderfallet av radioaktiva atomkärnor. Dessa partiklar av mörk materia skulle vara elektriskt neutrala, vilket innebär att de inte skulle interagera med elektromagnetism, ljusets grund, och skulle därför förbli osynliga.

Fysiker har byggt enorma detektorer och placerat dem djupt under jord för att skydda dem från störande kosmisk strålning i ett försök att upptäcka WIMPs, men hittills har inget experiment avslöjat bevis för dem. Under de senaste åren har detta misslyckande lett till att vissa inom området har börjat undra om de har gett sig ut på en vild partikeljakt utan något riktigt slut.

En del forskare riktar därför uppmärksamheten mot en nyare kandidat för mörk materia som kallas axion, som skulle ha en miljondel eller till och med en miljarddel av en elektrons massa, rapporterar Proceedings of the National Academy of Science. Dessa hypotetiska partiklar är särskilt attraktiva för forskarna eftersom de också skulle kunna lösa ett annat utestående problem inom fysiken, nämligen att potentiellt interagera med neutroner för att förklara varför de kan känna magnetfält men inte elektriska fält.

I juni 2020 meddelade medlemmar av XENON1T-experimentet vid Gran Sasso National Laboratory i Italien, en detektor som ursprungligen byggdes för att försöka fånga in WIMP:er, att de hade hittat en liten men oväntad signal som skulle kunna förklaras av närvaron av axioner. Resultaten chockade forskarvärlden, men har ännu inte bekräftats av andra experiment.

Är mörk materia ens verklig?

Detta innebär att forskarna fortfarande kliar sig i huvudet över vad mörk materia egentligen är. Vissa teoretiker har undrat om det finns en hel mörk sektor av universum, med flera partiklar och till och med mörka krafter som bara påverkar mörk materia, i likhet med den subatomära komplexitet som man ser i det synliga kosmos.

Samtidigt tror en minoritet av forskarna att mörk materia är en hägring. De ansluter sig till en idé som kallas modifierad version av tröghet, eller MOND, som antar att gravitationen på stora skalor verkar annorlunda än förväntat och att detta förklarar de observerade rotationerna hos stjärnor och galaxer. Men de flesta experter är inte övertygade om att det är nödvändigt att göra ett så radikalt avsteg från den kända fysiken, vilket också skulle kräva ändringar i vår förståelse av stora delar av verkligheten.

Den mörka materian är inte, såvitt man vet, kopplad till mörk energi, ett annat mystiskt fenomen som är ansvarigt för att påskynda kosmos expansion. De två delar helt enkelt ordet ”mörk”, som ofta används som en platshållare av forskare för saker som de inte helt förstår.