Artikkel

Usynlig univers

Spiralalaksen M74
Spiralgalaksen M74. Spiralarmene i galaksen er tydelige, og i midten av galaksen kan vi se den lysende klumpen der stjernene ligger ekstra tett sammen. M74 ligger omtrent 32 millioner lysår unna oss, i retning av stjernebildet Fiskene. Bilde: NASA, ESA.

Usynlig univers

Det meste av universet er usynlig.

Se opp mot himmelen en mørk vinterkveld. Lyset du ser, stråler ned til deg fra fjerne stjerner og galakser. Det har reist gjennom verdensrommet i mange og lange år før det når frem til oss her på jorden.

Lyset bærer med seg informasjon om hvor det kommer fra, for eksempel hvilke grunnstoffer som finnes i stjernene det ble sendt ut fra, og hvor langt unna de er. Men lyset kan mer. Det kan fortelle oss om det vi ikke kan se, om det som ikke skinner. Velkommen til det usynlige universet.

Stjerneklart

Stjerneklart: omslag
Denne artikkelen er hentet fra boken Stjerneklart, utgitt på Spartacus forlag høsten 2015 i samarbeid med MN-fakultetet.

Det meste er usynlig

Alt det vi ser rundt oss, hver dag og hver natt, er laget av materie: kroppen vår, smarttelefoner, skyskrapere, eiketrær, solen, månen og stjernene på nattehimmelen. Materie er bygget opp av partikler som har det som fysikere kaller masse. Alt som har masse, trekker på andre ting som har masse. Det er dette som er tyngdekraften.

Jeg og iPhonen min tiltrekker hverandre altså rent fysisk, selv om jeg dessverre ikke kan skylde på tyngdekraften hvis hånden min dras mot telefonen altfor mange ganger i løpet av en dag. Tyngdekreftene mellom hverdagslige objekter er altfor svake til at jeg kan merke dem ved at telefonen på uforklarlig vis skulle sprette opp i hånden min. Hvis telefonen derimot skulle dette i gulvet med et brak, da merker jeg at jordkloden trekker på den. Hardt.

Ute i universet finnes det en usynlig tilstedeværelse, som også trekker på ting som har masse. Astronomene kaller den mørk materie, og det finnes mye av den. Uten tyngdekreftene fra den mørke materien ville ikke universet ha sett ut som det gjør. Galakser og galaksehoper ville ikke en gang ha eksistert.

Vi legger ikke merke til den mørke materien i vårt vanlige liv på kontoret eller i sofaen hjemme, men astronomene merker dens nærvær overalt i universet. Det finnes faktisk mye mer av den mørke materien enn det finnes lysende materie som vi kan se.

Flere måter å være usynlig på

Hva innebærer det å være usynlig? Lys er elektromagnetiske bølger som sendes ut fra stjerner, galakser, kvasarer, supernovarester, gasskyer og andre eksotiske, skinnende ting i universet. Ting som vi kan se, sender enten ut lys på egen hånd eller reflekterer lys fra et annet sted.

Slik som bølger på havet kan de elektromagnetiske bølgene ha svært forskjellig avstand fra bølgetopp til bølgetopp. Lysbølgenes bølgelengde kan variere fra de minste krusninger, på mindre enn en milliarddels centimeter, til svære dønninger som breier seg over flere kilometer. Et lite område av disse bølgelengdene, det som kalles synlig lys, kan oppfattes av øynene våre. Synlig lys, med alle regnbuens farger, har omtrent like lang bølgelengde som en bakterie.

Tegning av brun dverg
Brun dverg. Nesten en stjerne. Tegning av R. Hurt/NASA - R. Hurt/NASA

Stråling vi ikke kan se

En måte å være usynlig på er å sende ut stråling som vi ikke kan se med øynene våre. Mange ting i verdensrommet sender ut lys med andre lengder på bølgene sine enn det synlige lyset. Ved hjelp av apparater og teleskoper, enten på bakken eller oppe i bane rundt jordkloden, kan vi registrere disse typene stråling også.

