På en chattegruppe, under fjorårets pandemivinter, sitter en gjeng fysikere og tøver fra hvert sitt hjemmekontor.

De taster løst om virus og smittetall i eksponentiell vekst.

Det er da de får en festlig ide: Kanskje en slags smitte og eksponentiell vekst er forklaringa på et av universets største mysterier: Mørk materie?

Snart har de utviklet en tulleteori – Pandemic Dark Matter – som de legger ut som aprilspøk på fysikkforumet arXiv.

Men midt i tullet vokser det fram en gryende erkjennelse. Kan de faktisk være inne på noe?

Svaret på det spørsmålet ble publisert i novembernummeret av det vitenskapelige tidsskriftet Physical Review Letters: Aprilspøken var blitt til en ordentlig vitenskapelig artikkel som nå vekker oppsikt verden over.

– Dette er en helt ny ide til hvordan vi kan forklare mengden mørk materie i universet. Den er så enkel at vi ble overrasket over at ingen har kommet på den før, sier Torsten Bringmann, professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo, en av forskerne bak hypotesen.

Stoffet ingen har sett

For å begynne fra begynnelsen:

Mørk materie er et stoff som ingen har sett. Men fysikerne er likevel temmelig sikre på at det eksisterer. I enorme mengder.

• Les også: Skjult skyggeunivers – midt blant oss

Den synlige materien i verden – altså stoffet vi finner i stjerner, planeter, støvskyer og sorte hull – er nemlig ikke nok.

Da forskerne begynte å måle mengden materie i galaksene, og farten stjernehopene spinner rundt med, ble det klart at det var noe som ikke stemte. Galaksene spinner for fort i forhold til hvor tunge de er.

Tyngdekrafta fra alt stoffet i en galakse trekker i stjernene og holder dem på plass så de ikke slenges utover. Men det er altfor lite synlig stoff i galaksene til å holde på stjernene.

Så når stjernene likevel sitter på plass, må det rett og slett være mye mer stoff der. Stoff som ikke synes, men som har masse.

Dette teoretiske stoffet fikk navnet mørk materie.

WIMP?

I løpet av de siste tiårene er det gjort en rekke observasjoner på mye større skala som tyder på at mørk materie er en realitet. Vi har ikke sett stoffet direkte, men observert virkningen det har på den vanlige materien i stjerner og galakser.

Observasjonene har faktisk gjort det mulig å måle den totale mengden av mørk materie i universet med stor nøyaktig. Dette har vist at mørk materie utgjør over 80 prosent av stoffet i universet.

Men hva kan denne mystiske mørke materien bestå av? Og når og hvordan oppstod den?

Det mangler ikke på hypoteser. Den heiteste hittil sier at mørk materie består av en spesiell type partikkel, kalt en WIMP. Egenskapene til disse teoretiske partiklene kan forklare hvorfor verden har nøyaktig så mye mørk materie som vi faktisk har observert.

WIMPene har tyngde, men vekselvirker lite med vanlig materie. Det betyr at slike partikler stort sett bare suser igjennom oss, jorda og sola, uten at vi merker det.

Det skal derimot være mulig å finne sikre spor av den i partikkelakseleratoren ved CERN og andre svært spesialiserte eksperimenter.

Svakere en WIMP?

Så langt har jakten på mørk materie imidlertid vært uten resultater. Forskerne har ikke sett snurten av en eneste WIMP.

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

Nå spøker det for hele WIMP-hypotesen. Men hva kan mørk materie da være?

En mulighet er at den består av partikler som vekselvirker enda svakere med vanlig materie enn vi hadde trodd. Det ville forklare hvorfor vi ikke har funnet dem ved CERN eller i andre eksperimenter.

Men ideen strander på et annet problem: Med en slik partikkel kan ikke vanlige mekanismer i universet forklare hvorfor det ble så innmari mye mørk materie.

Det er her Bringmann og pandemien kommer inn.

Eksponentiell vekst

– Vi tenkte: Kanskje den vekselvirker svakere, men på en spesiell måte slik at den kan omdanne vanlig materie til mørk materie, forteller Bringmann.

Hypotesen er faktisk ganske enkel:

Når en mørk materie-partikkel treffer en partikkel av vanlig materie, omdannes materiepartikkelen til to nye partikler av mørk materie. Og hvis også disse partiklene treffer materiepartikler, har vi plutselig fire partikler av mørk materie.

