Har du någonsin tittat upp på natthimlen och funderat på vad universum består av?

Med våra egna ögon kan vi se stjärnor, månen, planeter och ibland Vintergatan som ett band över himlen. Teleskop hjälper oss att se ännu längre ut i rymden, till avlägsna stjärnor och galaxer. Men det vi ser är faktiskt bara en liten del av vad som egentligen finns där ute. Forskare har nämligen upptäckt att den absolut största delen av universums består av mörk materia och mörk energi.

Det universum vi inte kan se

Alla stjärnor, planeter, gas och stoft som vi kan se i rymden består av vanlig materia – samma slags atomer som bygger upp dig, mig och allt omkring oss på jorden. Det här är den materian som du kan läsa om i kapitel 1.

När forskare räknar ihop all den vanliga materian, visar det sig att den bara utgör ungefär 5% av universum. Resten består av två mystiska ingredienser:

Mörk materia – utgör cirka 27% av universum

Mörk energi – utgör cirka 68% av universum

Trots att den mörka materian och den mörka energin dominerar universum kan vi varken se dem eller mäta dem direkt och vi vet inte vad de består av. De utgör därmed två av vetenskapens största mysterier!

Universums osynliga massa

I det här kapitlet får du lära dig om mörk materia, hur vi kan veta att den finns, och hur vi kan skaffa oss mer kunskap om den.

Bevis för mörk materia

Ingen har sett mörk materia direkt, men forskare har sett hur den påverkar den synliga delen av universum. Här berättar vi om några bevis för att den mörka materians förekomst.

Snurrande galaxer

På 1970-talet undersökte forskaren Vera Rubin hur stjärnor rör sig i spiralgalaxer. Hon upptäckte något märkligt: stjärnor långt ut från galaxens centrum rör sig snabbare än de borde.

När man tittar på en spiralgalax med teleskop ser man stjärnor, gas och stoft som bildar en platt skiva med spiralformade armar som snurrar runt ett tätare centrum. Man kan räkna ut hur fort stjärnorna i spiralgalaxernas armar borde röra sig. Ju längre ut från centrum man kommer, desto mindre synlig materia finns det innanför stjärnans bana. Då borde gravitationen bli svagare och stjärnorna borde snurra långsammare, ungefär som planeterna i vårt solsystem: Merkurius, som är nära solen, rör sig snabbt, medan Neptunus, som är långt bort, rör sig långsamt.

När Vera Rubin mätte hur stjärnor faktiskt rör sig i spiralgalaxer, såg hon att stjärnorna långt ute i galaxens ytterkanter, där det knappt finns några stjärnor eller någon gas, rör sig lika snabbt som de som är närmare mitten. Den enda förklaringen är att det finns en extra, osynlig massa i galaxen som påverkar stjärnorna med gravitationen. Den här massan lyser inte, reflekterar inte ljus och skickar inte ut någon strålning vi kan upptäcka med vanliga teleskop. Det är denna osynliga massa som har fått namnet mörk materia.

Den mörka materian finns runt omkring och mellan stjärnorna och håller galaxerna samman. Man tror att varje galax är omgiven av en mörk materia-halo, som är mycket större än själva galaxen.

Galaxhopar

Redan på 1930-talet tittade forskare på galaxhopar och såg samma sak. De mätte galaxernas rörelser inuti hopen och insåg att de rör sig mycket snabbare än de borde göra om man bara tar hänsyn till den synliga massan från stjärnor och gas. Galaxerna rör sig så snabbt att de borde slitas loss från hopen och flyga iväg i rymden. Men det gör de inte – de hålls kvar av en osynlig massa. Den extra massan är mörk materia, som genom sin gravitation håller ihop galaxhoparna.

Gravitationslinser

Ett annat sätt att se spår av mörk materia i galaxhopar är genom gravitationslinsning. När ljus passerar en stor massa böjs dess bana av gravitationen, precis som i en optisk lins (du kan läsa mer om optiska linser i "Speglar och linser"). Detta kallas för en gravitationslins. När ljuset från väldigt avlägsna galaxer passerar en galaxhop med mycket mörk materia böjs det, och vi ser förvrängda bilder av galaxerna om vi studerar dem med teleskop. Genom att mäta hur ljuset böjs går det att räkna ut hur mycket mörk materia som finns i galaxhopen som ljuset har passerat.