Galaksehoper er samlinger av mellom 50 og 1000 galakser, som holdes samlet av de innbyrdes tyngdekreftene som finnes mellom galaksene i hopen. Hver enkelt galakse kan inneholde hundrevis av millioner stjerner. Mellom galaksene i en slik hop finnes det store mengder med tynn gass. Siden denne gassen er svært varm, omkring 100 millioner grader, sender den ut røntgenstråling, som har mye kortere bølgelengde enn synlig lys. Hvis vi ikke hadde instrumenter som kunne registrere røntgenstråling, ville denne gassen ha vært usynlig for oss.

Lys som er veldig svakt

En annen måte å være usynlig på er å sende ut lys som er veldig svakt og dermed vanskelig å oppdage. Stjerner stråler og skinner gjennom sitt livsløp, men så slukner de og dør. Planeter rundt andre stjerner lyser på grunn av det reflekterte lyset fra stjernen de kretser rundt, men denne moderstjernen lyser selv så voldsomt mye sterkere slik at planetlyset drukner når vi ser mot dem.

Brune dverger er wannabe-stjerner: objekter som nesten, men ikke helt, ble til stjerner. De er akkurat ikke tunge nok til å begynne fusjonsprosessene i sitt indre som ville fått dem til å skinne. De brune dvergene stråler riktignok ut noe varmestråling, men jo kjøligere de er, jo mindre varmestråling sender de ut, og jo vanskeligere er de å oppdage.

Heldigvis finnes det måter å beregne hvor mye det kan være i universet av ting som lyser for svakt til å bli oppdaget. Det viser seg at det ikke finnes på langt nær tilstrekkelige mengder med ting i universet som lyser svakt, til at det skal klare å gjøre alt det vi registrerer at den mørke materien gjør.

Fullstendig usynlig

En tredje måte å være usynlig på er å ikke ville ha noe med lys å gjøre i det hele tatt, uansett bølgelengde. Det er på denne måten den mørke materien er usynlig. Navnet mørk materie er egentlig misvisende.

For den mørke materien er ikke mørk, den er komplett og fullstendig usynlig. Den mørke, usynlige materien sender ikke ut lys, absorberer ikke lys og reflekterer ikke lys ved noen bølgelengde.

Materie som går gjennom vegger

Mørk materie er helt ulikt noe annet stoff vi vet om. Ikke bare er den usynlig, den merker heller ikke noe til den vanlige materien. Den mørke materien oppfører seg som et klassisk spøkelse som går gjennom vegger. En klump med mørk materie ville fløyet gjennom den tykkeste betongvegg så lett som ingenting. Dette gjør den selvsagt utrolig vanskelig å påvise direkte. For hvordan fanger du noe du ikke merker noe til?

Bevisene for at mørk materie eksisterer, er indirekte: De kommer fra at mørk materie påvirker andre ting som vi kan se. Den synlige materien i universet oppfører seg nemlig på måter som ikke kan forklares uten den mørke materien, med mindre man ønsker å forandre på de fysiske teoriene om hvordan tyngdekraften oppfører seg over store avstander.

Den vanlige materien, som smarttelefoner og planeter er laget av, er i bunn og grunn satt sammen av vanlige partikler, som kvarker og elektroner. Alt i alt er det oppdaget 17 slike ørsmå byggesteinpartikler i naturen. Men naturen har plass til flere ennå uoppdagete partikler.

Det er mange astronomer og fysikere i dag som mener at den mørke materien er en partikkel i naturen som bare ikke har vist seg i eksperimentene deres ennå. Det finnes flere mulige partikkelkandidater, men fortsatt gjemmer mørk materie-partikkelen seg godt. Ingen har hittil funnet sikre tegn til den.

Det må finnes enormt mange mørk materie-partikler i universet, for det finnes veldig mye mørk materie. Faktisk viser beregninger at det finnes fem ganger så mye mørk materie som det finnes såkalt vanlig materie. Mesteparten av det som finnes i universet, kan altså ingen se eller føle.

