Naturvidenskab
Læsetid: 8 min.

Mysteriet om mørkt stof fortæller os, hvor lidt vi egentlig ved om universet

Alle partiklerne, atomerne, molekylerne, asteroiderne, planeterne, stjernerne og galakserne udgør kun meget, meget lidt af universets indhold – cirka fem procent, mener man i dag. Resten befinder sig i mørket som mørkt stof og mørk energi, og det er to meget store mysterier
Alle partiklerne, atomerne, molekylerne, asteroiderne, planeterne, stjernerne og galakserne udgør kun meget, meget lidt af universets indhold – cirka fem procent, mener man i dag. Resten befinder sig i mørket som mørkt stof og mørk energi, og det er to meget store mysterier

Jesse Jacob

Moderne Tider
6. marts 2021

Det er med universet som med små børn. Hver gang, man tror, man har regnet den ud, så sker der noget nyt. Ikke længe efter at Einstein i begyndelsen af 1900-tallet mere eller mindre havde forklaret, hvordan universet hang sammen, dukkede nye uforklarlige fænomener op.

I 1930’erne holdt den geniale astronom og menneskelige umulius Fritz Zwicky til på det berømte Mount Wilson-observatorium i USA. Zwicky var en noget brysk type, der kunne finde på at kalde sine kolleger for ’kugleformede skiderikker’, hvilket er en ret fysikeragtig fornærmelse, da det vil sige, at de er skiderikker, uanset fra hvilken vinkel man kigger på dem.

I 1933 begyndte han at regne på en bunke observationer af den hob af galakser, der hedder Coma, og her opdagede han, at galakserne cirklede så hastigt rundt om et fælles centrum, at de burde blive slynget væk – ligesom børn, der bliver kylet af en alt for hurtig børnekarrusel. Når Zwicky lagde massen fra alle stjernerne i galakserne sammen, var der ikke stof nok – og derfor ikke tyngdekraft nok – til at holde sammen på sagerne, konstaterede han.

Sådan rejste der sig et nyt stort mysterium, som videnskabsfolk her knap 100 år senere fortsat kæmper med at løse: mysteriet om det mørke stof.

Lyder dumt, men virker smart

At noget var galt, blev yderligere klart, efter en astronom ved navn Vera Rubin efter mange års forskning tilbragte en meget varm nat i 1968 ved Kitt Peak Observatoriet i Arizona med dels at spise fire isvafler og dels observere Andromedagalaksens omdrejningshastighed, hvor hun opdagede et lignende fænomen i en enkelt galakse – og altså ikke bare mellem galaksehobene.

Med den hastighed, Andromedas stjerner fes rundt med, burde de yderste stjerner blive slynget af karrusellen. Så også på dette niveau var noget mystisk på spil. Ganske berømt sagde hun senere, at i en spiralgalakse var forholdet mellem almindeligt stof og mørkt stof cirka en til ti, »hvilket svarer til forholdet mellem vores viden og uvidenhed«.

Siden de første opdagelser har selve betydningen af ordene ’mørkt stof’ ændret sig fra at beskrive almindeligt stof, som ikke lyste – som planeter og asteroider og sorte huller, der kunne gemme sig rundt omkring – til i dag at være betegnelsen for en helt anden og uforståelig type stof, som man anslår, der er cirka fem gange så meget af end det stof, vi kender og elsker og selv består af.

 

Det mørke stof kan tilsyneladende kun måles i kraft af sin tyngdekraft, for vi kan ikke se det. Lyset, stjernerne og galakserne passerer frit igennem. Og selv om det lyder langt ude, afhjælper den forklaring flere grundlæggende problemer. For eksempel hvorfor vi overhovedet har galakser.

Allerede nogle hundredtusinder år efter big bang begyndte universets stof nemlig at klumpe sig sammen, kan man se i den såkaldte kosmiske baggrundsstråling. Og det burde være umuligt på det tidlige tidspunkt.

Medmindre der var en masse mørkt stof, som ignorerede varmen og trykket i det unge univers og kun interesserede sig for tyngdekraft, og derfor klumpede sig sammen før noget andet.

Man mener i dag, at det mørke stof dannede universets første store strukturer, som galakserne og galaksehobene siden kunne flytte ind i. Et udbredt billede er, at det mørke stof ligger som store usynlige kugler, som galakserne bor i.

