Mørk materie har hukommelse

80 prosent av universet består av såkalt mørk materie som forskerne ikke vet hva er. Danske kosmologer avslører en unik egenskap ved mørk materie som viser at den er noe helt for seg selv.

Publisert
De danske kosmologene har blant annet studert galaksehop Abell 2218, som inneholder myriader av galakser. Studien avslørte en overraskende egenskap ved mørk materie. (Foto: HST)
De danske kosmologene har blant annet studert galaksehop Abell 2218, som inneholder myriader av galakser. Studien avslørte en overraskende egenskap ved mørk materie. (Foto: HST)

Tar temperaturen på mørk materie

Fenomenet de danske kosmologene helt konkret har studert i galaksehopene, er den såkalte temperatur-anisotropien.

Hvis man forestiller seg at man lager en kasse i utkanten av en galaksehop, så kan man måle at partikler inne i «kassen» har samme temperatur uansett om man måler fra høyre, fra venstre eller forfra.

Rommer kassen derimot partikler av mørk materie, så er det ifølge forskernes ligninger mulig at den mørke materiens temperatur er forskjellig alt avhengig av hvilken side man måler fra.

Temperaturforskjellen har altså vært en teoretisk mulighet, men det er første gang kosmologene nå har lykkes med å observere den direkte.

Studier viser at temperaturen i den mørke materien alltid er størst langs den banen som går fra sentrum av galaksehopen og ut gjennom «kassen», og det viser at partiklene kan huske hvor galaksehopens sentrum ligger.

Derfor må de være kollisjonsløse.
 

Galaksehoper studert med satellitter

De danske kosmologene har via to røntgenobservatorier, XMM-Newton og Chandra, som går bane rundt jorden, studert i alt 16 galaksehoper, som typisk rommer store ansamlinger av mørk materie.

Kosmologene har nøye valgt ut disse galaksehopene fordi de er i harmoni og likevekt. Denne tilstanden forenkler de fysiske ligningene og gjør dem betydelig lettere å regne på.

Hadde de valgt galakser som ikke hadde vært i likevekt, så ville ligningene være blitt uhyggelig kompliserte.

Visste du

De fleste vanlige partikkelkandidatene har vært utelukket en god stund fordi vi har sett at mørk materie ikke sender ut eller tar opp lys.
 

Visste du

Kosmologenes nye målinger bekrefter modellene de har for strukturen av mørk materie i galaksehoper.
 

Det utgjør 80 prosent av den samlede massen i universet og er usynlig for det blotte øyet. Hva er det?

Astronomene vet fremdeles ikke og kaller det derfor konsekvent for «mørk materie».

Men nå har danske kosmologer gjennom omfattende studier av i alt 16 galaksehoper avslørt en helt unik egenskap ved det mørke stoffet, som en gang for alle slår fast at det er noe helt for seg selv. Det kan ikke bestå av vanlige, velkjente partikler.

Oppdagelsen er nettopp offentliggjort i tidsskriftet The Astrophysical Journal.

− Som de første i verden har vi målt en bestemt egenskap ved mørk materie som viser at den oppfører seg fundamentalt annerledes enn vanlig materie. Det viser at mørk materie må bestå av en hittil ukjent type partikler, sier ph.d.-student i kosmologi Ole Høst.

Han hører til ved Dark Cosmology Centre ved Niels Bohr-instituttet, Københavns Universitet. Sammen med sin veileder Steen H. Hansen fra det samme forskningssenteret har han vært en av drivkreftene i undersøkelsen.

Hukommelsen er intakt

En galaksehop består av myriader av galakser som beveger seg rundt samme sentrum. Alle partiklene i hopen vil følge en slik rotasjon og flytte seg til den andre siden av galaksehopens sentrum i løpet av omkring 100 millioner år.

Vanlige partikler er karakterisert av at de støter inn i hverandre hvis avstanden mellom dem blir tilstrekkelig liten. Sammenstøtene slår de enkelte partiklene ut av kurs, slik at de ikke lengre kan «huske» hvor de kommer fra og hvor de var på vei hen.

Informasjonen som de enkelte partiklene bærer om sin fortid, blir så å si slettet fra partikkelens «hukommelse».

Men kosmologenes studier av galaksehopene viser at denne oppførselen ikke gjelder for mørk materie. Tvert imot er den mørke materien tilsynelatende det man kaller for kollisjonsløs, det vil si at partiklene ikke støter inn i hverandre.

De danske kosmologene har nådd konklusjonen ved bl.a. å studere galaksehopene A2218 og RXJ 1347 (bildet) med røntgenteleskop, som gjør at man kan se den varmestrålende gassen. (Foto: Steen H. Hansen)
De danske kosmologene har nådd konklusjonen ved bl.a. å studere galaksehopene A2218 og RXJ 1347 (bildet) med røntgenteleskop, som gjør at man kan se den varmestrålende gassen. (Foto: Steen H. Hansen)

Kosmologene har lenge hatt en mistanke om dette, og derfor har de laget datasimuleringer av hvordan partikler med denne egenskapen vil oppføre seg i gravitasjonsfeltet fra en galaksehop.

