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

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.