Og i mørket binde dem

La oss vende blikket utover i verdensrommet. Sterke teleskoper kan vise oss fantastisk detaljerte bilder av spiralgalakser – enorme samlinger av stjerner og støv – som dreier rundt og rundt. Sett i synlig lys har de fleste spiralgalakser en kjerne der flere tusen stjerner ligger ekstra tett sammen. Rundt denne sentrale superstjerneklumpen strekker galaksen seg ut og rundt i en flat skive som kan være noen hundre tusen lysår i diameter. Galakseskiven har tydelige spiralarmer som lyser sterkere enn resten av galakseskiven. Alle stjernene i galaksen går i bane rundt det lysende senteret, som et slags forstørret solsystem.

Spiralgalaksene skjuler imidlertid et usynlig mysterium. Når astronomer måler hastighetene til de enkelte stjernene, finner de at stjernene som går rundt i de ytterste banene, lengst fra sentrum av galaksen, har altfor stor fart til at tyngdekreftene fra den lysende materien alene kan klare å holde dem på plass. Stjernenes dans rundt sentrum av galaksen ville utartet til det reneste kaos om det ikke hadde vært for den mørke materien som holder dem på plass.

Den amerikanske astronomen Vera Rubin var en av de første som undersøkte rotasjonshastigheten til stjerner i galakser på en systematisk måte. Rundt 1970 fant hun ut at de ytre stjernene i galaksene, de som går i bane lengst fra sentrum, roterer omtrent like fort som stjernene i de indre banene. På grunn av tyngdekraftbetraktninger betyr dette at den totale massen til galaksen ikke kan være konsentrert i en klump i sentrum slik massen til den lysende materien er. I så fall burde de ytterste stjernene, de som har større avstand til den sentrale masseklumpen, hatt lavere fart enn de innerste.

Dette tyder på at den mørke materien omslutter den synlige galaksen i en gigantisk, usynlig ball.

En galakse er altså mer enn det du tror. Mye mer, og mye større enn de vakre bildene vi ser av stjerner og støv. Den synlige galaksen er godt plassert i sentrum inni en usynlig mørk materie-ball.

I universet står ingenting stille. Også de enkelte galaksene innad i en galaksehop suser rundt og forbi hverandre gjennom rommet. I motsetning til planeter i et solsystem og stjerner i en galakse beveger imidlertid ikke galakser i en hop seg i oversiktlige baner rundt et svært objekt i midten, men har mer kompliserte baner.

Galaksehopen Abell 2390
Galaksehopen Abell 2390 ligger 2,7 milliarder lysår fra jorden, i retning av stjernebildet Pegasus.  De store buene er forvrengte bilder av andre galakser som egentlig ligger bak Abell 2390. Bilde: NASA, ESA.

Idéen om en ukjent type materie i galaksehoper ble født allerede på 1930-tallet. Den sveitsiske astronomen Fritz Zwicky studerte en galaksehop som kalles Coma-hopen. Hans beregninger viste at galaksehopens enkelte galakser ville blitt spredt for alle vinder hvis den eneste kilden til tiltrekkende tyngdekraft var den lysende materien i galaksene. Zwicky fant ut at hastighetene som enkeltgalaksene har, er for store til at galaksene burde klare å holde seg samlet i hopen. Siden alle studier tyder på at galaksehoper er stabile strukturer som ikke mister galaksene sine ettersom tiden går, peker også dette mot at det finnes et usynlig bidrag til den totale massen og til tyngdekreftene, og som gjør at galaksene holder sammen i hopene.

I likhet med enkeltgalaksene ser det ut til at galaksehopene er omgitt av en gigantisk kule med usynlig mørk materie.

Kunsten å veie en galaksehop

På sin ferd gjennom universet vil lysstråler fra fjerne galakser bli avbøyd dersom de tilfeldigvis passerer gjennom et område med sterke tyngdekrefter, for eksempel rundt en galaksehop. Denne avbøyningen gjør at galaksehopen fungerer som en linse, en gravitasjonslinse. Resultatet er at vi ser forvrengte bilder av de galaksene som ligger bak hopen.

Denne linseeffekten kan brukes til å finne ut hvor mye masse det er i en galaksehop. Astronomene kan gjøre målinger på de forvrengte galaksebildene og dermed beregne hvor sterke tyngdekrefter som må ha vært i sving for å skape forvrengningene. Størrelsen på tyngdekreftene gir svaret på hvor mye total masse det må være i hopen. Tyngdekreftene bryr seg ikke om hvorvidt materien de kommer fra er mørk eller lys. Mørk materie og vanlig materie oppfører seg helt likt når det gjelder tyngdekrefter.

