Forskning
Læsetid: 8 min.

Mørkt stof er intet mindre end universets kosmiske klister. Det får stjerner og galakser til at hænge sammen

Hvad er mørkt stof og mørk energi egentlig? Det arbejder videnskabsfolk i disse år ihærdigt på at forstå – og svaret kan være en afgørende nøgle til at begribe universets form og fremtid. Det er omdrejningspunktet for dette essay af astrofysiker Anja C. Andersen
Anja C. Andersen er astronom og astrofysiker ved Niels Bohr Institutet i København.

Anja C. Andersen er astronom og astrofysiker ved Niels Bohr Institutet i København.

Sigrid Nygaard

Moderne Tider
11. december 2021

Første gang jeg hørte om mørkt stof, sad jeg i Auditorium 3 på H.C. Ørsted Institutet, der ligger på den del af Københavns Universitet, vi nu kalder Nørre Campus. Auditoriet er fra omkring 1970’erne og har et skingert orange betræk på de stole, der udgør tilhørerrækkerne. Forelæseren står nede foran de op til 150 tilhørere og har hele seks store kridttavler til sin fulde rådighed samt et langt smalt bord mellem sig selv og tilhørerne med gasudtræk, vandhane, stikkontakter med mere rundt om den centrale bordplads, der er designet til at udføre demonstrationsforsøg.

Det var i dette auditorium, at jeg for første gang blev præsenteret for ideen om, at der ud over det almindelige lysende stof, som stjernerne består af, også fandtes noget andet, mere uhåndgribeligt, der blev betegnet mørkt stof. Navnet er egentlig misvisende, da det giver mig et billede af noget, der minder om mørke, blafrende gardiner spredt ud i universet. Mens det, som observationerne tyder på, er, at der findes en usynlig komponent, der har indflydelse på, hvordan stjernerne bevæger sig rundt i galakserne, og galakserne bevæger sig rundt mellem hinanden, og som i det hele taget er helt nødvendig for at kunne forklare, at galakser findes. En slags »kosmisk klister«, der holder stjernerne sammen i galakser og galakserne sammen i galaksehobe.

Jeg må indrømme, at jeg var megaskeptisk, som jeg sad der en helt almindelig hverdag og blev præsenteret for den idé. Jeg stirrede lidt uinteresseret op i loftet og tænkte: »Når først vi får bedre observationer, vil det vise sig, at mørkt stof enten ikke findes og blot skyldes en fejlfortolkning af observationerne – eller at det udgøres af sorte huller, planeter og andre objekter, der er svære at observere, fordi de ikke lyser så meget.«

Men i dag står det klart, at jeg var helt og aldeles galt på den.

Universet udvider sig hurtigere

Når man en stjerneklar aften læner nakken tilbage og betragter himlens myriader af stjerner, kan man let blive svimmel over de helt enkle, men meget store spørgsmål, der uvilkårligt trænger sig på: Hvor stort er universet? Hvad består universet af? Hvordan udvikler universet sig?

Man kan selvfølgelig tænke: »Hvad rager det mig?« Det gør jo på sin vis ingen forskel for det enkelte menneske, hvad universet som sådan har gang i over årmilliarderne. Det gør, hvad det gør, uanset om vi forstår det eller ej. Men vi er jo netop mennesker, og hvis der er noget, vi ikke forstår, kan vi ikke lade være med at forsøge at forstå det. Vi er nysgerrige som art, og der er altid en god håndfuld iblandt os, som vil prøve at finde ud af, hvorfor tingene er, som de er. Det er denne nysgerrighed, der har drevet os til at vidensdele, undersøge, afprøve og eksperimentere, så vi nu er, hvor vi er i dag, med en forklaring på verden, der er mere detaljeret og naturvidenskabeligt forankret, end de gamle grækeres eller Tycho Brahes verdensbillede var.

Kombinationen af nye store teleskoper på jorden og i rummet, sammenholdt med en mere detaljeret teoretisk beskrivelse af rum og tid for hele universet, har ført til den overraskende erkendelse, at stjerner, planeter, gas, kosmisk støv og sorte huller kun udgør en lille del af, hvad universet består af. Eksistensen af mørkt stof og mørk energi i universet har afsløret sig ved dets påvirkning af de lysende objekter i universet. Og helt modsat hvad de fleste af os forventede, har universets udvidelse vist sig at accelerere.