Akkurat som i en pandemi, hvor den første syke smitter to nye, som igjen smitter to nye. Og slik fortsetter det.

I neste ledd er det åtte, så 16 og neste gang 32. Det er dette som kalles eksponentiell vekst. Den går rett til himmels. Etter ganske få ledd er du oppe i millioner og milliarder.

Bringmann og kollegaene har beregnet at akkurat en slik vekst kan forklare hvordan det ble så utrolig mye mørk materie i universet.

Men det neste spørsmålet er så klart: Hvorfor er det ikke BARE mørk materie i verdensrommet?

Tett i universets begynnelse

Det handler om tetthet og ekspansjon, forklarer Bringmann.

Da verden var nyfødt, var universet svært lite. Alt stoffet i verden var klemt sammen i en ekstremt tett, supervarm suppe av partikler.

Under slike forhold var det svært sannsynlig at en partikkel av mørk materie skulle krasje inn i en materiepartikkel.

Mørk materie vekselvirker jo i utgangspunktet veldig lite med vanlig materie, og partiklene vil stort sett bare suse rett forbi hverandre. Men når stoffet er pakket så tett sammen, er de nesten nødt til å treffe hverandre likevel.

Slik startet altså den eksponentielle veksten av mørk materie, argumenterer Bringmann.

Og hadde ingenting forandret seg, ville all materien i universet ganske snart vært omdannet til mørk materie.

Men, heldigvis for oss, var det jo noe som forandret seg.

– Universet utvidet seg, sier Bringmann.

Forvandlet på et blunk

I sekundene og minuttene etter at verden startet i det store smellet, vokste universet i vanvittig fart. Det betyr at det raskt ble kaldere og mindre tett. Stoffet fikk mer plass.

Under slike forholde ville det bli vanskeligere for partikler av mørk materie å treffe vanlig materie. Prosessen med å omdanne materie til mørk materie ville sakket ned og til slutt stoppet.

Det er dette forskerne tror kan ha skjedd. Nærmest på et blunk.

– I løpet av det første minuttet universet eksisterte, kanskje innen de første sekundene, var mesteparten av stoffet omdannet til mørk materie, sier Bringmann.

Da denne vanvittige forvandlingen så brått stoppet opp, var fordelingen blitt slik som vi kjenner den: Omtrent 20 prosent vanlig materie og resten mørk materie.

Men har prosessen virkelig stoppet helt? Eller kan man tenke seg at det fortsatt dannes mørk materie i universet?

Kanskje et og annet treff

– Universet er en ganske tom plass, antallet partikler per kubikkmeter er svært lite, så det er veldig lite sannsynlig at partikler av mørk materie treffer materiepartikler, sier Bringmann.

Men hva med inne i jorda eller ei stjerne? Der må det vel være tett nok til at slike treff kan skje?

Ja da, det er ikke umulig, sier Bringmann.

Hvis det virkelig stemmer at mørk materie kan forvandle vanlig stoff til mørk materie, så kan det godt hende at det skjer nå og da, på steder der det finnes mye materie. Kanskje en mørk materie-partikkel treffer en vanlig partikkel midt inne i jorda akkurat nå og forvandler den til mørk materie.

Men der stopper det også.

Sannsynligheten for at de nye partiklene av mørk materie selv skal treffe materie, er forsvinnende liten.

– Fascinerende

Den nye forklaringsmodellen kan altså gi svar på hvordan verden ble full av mørk materie.

Men stemmer den virkelig eller er den bare en gøyal tanke?

Andre fysikere tar den i hvert fall på alvor.

– Dette er en fascinerende ny mekanisme for hvordan mørk materie kan ha blitt produsert i det tidlige universet, skriver Jörn Kersten i en epost til forskning.no.

Kersten er professor i teoretisk partikkelfysikk ved Universitetet i Bergen. Han har selv jobbet mye med mørk materie, man har ikke vært involvert i utviklingen av den nye ideen.

– Jeg tenker at dette også viser hvor mye vi fortsatt har igjen å utforske når det gjelder mørk materie. Lenge kjente vi bare til noen få mulige produksjonsmekanismer, men i de siste fem årene har teoretikere oppdaget mange nye alternativer. Så det er mye bevegelse i feltet, skriver Kersten.

Foreløpig er det ingen som har sikre svar.