Deretter har de sammenlignet simuleringene med observasjoner av hvordan den mørke materien faktisk fordeler seg i galaksehopene.

Sammenligningen viste med all tydelighet at den mørke materiens partikler ikke støter sammen, men beveger seg helt uavhengig av hverandre.

− Den mørke materiens partikler ser ut til å følge den samme banen rundt i galaksen som den hele tiden har gjort og enser ikke andre partiklene, forteller Steen H. Hansen.

- Møter de andre partikler på sin vei, så suser de rett gjennom dem. Partiklene i det mørke stoffet støter altså ikke inn i hverandre. De fortsetter å «huske» hva som er opp og ned og hvor galaksehopens sentrum ligger, forteller Hansen og gir seg deretter i kast med å visualisere poenget:

Gi plass til det nye

- Forestill deg at du spiller billiard og skyter en kule mot en annen kule som ligger midt på billiardbordet, sier han.

Sjansen for å treffe den andre kula er ganske stor, selv om du kanskje ikke er verdens beste billiardspiller. Men sannsynligheten for å treffe kula faller markant hvis begge kulene er mikroskopisk små.

Jo mindre kulene er, jo mer sannsynlig er det at du ikke treffer og til slutt er sjansen for å treffe stort sett lik null.

Partiklene i mørk materie oppfører seg nettopp som mikroskopiske billiardkuler. Vanlig partikler er derimot langt større og har derfor også lettere for å treffe andre partikler i nærheten.

Etter 100.000 år vil vanlige partikler derfor ha kollidert så mange ganger at de har glemt sin opprinnelige bane. Partikler i mørk materie kolliderer derimot ikke, selv om det er gått flere milliarder år.

Den mørke materien oppfører seg altså annerledes enn vanlig materie, og derfor må det også bestå av en annen type partikler.

− Vanlige partikler oppfører seg ordentlig i forhold til det man forventer ut fra de ligningene vi har. Men det gjør ikke de partiklene som utgjør den mørke materien.

- De har en helt annen atferd, og derfor må vi utvide de eksisterende partikkelteoriene slik at det blir plass til de nye partiklene, sier han.

Den nye oppdagelsen forteller altså noe nytt om hva mørk materie er − eller rettere sagt, hva det ikke er.

Forskernes store problem har hittil vært at de har hatt et hav av mulige partikkelkandidater å velge imellom, men ikke tilstrekkelig kunnskap om mørk materie til å kunne velge blant dem.

De 16 galaksehopene er blant annet studert med røntgenobservatoriet Chandra. (Foto: NASA)
De 16 galaksehopene er blant annet studert med røntgenobservatoriet Chandra. (Foto: NASA)

Men nå har kosmologene slått grundig fast at partiklene i mørk materie ikke «snakker» med andre partikler, og det gjør sorteringsarbeidet betydelig lettere. Nå kan de en gang for alle fjerne samtlige av de partikkelkandidatene som utgjør vanlig materie.

Utelukker skyggeverden

Teoretisk sett ville det være en mulighet for at det mørke stoffet besto av en hittil ukjent partikkel som stort sett oppfører seg som vanlige partikler.

Partiklene i mørk materie kunne for eksempel ha vært en del av en skyggeverden, det såkalte «mirror matter», som reagerer som vanlige partikler, bare med masser og vekselvirkninger som er en faktor 1−100 ganger annerledes.

Men siden de danske kosmologene nå har vist at den mørke materien virkelig oppfører seg annerledes enn vanlige partikler, kan de utelukke denne muligheten sammen med mange andre.

− I virkeligheten er målingen vår betryggende, for de fleste observasjonene har indikert at den mørke materien oppfører seg som «kollisjonløs kald mørk materie» og vi har nå bekreftet ved en faktisk måling at den mørke materien faktisk er kollisjonsløs, sier Hansen.

Han legger ikke skjul på at de beste kandidatene til den mørke materien nå er det forskerne kaller en «steril nøytrino» eller en spesiell type «supersymmetrisk partikkel».

Ingen av disse partiklene er funnet enda. Men i Hansens forskergruppe leter kosmologene akkurat nå etter signaler fra en steril nøytrino, og ved den store partikkelakseleratoren i Cern, LHC, innleder fysikerne jakten på supersymmetriske partikler til høsten.

− Hvis partikkelfysikerne på Cern finner de supersymmetriske partiklene, er det svært stor sannsynlighet for at det er disse partiklene som utgjør den mørke materien, avslutter Steen H. Hansen.

Lenker

Kontaktopplysninger for Steen H. Hansen og Ole Høst

Vitenskapelig artikkel utgitt i Astrophysical Journal, bind 690, 358-366 (2009) («Measurement of the Dark Matter Velocity Anisotropy in Galaxy Clusters»)

Artikkelen «Jagten på det mørke stof» fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab

______________________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.