Hvor gode ideer går hen og dør

Vi ved ikke, hvad det består af, og mange gode forslag er gået til grunde i mødet med mørket. I mange år var en udbredt teori faktisk, at det mørke stof slet ikke fandtes, men at det skyldtes, at Newtons og Einsteins teorier om tyngdekraften var utilstrækkelige. Det er dog ikke lykkedes at komme op med en bedre teori, og ideens tilslutning er blegnet. Det samme er ideen om, at det mørke stof blot er en masse almindeligt stof – eksempelvis i form af godt gemte små sorte huller.

De fleste forskere abonnerer i dag på, at mørkt stof er en eller anden form for ukendt partikel – eller måske flere forskellige partikler. Dermed kombineres forskningen i universets allermindste byggesten – partiklerne – med forskningen i de allerstørste strukturer – galakserne og galaksehobene.

Ingen definitiv forklaring findes endnu, og jagten på det mørke stof har ført til en hel skibskirkegård af forliste ideer. Det kan lyde sørgeligt, men er også fedt nok. For ved at undersøge, efterprøve og til sidst afvise hypoteser indsnævrer forskerne det felt, hvor de skal lede. Vi kan altså lune os ved at tænke på, at i videnskabens verden er fiasko også et slags fremskridt.

Mørk energi splitter alting ad

Hvis du synes, at mørkt stof var underligt, så glæd dig til at møde mørk energi om lidt. Men først: Forestil dig, at du kaster en bold op i luften. Først flyver den opad, og så falder den ned. Jordens tyngdekraft bremser den stigende bold og får den til at vende om. Forestil dig nu, at du kaster så ekstremt hårdt, at tyngdekraften ikke kan nå at standse bolden, før den er undsluppet Jordens atmosfære. Er der kraft nok på, kan den fortsætte gennem universet for evigt uden at blive komplet bremset ned.

I mange år troede man, at universets skæbne var ligesom boldens. Enten ville tyngdekraften fra alle galakserne langsomt bremse universets udvidelse, få det til at standse og til sidst trække sig sammen. Eller der ville være tilstrækkeligt med skub i det, til at universet trods tyngdekraftens modtræk ville fortsætte udvidelsen langsommere og langsommere i al evighed.

Begge forklaringer virkede mulige, men da man endeligt fandt en måde at undersøge det på, viste der sig en helt tredje vej. Forestil dig nu, at du kaster en bold lige op i luften, og i stedet for at tabe hastighed på sin himmelfart, så begynder bolden pludselig at accelerere. Selv om det lyder umuligt, flyver den altså hurtigere og hurtigere og hurtigere, og det er sådan, universet opfører sig.

Årsagen til dette dybt mærkelige fænomen tilskrives noget, forskerne kalder mørk energi, som de heller ikke ved, hvad er. Det står dog klart, at der skal bruges absurde mænger energi for at skubbe universets stof væk fra hinanden, og derfor anslår man, at den mørke energi udgør knap 70 procent af universets samlede budget af energi og masse. Ligesom med mørkt stof kan man ikke se det, men man kan se dets effekt, og måden, man opdagede det på, er ret fed.

En chokerende opdagelse

Universet er en tidsmaskine. Da lyset bruger en del tid på at rejse over rummets enorme afstande, så er det faktisk gammelt lys, vi ser her på jorden. Hvis vi studerer en galakse, der ligger fire milliarder lysår væk, så ser vi et fire milliarder år gammelt billede af den.

Det er enormt smart, når man vil regne på, hvordan universets udvidelseshastighed har ændret sig gennem tiden. Afstanden i tid og rum bestemmer man ved at studere en særlig slags supernovaer, der altid eksploderer med samme kraftige lysglimt, og fra slutningen af 1980’erne og op gennem 1990’erne samlede to forskerteams en hel perlekæde af eksploderende stjerner, der strakte sig gennem milliarder af år bagud gennem tiden og rummet.

Ved at sammenligne deres hastighed, kunne de observere det komplet uforudsete og intuitivt forrykte faktum, at universet udvidede sig hurtigere og hurtigere, som tiden skred frem. Det stod klart i 1998, og det rystede den astronomiske verden.

Sjovt nok havde Einstein helt uforvarende foregrebet situationen – dog med et andet sigte. For dengang han udviklede sin generelle relativitetsteori, troede han ligesom de fleste, at universet var statisk – altså hverken udvidede sig eller trak sig sammen. For at sikre sådan en stabil tilstand, måtte der være noget, som modvirkede tyngdekraften. Til det formål opfandt Einstein noget, han kaldte den kosmologiske konstant, som blev indsat i ligningerne for at skabe ligevægt.