Nu har du lärt dig att det finns flera bevis för den mörka materians förekomst. Vi kan också uppskatta hur stor mängd mörk materia det finns i universum. Men vad består den då av? Forskare har idag inget säkert svar på den frågan. Det vi vet är:

• Mörk materia består inte av vanliga atomer, eller av någon av de partiklar som finns i partikelfysikens standardmodell.

• Mörk materia påverkas inte av elektromagnetisk strålning, och reflekterar, absorberar eller sänder därför inte ut ljus.

• Mörk materia interagerar med vanlig materia via gravitationen.

• Forskare har flera idéer, eller teorier, som kan förklara hur den mörka materian är uppbyggd. Här kommer vi att beskriva några av de mest sannolika alternativen.

WIMPs

Den enklaste förklaringen skulle vara att mörk materia består av en ny typ av partikel, likt de partiklar som beskrivs av partikelfysikens standardmodell. Forskare talar om WIMPs, som står för Weakly Interacting Massive Particles – svagt växelverkande massiva partiklar. De är tunga partiklar som knappt interagerar med vanlig materia, förutom genom gravitation och den svaga kärnkraften. Teorin är att de skapades i stora mängder vid Big Bang och fortfarande svävar runt i universum. De skulle kunna passera rakt genom jorden och våra kroppar utan att vi märker något.

Axioner

En axion är en annan sorts hypotetisk partikel som forskare också tror skulle kunna förklara mörk materia. Axioner är extremt lätta (mycket lättare än elektronen) och kan omvandlas till fotoner (det vill säga ljuspartiklar) i starka magnetfält. Därför använder forskare avancerade experiment med starka magneter för att försöka hitta spår av axioner.

Sterila neutriner

I kapitlet om standarmodellen får du lära dig om elektronens mycket lätta kusin – neutrinon. Den ingår i partikelfysikens standardmodell, och skapas vid radioaktivt sönderfall av atomer. Vanliga neutriner kan inte utgöra den mörka materian, men så-kallade sterila neutriner skulle kunna göra det. Sterila neutriner är en sorts neutriner som inte interagerar med vanlig materia genom den svaga kärnkraften, utan bara via gravitation. Vanliga neutriner är redan extremt svårfångade, men sterila neutriner skulle vara ännu svårare att upptäcka. De skulle kunna bidra till mörk materia om de fanns i tillräckligt stora mängder i universum.

Forskare använder flera olika metoder för att försöka hitta mörk materia.  Ofta krävs stora och avancerade experiment.

Underjordiska detektorer

Eftersom mörk materia utgör en stor del av universums massa, så måste jorden hela tiden röra sig genom ett hav av mörka materie-partiklar. Som vi såg i kapitlet om atomen är det väldigt mycket tomrum mellan partiklarna som bygger upp universum. Trots det borde det ibland hända att en mörk materie-partikel krockar med en atomkärna eller elektron i jorden. För att hitta mörk materia bygger forskare därför speciella detektorer med hoppet att en mörk materie-partikel någon gång ska krocka med en atom just där. Detektorerna byggs djupt nere i gruvor eller berg, långt bort från störande strålning från rymden. Om en krock sker ger detektorn ifrån sig en liten ljusblixt eller en pytteliten vibration som går att mäta. Ju större detektor, desto större är chansen att upptäcka mörk materia. Ett av de största experimenten idag heter XENONnT och ligger 1400 meter under ett berg i Gran Sasso i Italien.

Partikelkrockar

En annan metod är att försöka skapa mörk materia i ett laboratorium på jorden, och sedan detektera den. För att kunna göra detta krävs stora acceleratorer, där partiklar, som elektroner eller protoner, accelereras till nästan ljusets hastighet och sedan krockas med varandra. Energin i kollisionerna blir så hög att man återskapar den täthet och värme som fanns strax efter Big Bang. Hoppet är att mörk materia då ska skapas i tillräckligt stor mängd för att kunna detekteras. Världens största partikelaccelerator idag heter LHC (Large Hadron Collider) och ligger inuti en 27 km lång cirkulär tunnel på gränsen mellan Schweiz och Frankrike.

