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

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’.