Hvis jeg havde det svært med umiddelbart at acceptere eksistensen af mørkt stof, da jeg var studerende, så er det intet mod, hvordan jeg har det med mørk energi, som blev opdaget i 1998, og som får universet til at udvide sig hurtigere og hurtigere. Jeg har altid fundet det mærkeligt, at vi tilsyneladende befinder os i et ekspanderende univers, men da alle de observationer, der er foretaget, peger i den retning, så er det jo nok sådan, det er. At et univers, der starter fra et Big Bang, også udvider sig, giver en vis form for mening. Men at universet udvider sig hurtigere og hurtigere med tiden, det finder jeg virkelig mærkeligt og svært at forstå.

At veje en galakse

Det er tyngdekraften, der holder universets objekter sammen; fra vores egen klode til de største galaksehobe. Galakser består af milliarder af stjerner, der er holdt sammen af tyngdekraft i den fælles struktur, vi kalder en galakse. Mens galaksehobe, som navnet antyder, er grupper af galakser, der holdes sammen af tyngdekraften i en større samlet struktur i rummet. Selv om universet udvider sig, er tyngdekraften stærkere i forhold til stjernerne i en galakse og galakserne i en galaksehob, så de holdes sammen og tager del i universets udvidelse i »samlet flok« – dvs. at de ikke umiddelbart bliver spredt fra hinanden.

Med den forståelse vi har af tyngdekraften ud fra blandt andet de teorier, som Isaac Newton og Albert Einstein har udviklet, kan vi indirekte – på baggrund af stjernernes bevægelse i en galakse og galaksernes bevægelse i en galaksehob – bestemme, hvor meget masse de indeholder, så at sige »veje dem«. Det viser sig, at når man gør det, så mangler der en hel del masse i galakserne for at kunne forklare, hvorfor stjernerne bliver i de enkelte galakser og galakserne i deres respektive galaksehobe. Da vi kan se, at galakserne findes og har været der længe, er tanken, at der må findes en hel masse usynligt stof, der bidrager til tyngdekraften, men ikke udsender lys og ikke blokerer for lyset fra de lysende objekter. For hvis det lyste eller blokerede lyset, ville vi have opdaget det med de supergode teleskoper, vi har til rådighed. Så mørkt stof er en form for »usynlig masse«. Lige nu lader et godt bud til at være, at der er tale om en hidtil uopdaget partikel, som er skabt ved universets begyndelse. Denne idé er partikelfysikere i fuld gang med at undersøge.

 

Fem forskere fortæller

Som en del af vores serie om naturvidenskaben har vi bedt fem fremtrædende forskere fortælle om det videnskabelige spørgsmål, de ser mest frem til at få besvaret i de kommende år. Professor i astrofysik Anja C. Andersen har skrevet det femte og sidste essay i rækken.

 

Mørk energi er vi langt mere i vildrede med. Observationer tegner et billede af, at universet har en accelererende udvidelse, og at der er en slags »antityngdekraft«, som sætter skub i udvidelsen. I mangel af bedre kaldes denne ekstra bestanddel af universet altså for mørk energi. Lige nu ser det ud til, at omkring 70 procent af al energi i universet er mørk energi. Vi ved meget lidt om, hvad mørk energis natur er – måske er det en egenskab ved selve »det tomme rum«?

Universets skæbne

Man har nu i snart 85 år observeret, at der var noget usynligt stof, som man ikke vidste, hvad var. De to første indikationer kom, da den hollandske astronom Jan Oort i en artikel udgivet i 1932 beskrev, hvordan stjernerne i Mælkevejen og andre galakser bevæger sig »for hurtigt«. Kort efter observerede Fritz Zwicky, at galakserne i den nærliggende galaksehob Coma-hoben i stjernebilledet Coma Berenices også bevæger sig »for hurtigt«. Men det var først i 1970’erne, at eksistensen af mørkt stof blev mere almindeligt anerkendt i forskningskredse.