Da Edwin Hubble nogle år senere fandt ud af, at universet udvidede sig, så pillede Einstein ligeså nænsomt den kosmologiske konstant ud af ligningerne igen og kaldte det sit livs største bommert. Men nu er den altså blevet puttet tilbage og er en forudsætning for, at nogle af de mest udbredte modeller for universets udvikling hænger sammen.

Nu bliver det underligt

Når du har energi uden masse, er det normalt en form for stråling. Mikrobølger, lys, gammastråling, you name it. Men det er mørk energi ikke. Det er noget andet. Og det opfører sig anderledes. Den mørke energi trives i det tomme rum, og modsat alt andet, bliver den ikke fortyndet af den voksende tomhed.

Forestil dig en kasse fyldt med tæt røg. Gør man kassen dobbelt så stor, bliver røgen lidt tyndere og mere gennemsigtig. Gør du kassen tilstrækkelig stor, kan du til sidst hverken se eller lugte røgen, fordi den er blevet helt fortyndet. Sådan fungerer tingene normalt, men det er mørk energi ligeglad med.

Den beholder sin tæthed altid. Så når der kommer dobbelt så meget rum, er den mørke energi stadig lige tæt. Det er en fed egenskab i et univers, der udvider sig, for når alt andet bliver fortyndet af udvidelsen, ender mørk energi en dag som den dominerende kraft. Det tidspunkt regner man med indtraf for cirka fire milliarder år siden, for her kan man observere, at universet begyndte at udvide sig hurtigere og hurtigere.

Vi ved altså ikke, hvad mørk energi er, men kvantemekanikken rummer måske en del af svaret. I kvantemekanikken findes noget, der hedder vakuumenergi, som heller ikke fortyndes, når rummet udvides. Problemet er bare, at den mørke energis tæthed er helt anderledes, end vakuumenergiens, så dybest set fatter vi stadig ikke, hvad der sker.

Over for en dyb afgrund af uvidenhed vælger enkelte at trække det kort, som hedder ’det antropiske princip’. Det siger, at universet bare er, som det er, for hvis det var anderledes, ville vi mennesker ikke kunne eksistere og derfor ikke observere det.

Det lyder noget selvcentreret, men bygger på en idé om, at der måske er milliarder af universer, som opfører sig helt forskelligt, men lige præcis i vores, er de enkelte tandhjul slebet så præcist, så tyngdekraft, kernefusion, mørk energi, og hvad der ellers er derude, i sidste ende har skabt en situation, hvor livet kunne opstå og alting betragtes.

Var tætheden i den mørke energi blot lidt anderledes, ville struktur eller liv nok ikke kunne opstå. Det er lidt ligesom billedet, hvor en flok aber tamper løs på en flok skrivemaskiner i uendelig lang tid, hvilket på et eller andet tidspunkt fører til, at de skriver Shakespeares samlede værker. ­Her står vi så og må blot konstatere, at universets største opdagelse stadig venter derude.

Kilder: Steen H. Hansen, astronom, Københavns Universitet. Mads Toudal Frandsen, partikelfysiker, Syddansk Universitet. Skriftlige kilder: Dan Hooper & Gianfranco Bertone: ’A History of Dark Matter’, Vera C. Rubin: ’An Interesting Voyage’, Anja C. Andersen: ’En lille bog om universet’.

Serie

Vi fortæller naturvidenskaben forfra

Naturvidenskaben er en nøgle til at forstå vor tids største udfordringer, fra corona- til klimakrisen, og dens historie er fyldt med fortællinger om usandsynlige gennembrud, vilde fejlskud og store erkendelser.

I denne serie ser vi året igennem på verden med videnskabens øjne for at forstå naturens komplicerede sammenhænge, og hvordan de former vores liv.

Hele serien findes også som oplæste artikler – du kan høre dem ved at klikke på afspilleren inde i selve artiklen.

Serien er støttet af Carlsbergfondet.

Seneste artikler

Følg disse emner på mail

Vores abonnenter kalder os kritisk, seriøs og troværdig.
Få ubegrænset adgang med et digitalt abonnement.
Prøv en måned gratis.

Prøv nu

Er du abonnent? Log ind her

Søren Ferling

Forbilledlig klar og sammenhængende fremstilling synes jeg.