Vi vet rett og slett ikke den pandemi-inspirerte modellen til Bringmann er riktig. Men det er god grunn til å tro at vitenskapen snart vil finne de første spede svarene på det spørsmålet.

Den nye modellen kan nemlig testes.

Teori og eksperimenter

Kersten mener saken bør angripe fra flere kanter.

– Teoretikere bør utvikle konkrete modeller for hvordan den foreslåtte mekanismen skal virke. Dette innebærer å spesifisere de nye partiklene og hvordan de vekselvirker, skriver han.

Samtidig må forskere sette opp eksperimenter for å lete etter de nye partiklene.

– Det gjelder selvfølgelig selve mørk materie-partikkelen. Men den nye mekanismen trenger i tillegg én eller flere andre nye partikler, som kan være lettere å oppdage. Kanskje med utstyr som Large Hadron Collider ved CERN.

Bringmann, på sin side, tror ikke selve mørk materie-partikkelen vil dukke opp ved CERN.

– Nei, jeg tror dessverre ikke vi kan finne den der. En slik partikkel vekselvirker så svakt at vi bare vil kunne oppdage den med hele universet som laboratorium, sier han.

Heldigvis har vi faktisk hele universet som laboratorium.

Ved å gjøre observasjoner av fenomenene der ute kan vi finne tegn som kan støtte den nye hypotesen, eller trekke den i tvil.

Kan lete etter tegn allerede nå

– Neste steg nå er å tenke ut konkrete modeller og scenarier, og avgjøre hvilke observasjoner bør vi finne hvis hypotesen vår er riktig, sier Bringmann.

– Vi bør for eksempel kunne se tegn i den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Dette kan vi lete etter allerede nå.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er en type stråling som ble skapt svært tidlig i universets historie, og som finnes rundt oss fortsatt. Denne bakgrunnsstrålingen inneholder mye informasjon om hva som skjedde helt i begynnelsen.

Andre muligheter er å gjøre observasjoner av ekstremt tette objekter i verdensrommet, som nøytronstjerner.

Kanskje er tettheten i slike stjerner stor nok til at det skjer en betydelig omdanning av materie til mørk materie? I så fall vil de kunne oppføre seg annerledes enn vi ville forventet av en nøytronstjerne hvor en slik prosess ikke skjer.

Eller – som en svimlende tanke – kan det tenkes at et objekt der ute blir tett nok til at det starter en skikkelig kjedereaksjon med eksponentiell omdanning av materie til mørk materie? Vil da hele objektet kunne omdannes fra vanlig stoff til mørk materie og dermed forsvinner på et blunk?

– Vil være et enormt framskritt

Nøyaktige målinger av egenskapene til bakgrunnsstrålingen og tette objekter som nøytronstjerner vil etter hvert kunne gi hint om hypotesen stemmer.

Skulle den vise seg å gjøre det, vil det ha stor betydning for vitenskapen, tror Kersten.

– Identiteten til mørk materie er en av de største uløste mysteriene i fysikken, skriver han.

Det handler om to helt fundamentale spørsmål: Hva er universet lagd av? Og hvordan ble universet slik det er i dag?

– Det å kunne svare på disse spørsmålene ville være et enormt framskritt i vår forståelse av verden, skriver Kersten.

Bringmann har håp om at det ikke vil ta så lang tid før han får de første tegnene på om nye modellen kan stemme. Han forteller at det vil komme nye og bedre observasjoner av relevante fenomener i universet i de neste årene.

– Kanskje har vi noen tegn innen fem år, sier han.

Men trolig må vi vente betydelig lenger før vi har et sikkert svar.

– Ideen om WIMPer ble for eksempel født på 80-tallet. Det er gått noen tiår med intens jobbing for å undersøke den. Det er mulig vi snakker om samme tidshorisont for å teste denne ideen, sier Bringmann.

Dermed er det grunn til å tro at de neste tiårene vil bli en spennende epoke for både ham og alle andre som interesserer seg for de dypeste spørsmålene om universets opprinnelse.

Og hvem vet.

Kanskje vil hypotesen om eksponentiell vekst av mørk materie til slutt overleve pandemien som var med på å skape den.

Referanse:

T. Bringmann, P. F. Depta, M. Hufnagel, J. T. Ruderman & K. Schmidt-Hober, Dark Matter from Exponential Growth, Physical Review Letters, november 2021. Sammendrag.