Det viser seg at den totale massen for en typisk galaksehop, beregnet fra slike gravitasjonslinsemålinger, er mye større enn den massen som finnes i de synlige galaksene og i gassen mellom galaksene. I en typisk galaksehop er omtrent 5 % av den totale massen synlige galakser, 10 % er varm røntgengass. Hva da med resten, det vil si mesteparten? Mesteparten må være mørk materie.

En avslørende kollisjon

Det mest direkte beviset vi har for mørk materie, kommer fra studier av en helt spesiell galaksehop som kalles Prosjektilhopen eller Geværkulehopen, Bullet Cluster på engelsk. Egentlig er dette to galaksehoper som har barket sammen i en kosmisk kollisjon tre og en halv milliard lysår unna. Stjernene, gassen og den mørke materien oppfører seg på forskjellige måter i et slikt sammenstøt.

Prosjektilhopen
Prosjektilhopen: Dette bildet av to kolliderende galaksehoper er satt sammen av bilder fra NASAs romteleskop Hubble og røntgenteleskopet Chandra. De to rosa klumpene er den varme, røntgenstrålende gassen. Her finnes mesteparten av den vanlige materien i galaksehopene. Et bilde i synlig lys fra Magellan-teleskopene og fra romteleskopet Hubble viser de synlige galaksene i oransje og hvitt. De blå områdene viser hvor gravitasjonslinsing avslører at mesteparten av massen i hopene finnes. At de rosa og blå områdene ikke overlapper, gir et svært direkte bevis for at mesteparten av massen i galaksehopene er usynlig, mørk materie. Bilde: NASA/STScI.

 

Stjernene i galaksene i hopen blir ikke nevneverdig forstyrret av kollisjonen. På grunn av de store avstandene innad i en galakse er det få stjerner som kolliderer direkte, så de fleste stjernene passerer rett gjennom som om lite har skjedd. Den varme, røntgenstrålende gassen i de to hopene reagerer elektromagnetisk med hverandre og gjør at gassen i begge hopene bremses ned mye mer enn det stjernene gjør.

Hva skjer med den mørke materien i kollisjonen? Dette kan avsløres gjennom gravitasjonslinsing av galakser som, sett fra oss, ligger bak Prosjektilhopen. Hvis den mørke materien ikke fantes, ville man forventet at gravitasjonslinseeffekten var størst der hvor gassen er, siden gassen utgjør mesteparten av den vanlige materien i galaksehopen. Men gravitasjonslinsemålinger viser at mesteparten av materien befinner seg et helt annet sted enn der gassen er. Dette støtter opp om teorien at det aller meste av materien i galaksehopene er en usynlig materieform som ikke påvirkes av stjernene eller av gassen.

Bilde av Millenium-simuleringen av universets storskalastruktur
Utsnitt av Milleniumssimuleringen, som viser et simulert utsnitt av universets storskalstruktur. Bilde: Springel et al. (2005)

Universets usynlige spindelvev

Den mørke materien omslutter altså både synlige galakser og galaksehoper. Astronomer verden over arbeider med å kartlegge hvordan den mørke materien fordeler seg utover i universet. Til denne jobben bruker de studier av gravitasjonslinsing, og i datamaskiner bygger de kunstige modeller av den mørke materien.

Galaksehoper er ypperlig egnet til å studere mørk materie, siden de er opphav til så sterke tyngdekrefter konsentrert på et relativt lite område. Dermed skaper gravitasjonslinsingen sterke effekter akkurat der. Men galaksehoper er ganske sjeldne i det enorme verdensrommet.

For å finne ut noe om fordelingen av mørk materie andre steder enn akkurat der det finnes galaksehoper, bruker astronomene statistiske beregninger av den svake gravitasjonslinseeffekten.

Selv om det ikke passerer en galaksehop, har lys som kommer langveisfra, likevel reist forbi mange små og store astronomiske objekter på sin vei mot oss. Tyngdekreftene til disse objektene har avbøyd lyset litt her og litt der. Når vi ser på en galakse som ligger langt unna, har all materien som ligger mellom oss og den, strukket og vridd litt på lyset fra galaksen.