Torben Bruhn Andersen, Eva Schwanenflügel, Anders Graae, Torben K L Jensen, Ervin Lazar, Morten Balling og Hans Ditlev Nissen anbefalede denne kommentar
Morten Balling

Apropos aber med skrivemaskiner:Jeg hørte en forklaring på, hvad der kan have udløst Big Bang.

Om mange mange år vil de sidste stjerner i Universet løbe tør for brændstof. Tilbage vil være hvide dværge, neutronstjerner og sorte huller. Om endnu længere tid vil alt dette materiale samles i sorte huller, og om rigtigt meget længere tid vil disse sorte huller være fordampet (fordi Hawking radiation). Universet vil have nået en form for termisk ækvilibrium, hvor der ikke længere er noget som har en højere temperatur end andet, hvor fysisk arbejde ikke længere er muligt og entropien vil være "uendeligt" høj.

Dette Univers vil være så statisk at nogen taler om at tiden "går i stå". Der vil dog stadig foregå kvantefluktuationer i det vakuum der vil eksistere til den tid. Disse fluktuationer vil som nu skabe bittesmå mængder af materiale, i form af stof og antistof, som med det samme vil udradere hinanden. Nogle gange vil mere materiale dannes pga. sandsynlighed.

En viiirkelig sjælden gang kan der dannes så meget materiale at det vil udløse et Big Bang og et nyt Univers, lidt ligesom kvantemekanikken viser at med tålmodighed så kan man vade gennem en væg. Sandsynligheden for at det sker er næsten uendelig lille, men den er ikke nul. Derfor vil det statiske døde Univers forblive sådan i fantasiliarder af googolplex' af år, men så en "dag" så falder alle brikkerne pludeslig på plads og simsalabim: Big Bang igen. Det "smarte" er at der ikke er nogen tilbage til at kede sig imens vi venter. Der kan være gået tilsvarende lang tid før vores Univers blev dannet.

Jeg ved ikke om dette er andet end en vild hypotese, men den giver til dels mening, burde hypotetisk være mulig og har nogle ret mindblowing konsekvenser. Bla. at Big Bangs er et ret sjældent fænomen. Det gør også at man kunne forestille sig denne proces gentage sig i uendelighed, og at Universet på den måde kan være uendeligt gammelt. Og, tada... Hypotesen åbner måske op for at tale om tid før Big Bang ;)

Torben Bruhn Andersen, Erik Karlsen, Eva Schwanenflügel, Søren Ferling, Christian Mondrup og Niels Jakobs anbefalede denne kommentar
Jeppe Lindholm

Den dag vi mennesker finder sandheden bag mørk stof og energi og det viser sig at være endnu mere energiladet end kernekraften vil det helt sikkert blive anvendt til at lave bomber, som får atombomber til at blegne - Så hvem kommer først? 10 gram mørk stof/energi er nok til at jævne et helt kontinent med jorden.

Og erstat så aberne med en supercomputer, som kan kombinere alfabetet i alle tænkelige varianter og tilkobbel så en algoritme, som kan sortere alt vrøvl fra. Så...

Niels Erlinger

Når man læser disse mindst ringe spalter, får man hurtigt det indtryk, at alle skelsættende begivenheder tilskrives europæisk eller vestlig indflydelse. I hvert fald siden Korstogene.

Andre mener, at også Syndfloden og Istiderne skyldes vestlig indflydelse. J

eg har selv også en teori om, at Dinosaurernes udryddelse og Big Bang, utvivlsomt også hører til i denne kategori af europæisk og vestlig indblanding.

Personificeret ved en hvid midaldrende CIA-agent, betalt af den jødiske lobby.

Og det må være det, man mener med mørk energi: Sorte penge!!

Under inflationen efter Big Bang (afkølingen) krystaliserede universet sig i masse og rum og kraft og tid.

Einsteins E = mcc er rimelig velverificeret
Energi = masse × lysets hastighed i anden potens
Energi = masse × meter² / sekund²

Universel masse = kg / den lokale tyngde acceleration = kg / (meter / sekund²) = kg × sekund² / meter

Indsat i E = mcc:
Energi = kg × sekund² / meter × meter² / sekund² = kg × meter = masse × rum

Energi er kraft × tid = W × sekund (joule)
Ws = masse × rum

1. kraft = masse × rum / tid
2. tid = masse × rum / kraft
3. masse = kraft × tid / rum
4. rum = kraft × tid / masse

Rum og masse er omvendt proportionale og kraft og tid er omvendt proportionale i vores post inflatoriske univers.