Rymdteleskop

Istället för att leta direkt efter mörk materia, kan man söka efter de spår som den lämnar efter sig i rymden. När två mörka materiepartiklar krockar med varandra tror man att de kan omvandlas till vanlig, synlig materia, som i sin tur kan skicka ut elektromagnetisk strålning. Forskare använder stora teleskop, placerade både på jorden, och ute i rymden, för att söka efter sådan strålning.

James Webb teleskopet i bilden är ett teleskop som mäter infraröd strålning. Teleskopet skickades upp på juldagen 2021 från Franska Guyana. Spegeln i teleskopet har en diameter på 6,5 meter och består av 18 sexkantiga delar.

Universums osynliga kraft

I det här kapitlet får du lära dig om den mörka energin, hur vi vet att den finns, och varför den utgör ett av vetenskapens största mysterier.

Bevis för mörk energi

I början på 1900-talet upptäckte astronomer att galaxer rör sig bort från oss, och ju längre bort en galax är, desto snabbare verkar det som att den flyttar sig. Detta ledde till slutsatsen att universum expanderar. Man kan tänka sig universum som en jäsande deg med russin i: när degen sväller blir avstånden mellan russinen större. Russinen själva flyttar inte aktivt, men de glider ändå isär när degen växer. På samma sätt flyttar inte galaxerna av sig själva – det är rymden mellan dem som växer. Till en början trodde man att gravitationen mellan alla himlakroppar så småningom skulle bromsa expansionen. Kanske skulle universum en dag till och med börja krympa igen? Men verkligheten har visat sig vara mycket märkligare.

På 1990-talet undersökte forskare hur universums expansion har förändrats genom historien. Till hjälp använde de supernovor – enorma stjärnexplosioner som under några veckor kan lysa starkare än hela galaxen de finns i. Det går att räkna ut hur starkt en supernova lyser, och genom att jämföra med ljusstyrkan som vi observerar från jorden, kan vi bestämma avståndet till supernovan. Supernovor fungerar alltså som måttstockar för att mäta avstånd i universum. Mätningarna visade något oväntat: istället för att bromsas in av gravitationen, som forskarna hade trott, så går universums expansion snabbare och snabbare. Man säger att universums expansion accelererar. Denna acceleration kan bara förklaras av en ny, okänd, form av energi som motverkar gravitationen - mörk energi.

Forskning om mörk energi

Det finns tydliga bevis för att den mörka energin existerar, och att den dessutom utgör mer än två tredjedelar av universum. Ändå vet ingen vad den består av. Det man vet är att mörk energi verkar fungera som en slags antigravitation. Istället för att dra ihop saker, trycker den isär dem. Den finns överallt i universum, även i den tomma rymden mellan galaxerna.

Att studera något som inte syns är en stor utmaning, men forskare har utvecklat flera metoder för att försöka förstå mörk energi. Förutom att fortsätta mäta avstånd med supernovor för att bättre förstå accelerationen av universums expansion så tittar astronomer även på den kosmiska bakgrundsstrålningen för att förstå mörk energi. Den kosmiska bakgrundsstrålningen är det äldsta ljuset i universum, och har färdats mot oss från en tid när universum var tätt och varmt. Bakgrundsstrålningen kan därför användas för att förstå hur universum såg ut i början, strax efter Big Bang. Genom att kartlägga miljontals galaxer kan forskare se hur strukturer i universum har vuxit fram, och på så sätt räkna ut hur stark den mörka energins effekt är.

Varför är mörk materia och mörk energi viktigt?

Trots att vi inte kan se mörk materia och mörk energi, vet vi att de finns. Det påminner oss om att vetenskap inte bara handlar om vad vi vet – utan också om allt vi ännu inte har förstått. Att förstå den mörka materian och den mörka energin kommer att hjälpa oss att förstå hur universum fungerar. Det kan ge oss ledtrådar om hur universum såg ut från början och hur det kommer att utvecklas i framtiden. Att studera mörk materia och mörk energi hjälper oss alltså att tänja på gränserna för vad vi vet – och öppnar dörren till nya upptäckter.