Forskere har «veid» galaksen vår. Det viser seg at alle stjernene, planetene og gassene som svirrer rundt bare utgjør 5 til 10 prosent av Melkeveiens totale vekt.

Resten vet vi ikke hva er. Dette ukjente noe kalles mørk materie. Og det er ikke bare vår galakse som ser ut til å være tyngre enn den burde. Overalt ser forskere at galakser har sterkere tyngdekraft enn de har synlig masse.

Det ukjente stoffet ser ut til å danne et nett igjennom hele universet. Ett nett der galakser befinner seg som insekter i spindelvev.

Men finnes det virkelig et usynlig stoff der ute? Eller er det noe feil med lovene om gravitasjon? Et tredje alternativ er at mørk materie er massevis av himmellegemer som har forblitt uoppdaget.

Fant to galakser uten mørk materie i fjor

Mørk materie regnes for å være viktig for dannelsen av galakser. Tanken er at bobler av stoffet først trekker til seg gass, som samler seg og blir til stjerner.

Det vakte derfor oppsikt da blant annet Pieter van Dokkum ved Yale University i fjor kunne rapportere om funnet av den første galaksen som ser ut til å mangle mørk materie nærmest fullstendig.

Galaksen med det anonyme navnet NGC 1052-DF2, er en såkalt ultra-diffus-galakse. Slike galakser kan være like brede som Melkeveien, men de har veldig få stjerner. Noen av dem er funnet å bestå omtrent bare av mørk materie, hele 99,99 prosent.

Så har vi raringer som NGC 1052-DF2, og broren NGC 1052-DF4 som ser ut til å være uten det mørke stoffet.

Nå presenterer forskere fra Kina oppdagelsen av hele 19 andre dverggalakser som også er dominert av vanlig materie.

- Dette resultatet er veldig vanskelig å forklare ved å bruke den vanlige modellen for galakse-formasjon, sier professor Qi Guo, en av forfatterne bak studien, i en pressemelding.

Han sier at resultatene «oppfordrer til å se på mørk materies natur».

19 galakser skilte seg ut

Forskerne studerte 324 dverggalakser ved å bruke data fra blant annet radioteleskopet Arecibo i Puerto Rico.

De beregnet massen til galaksene og sammenlignet det med hvor mye synlig materie, stjerner og gass som galaksene består av.

To av galaksene ser ut til å ikke ha mørk materie i det hele tatt. I 17 andre er mengden mellom nesten ingenting og opp til like mye som vanlig materie.

Dette rimer ikke med det som er forventet. I andre galakser er det mørk materie som klart utgjør størsteparten av massen.

Videre har dverggalakser typisk enda høyere andel mørk materie enn større galakser, sier Guo til Science News.

Ingen god forklaring

Hvordan kan dette ha seg?

En mulighet er at det er noe feil med målingene. Det vil trolig komme nye studier som forsøker å bekrefte eller avkrefte funnene. Også forskerne skriver at flere studier en nødvendig.

En annen mulighet er at andre galakser har stjålet den mørke materien fra dverggalaksene. Men 14 av dem ligger temmelig isolert og langt fra andre kilder til tyngdekraft. Forskerne har ingen god forklaring på hvorfor disse galaksene er annerledes.

Å veie en galakse

Men hvordan vet egentlig forskere hvor mye masse det er i en galakse? Å veie en galakse er ikke lett.

For å finne ut hvor mye masse det er innenfor solens bane rundt Melkeveiens sentrum, kan man bruke informasjon om solens fart og avstand fra sentrum for å finne massen innenfor.

På litt samme måte kan forskere beregne massen av en fjern galakse ved å vite rotasjonshastigheten og utbredelsen.

Forskere ser på doppler-effekten for å finne hastigheten, forklarer Torsten Bringmann.

Han er professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo og har mørk materie som hovedfelt.

- Lyset fra galaksen blir litt blåere hvis galaksen rører seg mot oss og rødere om den beveger seg bort fra oss. Det kalles for blå- eller rødforskyvning. Det er noe man også kan bruke for å måle hvor fort stjerner i galaksen beveger seg, sier Bringmann til forskning.no.

Fjerne objekter beveger seg raskere enn de burde

Ut ifra det forskere vet om tyngdekraften så skulle stjerner i utkanten av galakser bevege seg tregere enn de som ligger lenger inn. Men det er ikke tilfellet.

Utenfor galaksenes lysende disk, så finnes det ting som går i bane enda lenger ut, slik som gamle stjernehoper, gasskyer eller mindre satelittgalakser.