Men galakser finnes i mange ulike former og størrelser, så et bilde av en enkelt galakse kan ikke avsløre nøyaktig hvordan lyset har blitt strukket og dratt i på veien hit. Vi vet jo ikke hvordan akkurat denne galaksen ville sett ut hvis lyset fra den ikke hadde blitt strukket!

Dette løser astronomene gjennom å se på mange galakser på omtrent samme sted samtidig. Hvis de da finner at lyset fra mange av galaksene i et område ser ut til å være dratt og strukket litt i samme retning, kan de finne ut hvordan den mørke materien er fordelt mellom oss og dem.

Å kartlegge det usynlige universet ved hjelp av gravitasjonslinsing er et møysommelig arbeid. Kartet som etter hvert har blitt bygget opp over fordelingen av den mørke materien i universet, viser et gigantisk spindelvev av usynlig materie som strekker seg mellom galakser og galaksehoper i lange tråder. Noen steder kommer flere tråder sammen, andre steder er det tommere og åpnere områder.

Det meste av universet er usynlig. At vi ikke kan se det, betyr likevel ikke at vi ikke kan oppdage det. Når lysstråler fra verdensrommet blir analysert med astronomenes verktøy, kan de avsløre mye om den stjernen eller galaksen som lyset kommer fra. Gjennom gravitasjonslinseeffekten bærer lyset også med seg informasjon om hva som har skjedd med det på vei hit til jorden. Ved å studere lyset på ulike måter finner astronomene ut stadig mer om universets enorme kosmiske spindelvev av mørk materie.

Kontakt:

Astrofysiker og rådgiver Anna Kathinka Dalland Evans ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA)

Fullstendige bildekreditteringer

M74 (toppbilde): NASA, ESA, og Hubble Heritage (STSCi/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgment: R. Chandar (University of Toledo) and J. Miller (University of Michigan)

Galaksehopen Abell 2390: NASA, ESA and Johan Richard (Caltech, USA). Acknowledgement: Davide de Martin & James Long (ESA/Hubble).

Prosjektilhopen: Røntgenbilde: NASA/CXC/M.Markevitch et al. Bilde i synlig lys: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Linsekart: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Les mer

På sporet av kvasarens hemmeligheter

Mørk materie i vår egen galakse

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Hunnene av den sørlige vågehvalen kan veie opptil 14 tonn, men nå er de blitt magrere.

Endelig enighet om at den sørlige vågehvalen er blitt avmagret

De sørlige vågehvalene, som lever i havområdene rundt Antarktis, har vært gjennom en kraftig avmagring etter 1988. Men det skulle ta 11 år med diskusjoner, og til sist en heftig innsats fra norske statistikere, før Den internasjonale hvalfangstkommisjonen kom fram til den konklusjonen.

Brecht Verstraete og Hugo de Boer

Identifiserer planterester ved hjelp av "strekkoder" i DNA

Hugo de Boer og Brecht Verstraete ved Naturhistorisk museum skal bruke DNA-teknologi og molekylære metoder til å utvikle nye, raskere og enklere metoder for sikker identifisering av planter og planterester. Både tollvesenet og tilsynsmyndigheter i mange land er interessert i denne forskningen, som kan brukes til å avsløre svindel.

Andreas Carlson med de magiske dråpene som gjør at overflater kan endre egenskaper

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Nå kommer en ny type materialer hvor overflatens egenskaper kan varieres ved å justere et magnetfelt. Da kan materialet gjøre så forskjellige ting som å fjerne biofilmer, pumpe små væskestrømmer, flytte små partikler – eller fungere som et lim som slås av og på.

Reidunn Aalen med planteforskernes

– Blader, frukt og frø detter ikke ned av seg selv!

– Tenk om bøndene kunne redigere genene i plantene de dyrker, slik at frukter og frø felles mer koordinert enn i dag. Da kunne vi få mye større avlinger enn i dag uten å øke arealene eller gjødslingen, sier professor Reidunn Aalen. Den drømmen har kommet nærmere etter at Aalen og kollegene har funnet en gruppe gener som er minst 175 millioner år gamle.