Forskere leter etter mørk materie i ligningene sine, i eksperimenter og ved å observere strukturen i universet. (Illustrasjon: GiroScience / Shutterstock / NTB scanpi)
Forskere leter etter mørk materie i ligningene sine, i eksperimenter og ved å observere strukturen i universet. (Illustrasjon: GiroScience / Shutterstock / NTB scanpi)

Ny teori: Forsker mener mørk materie kan ha blitt til i øyeblikket etter Big Bang

Forskerne presenterer en ny modell der mørk materie oppstår i de brøkdelene av et sekund som kalles inflasjonen under Big Bang.

Publisert

Forskere har målt at hele 80 prosent av massen i universet må bestå av noe ukjent. Dette ukjente kalles mørk materie. Hva er det og hvordan oppsto det?

I en ny forskningsartikkel i tidsskriftet Physical Review Letters, presenterer forskeren Tommi Tenkanen en ny modell for hvordan mørk materie kan ha blitt til og hvor forskere kan lete.

Han viser gjennom matematiske beregninger at mørk materie i teorien kan ha blitt skapt under den kosmiske inflasjonen, øyeblikket rett etter Big Bang da universet utvidet seg i en voldsom fart.

Da var universet 0, 0000000000000000000000000000000001 (34 desimaler) sekunder gammelt og, doblet sin størrelse minst 90 ganger. Etter inflasjonen fortsatte universet å ekspandere, men ikke fullt så raskt og senere kjølnet det, og materie ble dannet.

I løpet av det første kvarteret ble hydrogen- og heliumatomkjerner dannet, og da universet var cirka 400 000 år gammelt, ble elektroner fanget inn av atomkjernene og dannet atomer.

Det som skjedde ett sekund etter universet oppstod, har forskere god peiling på. Men det som kom før, grubler fysikere fremdeles over.

«Eldre» enn Big Bang?

Inflasjonen kan ha ledet til dannelsen av spesielle partikler som kalles skalarer. Bare en slik skalar er kjent: Higgs-bosonet.

– Vi vet ikke hva mørk materie er, men om det har noe med skalarpartikler å gjøre, så kan det være eldre enn Big Bang, sier Tenkanen i en pressemelding fra universitetet.

Han er forsker ved amerikanske Johns Hopkins University.

Når Tenkanen her bruker betegnelsen «eldre enn Big Bang» så er det et spørsmål om hvordan man definerer det store smellet.

– Forfatteren snakker her om Big Bang som perioden etter inflasjonen. Det er nok en del som vil være enig med han når det gjelder begrepsbruk, andre vil si at inflasjonen også er en del av Big Bang, sier professor ved Universitetet i Oslo og fysiker, Are Raklev, til forskning.no.

Ny tanke

– Dersom mørk materie virkelig er en rest etter Big Bang, så burde forskere ha funnet det i eksperimenter allerede, sier Tenkanen.

Han mener det kan ha blitt dannet under inflasjonen, og har utarbeidet matematikk som kan støtte dette.

– Den nye studien viser at forskere har oversett det enkleste matematiske scenarioet for opprinnelsen, sier han.

Are Raklev har kikket på den nye artikkelen.

– Tanken hans om produksjonen i inflasjon er så vidt jeg vet ny, sier Raklev.

– Han bruker en ganske enkel modell av mørk materie og argumenterer for at det er et forhold mellom det klassiske teorien og de kvantemekaniske effektene som til sammen klarer å skape mørk materie, det er jo interessant.

Få å få det til bruker han såkalte skalarfelt.

– Her finnes det mange dårlige vitser. En kjent kosmolog pleide i mange år å holde foredrag om kosmologi. Han snakket om hvordan man skulle løse de store spørsmålene som mørk energi, inflasjon og mørk materie med forskjellige modeller som brukte skalarfelt. Etter han hadde snakket om dette så viste han en slide med tittel «Alle de kjente elementære skalarfeltene». Det var en hvit side.

– Du kan ikke ta den vitsen lenger, fordi vi har funnet et elementært skalarfelt, Higgs. Men det han prøver å si er at vi bruker disse skalarfeltene mest fordi de er enkle å regne med. Men problemet er bare at partikkelfysikere har et annet forhold til skalarfelt, fordi vi tenker ikke på dem som felt men som partikler. Vi synes det er masse problemer med skalarfelt.

Hva en partikkel egentlig er er nemlig ikke så lett for fysikerne å definere.

Mulig å teste ved å observere universet

Det vil være mulig å teste om Tenkanens idé stemmer overens med observasjoner av hvordan mørk materie er fordelt rundt i universet.

– Selv om denne typen mørk materie er for unnvikende til å bli funnet i partikkeleksperimenter, kan den avsløre sin tilstedeværelse i astronomiske observasjoner. Vi vil snart lære mer om opprinnelsen til mørk materie når Euclid-satellitten blir skutt opp i 2022. Det kommer til å bli veldig spennende å se hva den vil avsløre om mørk materie, og om funnene kan brukes til å kikke inn i tiden før Big Bang.

Raklev sier at strukturformen i det tidlige universet sier noe om hvordan materien har klumpet seg sammen.

– Det er noe vi kan studere i dag. Den klumpinga er årsaken til at vi finnes. For å få stjerner så må du ha områder i universet som er litt tettere enn de andre slik at de trekker seg sammen under gravitasjonen, forklarer Raklev.

– Fordi vi antar at det meste av universet er mørk materie, så må mesteparten av klumpinga være klumping av mørk materie, fortsetter han.

Her er det interessant å se på dannelsen av galakser, men også hvordan galaksene er fordelt på stor skala. Hvordan de danner galaksehoper.

Det skalarfeltet med den tilhørende partikkelen som Tenkanen foreslår, er nemlig veldig vanskelig å detektere på noen som helst måte.

– Det er den store terroren med mørk materie, at det bare har gravitasjonelle interaksjoner med resten av universet. For da vil det nesten være umulig å finne det, vi vil bare se avtrykket.

– Så dere partikkelforskere håper det er noe annet?

– Ja, vi håper på noe litt annet.

Referanse:

Tommi Tenkanen: "Dark Matter from Scalar Field Fluctuations". Physical Review Letters, 7. august 2019. Sammendrag.