Det meste av universet består av "materie" som ikke kan sees, muligens uvesentlig, og samhandler med andre ting bare gjennom tyngdekraften. Å ja, og fysikere vet ikke hva denne saken er eller hvorfor det er så mye av det i universet - omtrent fire femtedeler av massen.
Forskere kaller det mørk materie.
Så hvor er denne mystiske saken som utgjør en så stor del av universet vårt, og når vil forskere oppdage det?
Hvordan vet vi at denne saken eksisterer
Hypotesen om mørk materie ble først fremsatt av den sveitsiske astronomen Fritz Zwicky på 1930-tallet, da han innså at målingene hans av massene av galakse klynger viste noe av massen i universet "mangler". Uansett hva som gjør galakser tyngre, avgir det ikke noe lys, og interagerer heller ikke med annet enn gjennom tyngdekraften.
Astronom Vera Rubin oppdaget på 1970-tallet at rotasjonen av galakser ikke følger Newtons bevegelseslov; stjerner i galakser (spesielt Andromeda) så ut til å rotere rundt sentrum med samme hastighet, men de lengre fra stjernen beveger seg saktere. Som om noe legger masse til den ytre delen av galaksen som ingen kunne se.
Resten av bevisene kommer fra gravitasjonslinsering, som oppstår når tyngdekraften til et stort objekt bøyer lysbølger rundt et objekt. I følge Albert Einsteins teori om generell relativitet, bøyer tyngdekraften plass (som en sumobryter kan deformere matten han står på) slik at lysstråler bøyer seg rundt store gjenstander, selv om lyset i seg selv er masseløst. Observasjoner viste at det ikke var tilstrekkelig med synlig masse til å bøye lyset slik det gjorde rundt individuelle galakse-klynger - med andre ord, galaksene var mer massive enn de burde være.
Salgsfremmende video:
Så er det reliksjonsstrålingen (CMB), “ekkoet” fra Big Bang og supernovaene. "CMB forteller oss at universet er romlig flatt," sa Jason Kumar, professor i fysikk ved University of Hawaii. "Romlig flatt" betyr at hvis du trekker to linjer gjennom universet, krysser de aldri hverandre, selv om linjene var milliarder av lysår på tvers. I et bratt buet univers vil disse linjene møtes på et tidspunkt i rommet.
Det er nå en liten kontrovers blant kosmologer og astronomer om hvorvidt mørk materie eksisterer. Det påvirker ikke lys, og det er ikke ladet som elektron eller protoner. Til nå har den unnlatt direkte påvisning.
"Dette er et mysterium," sa Kumar. Det kan være måter forskere har prøvd å "se" mørk materie - enten gjennom dets samspill med vanlig materie, eller gjennom å se etter partikler som kan være mørk materie.
Hva mørk materie ikke er
Mange teorier har kommet og gått til hva mørk materie er. En av de første var ganske logisk: Spørsmålet var skjult i massive astrofysiske kompakte haloobjekter (MACHO), som nøytronstjerner, sorte hull, brune dverger og useriøse planeter. De avgir ikke lys (eller de avgir veldig lite), så de er praktisk talt usynlige for teleskoper.
Å utforske galakser på jakt etter små forvrengninger i stjernelys produsert av MACHO som gikk forbi - kalt mikrolensing - kunne imidlertid ikke forklare mengden mørk materie rundt galakser, eller til og med mye av det. "MACHO-er ser ut til å være like ekskludert som alltid," sa Dan Hooper, en forsker ved Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois.
Mørk materie ser ikke ut til å være en sky av gass som ikke kan sees gjennom teleskoper. Diffus gass vil absorbere lys fra galakser som er lenger borte, og på toppen av den normale gassen vil avgi stråling på lange bølgelengder - det vil være et enormt utslipp av infrarødt lys på himmelen. Siden dette ikke skjer, kan vi utelukke det.
Hva kan det være
Svakt samvirkende massive partikler (WIMPs) er noen av de sterkeste utfordrerne for forklaring av mørk materie. Wimps er tunge partikler - omtrent 10 til 100 ganger tyngre enn protonen, som ble opprettet under Big Bang og forblir i lite antall i dag. Disse partiklene samvirker med normal substans gjennom tyngdekraften og svake kjernekrefter. De mer massive WIMP-ene vil bevege seg saktere gjennom verdensrommet, og kan derfor være kandidater for “kald” mørk materie, mens de lysere vil bevege seg raskere og være kandidater for “varm” mørk materie.
En måte å finne dem på er gjennom "direkte deteksjon", for eksempel eksperimentet Large Underground Xenon (LUX), som er en beholder med flytende xenon i en South Dakota-gruve.
En annen måte å se wimps kunne være med en partikkelakselerator. Inne i akseleratorer brytes atomkjerner med en hastighet nær lysets hastighet, og i prosessen blir denne kollisjonsenergien omdannet til andre partikler, noen av dem er nye for vitenskapen. Så langt har ingenting blitt funnet i partikkelakseleratorer som ser ut som formodende mørk materie.
En annen mulighet: aksjoner. Disse subatomære partiklene kunne oppdages indirekte av de strålingsformene de avgir, hvordan de ødelegger eller hvordan de forfaller til andre typer partikler eller vises i partikkelakseleratorer. Det er imidlertid ingen direkte bevis for aksjoner.
Siden oppdagelsen av tunge, langsomme "kalde" partikler som wimps eller aksjoner ennå ikke har gitt resultater, ser noen forskere på muligheten for lette, raskere bevegelige partikler som de forårsaker "varm" mørk materie. Det har blitt fornyet interesse for en slik modell av mørk materie etter at forskere fant bevis for en ukjent partikkel som bruker Chandra X-ray Observatory, i Perseus-klyngen, en gruppe galakser omtrent 250 millioner lysår fra Jorden. De kjente ionene i denne klyngen produserer visse røntgenutslippslinjer, og i 2014 så forskere en ny “linje” som kunne tilsvare en ukjent lyspartikkel.
Hvis partikler av mørk materie er lette, vil forskerne ha vanskelig for å oppdage dem direkte, sa Tracy Slater, fysiker ved MIT. Hun foreslo nye typer partikler som kan utgjøre mørk materie.
"Mørk materie med en masse under ca. 1 GeV er virkelig vanskelig å oppdage med standard direkte deteksjonseksperimenter fordi de fungerer ved å se etter uforklarlige rekyler av atomkjerner … men når mørk materie er mye lettere enn en atomkjerne, er rekylenergien veldig liten," sa Tracy Slater.
Mye forskning har blitt gjort i jakten på mørk materie, og hvis dagens metoder mislykkes, vil nye bli gjennomført. Å bruke "flytende" flytende helium, halvledere og til og med bryte kjemiske bindinger i krystaller er noen av de nye ideene for å oppdage mørk materie.