Forståelse af det mørke stof og den mørke energi er vigtig, hvis vi vil begribe universets størrelse, form og fremtid. Mængden af ​​mørkt stof og mørk energi i universet har betydning for, hvorvidt universet er åbent (fortsætter med at ekspandere), lukket (udvides til ét punkt og derefter kollapser) eller fladt (udvides og derefter stopper, når det når ligevægt). Lige nu tyder observationerne på, at universet er åbent og i en accelererende udvidelse. At den mørke energi lige nu dominerer og fremadrettet vil dominere mere og mere over det mørke stof. Man kan på sin vis se de to mørke komponenter som værende konkurrenter, hvor den ene vil »samle«, mens den anden vil »sprede«.

Den eksakte natur af de to fænomener er helt uafklaret. Men der er grund til at forvente, at når vi først begynder at forstå, hvad det er for en underliggende fysik, der er bærer af de to fænomener, så vil vi ikke blot være blevet klogere på universets skæbne, vi vil have opnået en større og helt fundamental fysisk indsigt. Hvad en sådan indsigt kan føre med sig, kan man kun gisne om.

Fremtidens spørgsmål

I dag er det så mig, der står og forelæser for de studerende i Auditorium 3, hvor de stadig sidder på orange sæder. Stoffet er godt nok blevet udskiftet, men historiens ironi ville, at orange på det tidspunkt igen var blevet en trendy farve, ligesom da auditoriet blev grundlagt.

Her fortæller jeg de studerende om de forskningsinitiativer, der er i gang for at opnå en bedre indsigt i det mørke stof og den mørke energis natur. Jeg postulerer, at 2020’erne nok bliver det mørke stofs årti, mens 2030’erne bliver den mørke energis årti. Grundlaget for min påstand er, at adskillige eksperimenter er godt i gang med at rykke grænserne for forståelsen af mørkt stof. Samtidig skal det planlagte Euclid-rumteleskop og det nye Vera Rubin Observatory (LSST) i Chile undersøge det mørke stof og den mørke energis egenskaber og bringe os et stykke nærmere en fuld, tredimensionel kortlægning af det synlige univers. Det vil også give en indsigt i universets udvikling og kombineret med andre observationer af for eksempel den kosmiske baggrundsstråling formentlig gøre det muligt at bestemme egenskaberne ved både mørkt stof og mørk energi i langt højere grad, end det er muligt i dag. Mere pessimistiske kolleger mener, at det nok nærmere vil tage 100 end ti år at opnå det – vi får se.

Mon ikke, det uanset hvad viser sig, at de svar, der kommer, vil give anledning til en hel del yderligere spørgsmål?

Anja C. Andersen er professor i astrofysik og planetforskning ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

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

Podcast

Vi fortæller naturvidenskaben forfra

Dagbladet Informations store serie om naturvidenskab læst højt.

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 af oplæste artikler ser vi året igennem på verden med videnskabens øjne for at forstå naturens komplicerede sammenhænge, og hvordan de former vores liv.

Du kan også læse artiklerne her. ’Vi fortæller naturvidenskaben forfra’ er støttet af Carlsbergfondet.

Seneste podcasts

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

Frank Wilhelmsen

TAK, MANGE TAK...
Under læsning glemte jeg alt om corona og julestress, men mindedes min skoletid, hvor jeg syntes, at jo mere jeg lærte, jo mindre vidste jeg, og jo mere kunne man sige "hvorfor" til.
Og det har egentlig ikke ændret sig siden....
Men hastigheden har, vi ved nu mere hurtigere, men så er der til gengæld også endnu hurtigere endnu mere, vi ikke ved, så det er lidt som at jage en/sin skygge...
Deja vue, universet. Uendeligheden.
Men sikke meget at finde ud af....
Klares nok hverken i årtier eller århundrede, men vil være "moving target", tror jeg...
God jul...

