Nobelpristager: Sådan finder vi mørkt stof
Mørkt stof og mørk energi er fortsat en astronomisk gåde for fysikere rundt om i verden. Nobelprismodtager Brian Schmidt giver her sin version af den mørke historie i et interview.

ALMA-antenner peger mod Mælkevejens centrum. (Foto: ESO, B. Tafreshi)

»Det er en illusion, at der er en virkelighed derude, som vi kan definere,« siger Brian Schmidt med et vedholdende, fast blik, idet han dykker ned i et af de mest komplekse spørgsmål i vor tid.

Professor Brian Schmidt er astrofysiker ved Australian National University. I 2011 blev han tildelt Nobelprisen sammen med Saul Perlmutter og Adam Riess for at have opdaget, at udvidelsen af universet er accelererende. Han har nu kastes sig over flere af universets uafklarede fænomener.

»Hele pointen med mørkt stof er, at det ikke reagerer med noget, selvom vi er temmelig sikre på, at det er en partikel. Man er faktisk usynlig for den og den for en,« forklarer han.

LÆS OGSÅ: Forskning i universets udvidelse udløser Nobelprisen i fysik

Kan potentielt være et mysterium for evigt

Der er fire fundamentale kræfter i verden: Elektromagnetisme, stærk kernekraft, tyngdekraften og svag kernekraft. Svag kernekraft er særlig interessant for forskere, som forsøger at afdække det gådefulde mørke stof, fordi de forventer, at det vil reagere ved denne kraft. 

»Vi har massere af beviser på, at det reagerer meget let eller slet ikke. Det passer med de fleste af de observationer, vi har – med et par tilskyndelser – som måske eller måske ikke er korrekte,« siger Brian Schmidt.

Hvis det viser sig, at mørkt stof slet ikke reagerer på nogle niveauer – så kan vi ikke danne eller spore det.

»Det ville være temmelig frustrerende,« siger professoren, »Potentielt kunne det forblive et mysterium for os for evigt.«

På jagt efter det usynlige

Heldigvis er der andre måder at undersøge mørkt stof på. Dets eksistens afsløres ved mønstre i tyngdekraften, og det er derfor bedst at søge efter det tæt på Mælkevejens centrum, hvor tyngdepåvirkningen er højst.

»Når du kigger ud i rummet, ser du det [mørkt stof] ikke, fordi det går direkte gennem sig selv. Den eneste grund til, at vi ved, det er der, er på grund af dets tyngdekraft, fordi det kan tiltrække 'ting'.«

Professor Brian Schmidt holdt foredrag om mørkt stof og mørk energi på Euroscience Open Forum i København. (Photo: Anne Marie Lykkegaard)

»Fra mit perspektiv, som astronom, kan vi undersøge mørkt stof på andre måder,« fortsætter professoren.

Brian Schmidt er særligt opsat på tre måder:

  1. Ved at observere, hvordan lys fra andre galakser bøjer ved mørkt stofs gravitationelle potentiale.
     
  2. Mørkt stofs opbygning kan undersøges ved at analysere den kosmiske baggrundsstråling. Denne stråling giver forskere mulighed for at se, hvordan galakser formes og forandres over tid og derfor også det mørke stofs liv i universet.
     
  3. Tæt på midten af Mælkevejen findes et kæmpestort sort hul. Ofte sker det, at stjerner, ofte binære stjerner, nærmer sig dette sorte hul. De bliver først tiltrukket af det, for derefter at blive kastet ud i rummet igen med en voldsom kraft. 

Dette sker ved omtrent 3.220 kilometer i sekundet. Den hastighed, hvormed disse stjerner sænker farten, kan bruges til at måle tyngdepåvirkningen fra forskellige retninger. Hvis der er mørkt stof tilstede, vil dette være ansvarligt for en del af tyngdepåvirkningen. Derved kan det mørke stof spores, og dets masse afgøres. Dette er en undersøgelse, som Brian Schmidt i særlig grad ønsker at foretage. 

Skal vi have Higgs-brillerne på - igen?

Tidligere troede forskerne, at Higgs-bosonen faktisk var mørkt stof. Den teori har de droppet igen, men på det seneste har der været forskellige forslag om, at Higgs-bosonen kunne være vores indgang til at forstå mørkt stof på andre måder, nemlig ved at lede efter Higgs' supersymmetriske partner-partikel. Brian Schmidt evaluerer, hvor rimeligt dette perspektiv er:

»Du ville ikke bruge Higgs i sig selv,« fortæller han. »Hvis vi forestiller os, at supersymmetri er korrekt. Jeg har en mistanke om, at det er en død teori, men lad os vente og se. Professor Frank Wilczek, som er en af mændene bag teorien, vil glædeligt vædde med mig om, at den ikke er død.«

Brian Schmidt smiler hemmelighedsfuldt, og man aner næsten, at der rent faktisk er et væddemål i gang. 

»Han er temmelig overbevist om, at det må være sandt – det er en alt for smuk teori. Hvis vi forestiller os dette, så er der mange partikler, som endnu ikke er fundet.«

Teorien om supersymmetri siger, at universet var fyldt med tunge partikler i begyndelsen. Her har hver partikel en supersymmetrisk partner. Universet har stadig spor efter alle disse partikler, men de er henfaldet til meget lettere former, hvoraf en af dem er den mørkt stof-partiklen.