Disse fjerne objektene fyker rundt i en rasende fart, og de burde egentlig spunnet ut av banene sine. Det må bety at det finnes en hel del masse som brer seg langt utenfor de ytterste stjernene og som står for mesteparten av vekten av en galakse.

Det ser ut til at galakser er innhyllet i en slags mørk sky av usynlig materie.

I den nye studien har forskere brukt rotasjonen til hydrogengass i galaksen, og fant at hastigheten i enkelte galakser faktisk i liten grad er påvirket av mørk materie.

Endrer ikke forståelsen

- Studien viser at det er fortsatt er mye vi ikke forstår med tanke på hvordan galakser dannes, sier Torsten Bringmann.

- Det er tydeligvis mer variasjon enn det man skulle tenke seg, og det mangler en forklaring på hvorfor disse galaksene finnes.

Samtidig minner han om at 19 galakser er temmelig få sammenlignet med de rundt 100 000 000 000 galaksene som vi vet eksisterer.

- Det er definitivt ikke slik at dette resultatet endrer noe fundamentalt i vår forståelse av hvordan strukturer typisk har blitt dannet i universet: først begynner bare mørk materie å slå seg sammen, så følger vanlig materie etter og danner stjernene som vi kan se, sier Bringmann.

Modifisert gravitasjon?

Man skulle kanskje tenke seg at galakser som mangler mørk materie styrker teorier om at det er noe galt med forståelsen av gravitasjon.

Det er nemlig slik at ved å gjøre noen endringer på gravitasjonsloven, så kan man forklare den høye hastigheten til ytre objekter i galaksene, og mye annet. Her er hovedideen at gravitasjon kan fungere annerledes på så enorme skalaer som i en hel galakse.

Men en slik idé får endel fysikere til å rynke på nesa. Teoriene er skapt for å forklare et bestemt fenomen, og det holder ikke, de må kunne forklare alle observasjoner. Så langt kan ikke noen teori forklare alt, uten å måtte gjeninnføre mørke partikler.

Bringmann sier det er viktig og riktig å undersøke mulige modifikasjoner av tyngdekraften. Men han mener at resultatene i den nye studien heller styrker teorien om at vanlig og mørk materie er to forskjellige ting, og at de eksisterer uavhengig av hverandre.

- Hvis det vi kaller mørk materie egentlig handler om at vår forståelse av tyngdekraften er feil, da må det være feil overalt. Men, dersom mørk materie faktisk er et slags stoff, som nye partikler, da er det mye enklere å tenke seg at det finnes mekanismer som har skilt den mørke materien og vanlig materie. Selv om vi ikke vet akkurat hvordan det skjedde i disse galaksene.

Sterke argumenter i universets historie og struktur

Men hva med den tredje muligheten. Kan det som kalles mørk materie være vanlige atomer som skjuler seg i mørket?

Støv og gass er foreslått. Det er også brune dverger, «stjerner» som aldri ble tent.

Torsten Bringmann sier at slikt materiale trolig utgjør noe av den manglende massen. Men langt fra alt.

- Da vil man få problemer med andre observasjoner slik som elementfordelingen i universet, som hvor mye vanlig hydrogen og helium som finnes. Det forstår vi veldig bra, og hvis det plutselig skal være to ganger så mye vanlig materiale så vil ikke det stemme.

Ut fra forståelsen av hvordan universet ble til har forskerne en god idé om hvor mye materie som finnes. De kan også kartlegge mengden gass rundt omkring i universet ved å se på stråling den avgir.

Det er mye som tyder på at mørk materie er noen slags partikler som har masse men som ellers ikke interagerer med vanlig, såkalt baryonisk materie.

De sterkeste argumentene for dette i dag er ikke rotasjonshastigheten til galakser, sier Bringmann.

De sterkeste argumentene gir seg til syne når man ser på hele universets struktur og historie: I galaksehoper, superhoper, og i den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen.

Men enda har ingen sett snurten av slike ukjente partikler, og det har ikke stått på innsatsen.

Hva mørk materie er for noe forblir inntil videre et av universets mysterium.

Referanse:

Qi Guo, m.fl: «Further evidence for a population of dark-matter-deficient dwarf galaxies». Nature astronomy, 25 november 2019. Sammendrag.

Les også:

Fremdeles ingen spor etter mørk materie: Hvor går veien videre?

Kart over mørk materie

Skjult skyggeunivers – midt blant oss