På samme måde som massen ikke er jævnt fordelt lokalt i rummet, er rummet koncentreret omkring massen. Der er flere 'steder' jo tættere man befinder sig på massen. En tæthed som aftager med kvadratet på afstanden fra massen. Kvantemekanisk er sandsynligheden for at æblet nærmer sig jordkloden, når stilken rådner større, fordi der er lidt flere 'steder' under æblet end over.

Vi ser den samme effekt i galakserne. De yderste objekter bevæger sig tilsyneladende for hurtigt i forhold til det forventede, men det skyldes at der er længere mellem 'stederne' jo længere fra galaksens centrum, objektet befinder sig. Man kan sige rummet krummer (koncentreres) omkring massen.

jan henrik wegener

Uden at gøre mig alt for klog på journalistik forstår at fagets udøvere lærer at muligheden for kritik er central.
Den må dog være vanskelig at opretholde når det gælder megen forskning, hvor journalisten vel sjældent har de dybere forudsætninger for andet end at acceptere hvad forskerne siger?
Jeg skal bestemt heller ikke give indtryk af at kunne se det andet end fra en "almindelig" læsers synsvinkel, dog tilføje at jeg nærmest netop angående disse emner næsten kan sige at have fået den kritiske vinkel med hjemmefra.
Finder det "fascinerende" hvor sikker man kan være på eksistensen af stof, kræfter med mere som man med egne ord ikke aner hvad er.

Søren Ferling

"Finder det "fascinerende" hvor sikker man kan være på eksistensen af stof, kræfter med mere som man med egne ord ikke aner hvad er."

Naturfaglig viden har man altid med en underforstået overskrift, der siger: 'Såvidt vi indtil videre har forstået'.

'Man' er ikke i tvivl om at en fuld forståelse af det foreliggende ligger længere ude mod horisonten, end man kan se nu.

Ole Svendsen, Eva Schwanenflügel, Ole Henriksen og Morten Balling anbefalede denne kommentar
Morten Balling

@Søren Ferling

Ja, som jeg tidligere har nævnt, så er stort set alle fysikere også metafysikere. På et personligt plan er det ok at undres og stille spørgsmål. Det er der nødt til at være nogle som gør.

Ellers havner vi der hvor vi var for ca. 100 år siden, hvor det ikke kunne betale sig at studere fysik, fordi alting var opdaget. Lidt ligesom med standardmodellen i dag. Så dukkede Einstein, Schrödinger, Heisenberg, Bohr, Cantor, Gödel et al op, og så var der pludselig noget nyt at forstå.

Man fornemmer at der er et eller andet "bag tæppet" af den virkelighed vi lever i, som vi endnu ikke kan se eller forstår. Kvantefluktuationer i vakuum, ekstra dimensioner, Dark Whatever. Det er den måde hvorpå videnskab skal og bør fungere. Vi skal ikke så mange år tilbage i historien, før vi ikke havde nogen god forståelse af termodynamik, og den er dybest set ligeså "mystisk" som kvantemekanik.

Personligt synes jeg man undervurderer videnskabsfilosofi og til dels metafysik i naturvidenskaben. Det er svært at arbejde med fysik eller kosmologi uden at de store spørgsmål dukker op. Hvem er jeg, hvad laver jeg her, hvorfor er jeg her, og hvad sker der?

Ole Svendsen, Estermarie Mandelquist, Torben Bruhn Andersen, Flemming Berger, Erik Karlsen, Eva Schwanenflügel og Ole Henriksen anbefalede denne kommentar

Dengang universet blev koldt nok til at atomkernerne og elektronerne kunne fiksere hinanden i atomer, opstod nyt rum mellem kernen og elektronskyen. Denne proces nødvendiggjorde mere nyt rum mellem de mange nye atomer og initierede den udvidelse af universet, som vi stadig konstaterer i dag. Masse og rum er i en vis forstand to udtryk for den samme ting og er universelt tæt forbundne.

3. masse = kraft × tid / rum
4. rum = kraft × tid / masse

Hvis massen er konstant og rummet reduceres, forøges energien (kraft x tid) omvendt proportionalt, og hvis kraften forøges på vej ind i det sorte hul, vil tiden gå mere og mere i stå, betragtet på afstand. Lokalt vil kraften indenfor begivenhedshororisonten gå mod nul og derved trækkes såvel massen som rummet ud af universet igen og genskaber situationen før big bang for en lille smule masse og en lille smule rum.