Det tiltalende ved teorien er, at det løser mange problemer, men som professor Brian Schmidt understreger: »Vi bliver nødt til at finde alle disse andre partikler.«

Foreløbig er det ikke andet end en smuk historie.

På sporet af de manglende partikler

Billedet er taget af Hubble Space Telescope i april 2014. Den varme gas vises i pink, mens et computergenereret kort viser den mest sandsynlige fordeling af mørkt stof i blå. (Foto: NASA)

Når verdens største og mest effektive partikelaccelerator, Large Hadron Collider, starter op igen i 2015, vil der (forhåbentlig) komme nogle svar.

»Det er soleklart, at vi har brug for partikelfysikere til at finde den pokkers ting [mørkt stof] i laboratoriet,« udbryder Brian Schmidt. Han er dog optimistisk:

»Jeg har god grund til at tro, at de vil være i stand til det.«

Mørk stof bryder sig ikke om at interagere, og derfor er det umuligt at se det direkte i en accelerator, som LHC ved CERN. Hvis det lykkedes forskerne at danne mørkt stof, ville det med det samme suse direkte ud af detektoren og tage noget energi med sig - det såkaldte 'missing energy'-princip.

Dette ville indikere mørkt stofs tilstedeværelse og ville være et skridt på vejen hen imod at forstå dets egenskaber bedre.

Universets mørke energi

Mørkt stof er ikke det eneste problematiske spørgsmål som nutidens fysikere kæmper med. Ideen om mørk energi er et lige så presserende spørgsmål. Den mørke energis natur virker ved første øjekast lige så mistænkeligt, som navnet antyder.

»Hvad er mørk energi? Det simple svar er: Det ved vi ikke! Tilsyneladende modsiger det alt, hvad vi i dag ved om universet,« står der på Hubble Teleskopets hjemmeside.

Den kosmologiske konstant giver forskerne en vis viden om mørk energis egenskaber. Denne konstant angiver, at der er en uforanderlig energi, som er en del af rummet selv. 

Einstein introducerede ideen om den kosmologiske konstant, men besluttede senere, at det var 'den største bommert i hans liv'. På trods af dette har kosmologien taget konceptet til sig i forsøget på at forklare mørk energi.

»Alle de forudsigelser, vi har lavet på grundlag af dette, er blevet påvist i naturen,« forklarer Brian Schmidt. Problemet er, at ingen ved, hvorfor denne energi skulle være en del af rummet i første omgang.

Hvis jeg ikke kan teste det, eksisterer det ikke.

Professor Brian Schmidt

Brian Schmidt formoder, at det formentlig ændrer sig over tid, men ikke nok til, at vi kan spore det.

»Mørk energi har den egenskab, at jo større universet bliver, jo mere mørk energi vil vi have,« og tilføjer et splitsekund efter, »Det er virkelig underligt! Det er derfor, det giver os kuldegysninger.«

Hvordan virker mørk energi?

Hvis du klemmer let på flasken, vil plastikken hoppe tilbage på plads, når du giver slip. Hvis flasken var fyldt med mørk energi, ville den, i stedet for at hoppe tilbage på plads, fortsætte med at blive suget indad og til sidst ødelægge flasken. For universet betyder dette, at hvis det udvider sig, som vi ved, det gør, vil det udvide sig hurtigere og hurtigere.

»Det er en form for magi, denne negative tyngdekraft,« udbryder Schmidt. »Der må være 'noget' jævnt smurt ud i universet, for at denne acceleration kan finde sted. Dette noget er formentlig det mørke stof.«

Schmidt fortsætter sin forklaring: »Det er en stabil forudsigelse, som vi kan teste.«

Den mest brugbare teoretiske model til at teste dette er standardmodellen, som forudsiger en uopdaget tung partikel. Standardmodellen er en teori inden for partikelfysik som inkorporerer tre ud af de fire fundamentale kræfter i universet: Elektromagnetisme, stærk kernekraft og svag kernekraft.

Med dette i baghånden konkluderer Schmidt: »På nuværende tidspunkt ser alt, hvad vi gør, mere eller mindre rigtigt ud. Der er nogle små snoninger, hvor galaksernes centrum ser lidt forkerte ud – men uden af være overbevisende – det giver os nogle hints om, at vi måske har brug for at kigge på noget andet. Som eksempelvis lettere partikler. Lettere partikler ville kunne sprede stof ud i galakserne, som er det, den tunge partikelteori forudsiger. Derved får man et univers, som er jævnere og har mange galakser.«

»Jeg er agnostiker«

Det eneste, Brian Schmidt er helt sikker på, er, at ligegyldigt hvilken teori vi vælger at stole på, vil det have forsøgsmæssige konsekvenser.

»Hvis jeg ikke kan teste det, eksisterer det ikke,« siger han.

»Så er det blot en fin historie. Folk fortæller mig også fine historier om skildpadder, Gud og så videre – disse historier er alle lige umulige at teste. Multiverser, teorien om at der er flere universer, er for eksempel en fin teori, det lyder godt, men hvis jeg ikke kan teste det, tror jeg ikke på det. Jeg siger ikke, det er forkert, men jeg kan heller ikke sige, at det er sandt. På nuværende tidspunkt er jeg agnostiker i den reneste form,« konkluderer han med et smil.