Frederik Nissen, Espen Bøgh, Thomas Tanghus, Jørgen Larsen, Jacob Nielsen, Lillian Larsen, Morten Wieth og Kurt Nielsen anbefalede denne kommentar
Søren Kristensen

Når vi taler om de her ting tænker jeg altid på myrer. At der blandt dem måske af og til er et par der lidt mere opvakte end de andre og som har overskud til at spekulere på hvordan det hele mon hænger sammen, altså set med en myres mindset naturligvis, for det er jo deres begrænsning af den simple grund at selv de kvikkeste myrer ligesom deres artsfæller, når alt kommer til alt, jo kun er myrer og hvad kan man ligesom forvente at en myre skal kunne forstå? Nok ikke det store univers som mennesket oplever og er i gang med at kortlægge. Så når Anja Andersen mistænker at universet måske er så meget mere og større end vi forestille os, så er jeg og har længe været tilbøjelig til at give hende ret, også hvad angår det her med at universet udvider sig accelererende for på et tidspunkt måske at de-accelerere og trække sig sammen igen, og hvem ved måske oven i købet indenfor en nydelig sinuskurve - ikonet for den stråling der nærmest symboliserer fysikken i øvrigt osv. osv. Men igen, i forhold til hvad myren egentlig er i stand til at vide om den virkelighed der omgiver den, så er vores viden om "det hele" måske i virkeligheden ikke så meget større som vi selv tror. Men alt er jo relativt, som en klog mand engang sagde og indtil videre er vi nok underlagt lidt de samme vilkår som myrerne, ved at være bundet til den art vi er og vores måde at opfatte ting på, men det kan og skal såmænd nok ændre sig med udviklingen af såkaldt kunstig intelligens. Udviklingen er allerede i gang. Så er det bare spørgsmålet om det væsen der måske engang ude i fremtiden begynder at forstå universet også kan kaldes et menneske eller om spørgsmålet er irrelevant. Det må de ligge og rode med til den tid.

Thomas Tanghus, Asiya Andersen og Jacob Nielsen anbefalede denne kommentar

Alt er ikke relativt.

Hvis alt er relativt, så skal vi have noget som alt står i relation til. Altså kan dette noget ikke være relativt, da relativt i så faldt ikke vil give mening. Det er altså en selvmodsigelse.

Reductio ad absurdum.

Hmm... -Asiya Andersen.
Fysikere vil måske hævde, at de fjerneste stjerner udgør en reference...
Men hvad mener du med, "da relativt i så fald ikke vil give mening"? Og hvorfor er det en modstrid?

Hvis alt er relativt, så må der jo være "noget" som dette "alt " står i relation til, så kan "noget" jo ikke være relativt, for så giver relativt ingen mening.

Det er derfor noget vås at sige, at alt er relativt, selv om vi bliver ved med at sige det.

Torben Skov, læs eventuelt dette, han er lidt dygtigere til at forklare, end jeg er.

https://omsigt.dk/staar-det-fast-at-alt-er-relativt/

Martin Mortensen

Asiya: Når du læser udtrykket “Alt er relativt”, hvad tror du så der menes? Hvis det er noget vås, hvad vil du så foreslå man i stedet siger?

Nu skal folks evner til at bruge sproget logisk korrekt vel ikke forhindrer os i at udveksle tanker og ideer - om end det sprogligt ikke giver mening eller at forudsætningerne for at bruge sproget ikke lever op til alt for hurtigtalende filosofer.

Asiya: Som jeg forstår dagen fysik – om jeg kan kalde det forståelse – intet ER uden i en relation = relativt til noget andet. En elektron ”er” ikke. I sig selv, for os, vi kalder det den er i superposition = kun en mulighed. Den ER først når den interagerer med noget andet. I den relation viser den sig kunne være en bølge eller en partikel. Som Shrödingers kat kan vise sig være enten død eller levende. For den interesserede, og filosofisk lagde: Carlo Rovelli, The Order of Time, og Helgoland. Prøv selv.

Martin Mortensen

Jeg anerkender blankt, at det er at være en anelse for pedantisk. Det var egentlig heller ikke for at udskamme Søren Kristensens ellers tankevækkende refleksioner. Jeg tænker samtidig, at vi til tider har godt af, at vores sprogbrug bliver udfordret lidt, så vi stopper op, og tænker over de ting vi gentager som værende sande ytringer.