Mørkt stof har hukommelse
80 procent af Universet består af såkaldt mørkt stof, som forskerne ikke ved, hvad er. Men nu har danske kosmologer afsløret en unik egenskab ved mørkt stof, der viser, at det er noget helt for sig selv.

De danske kosmologer har blandt andet studeret galaksehoben Abell 2218, der indeholder myriader af galakser. Studiet afslørede en overraskende egenskab ved mørkt stof. (Foto: HST).

De danske kosmologer har blandt andet studeret galaksehoben Abell 2218, der indeholder myriader af galakser. Studiet afslørede en overraskende egenskab ved mørkt stof. (Foto: HST).

Det udgør 80 procent af Universets samlede masse og er usynligt for det blotte øje. Hvad er det?

Astronomerne ved det stadig ikke og kalder det derfor konsekvent for 'mørkt stof'. Men nu har danske kosmologer igennem omfattende studier af i alt 16 galaksehobe afsløret en helt unik egenskab ved det mørke stof, som én gang for alle slår fast, at det er noget helt for sig selv. Det kan på ingen måde bestå af almindelige, velkendte stofpartikler.

Opdagelsen er netop offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift The Astrophysical Journal.

»Som de første i verden har vi målt en bestemt egenskab ved mørkt stof, som viser, at det opfører sig fundamentalt anderledes end almindeligt stof. Det viser, at mørkt stof må bestå af en hidtil ukendt type partikler,« siger ph.d.-studerende i kosmologi Ole Høst fra Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet, der sammen med sin vejleder Steen H. Hansen fra selvsamme forskningscenter har været en af de store drivkræfter i studiet.

Hukommelsen er intakt

En galaksehob består af myriader af galakser, der bevæger sig rundt om det samme centrum. En hvilken som helst partikel i ansamlingen vil følge en sådan rotation og flytte sig om på den anden side af galaksehobens centrum i løbet af omkring 100 millioner år.

Fakta

VIDSTE DU

De fleste almindelige stofkandidater har været udelukket i et stykke tid,fordi vi har set, at mørkt stof ikke udsender eller optager lys.

Almindelige stofpartikler er karakteriseret ved, at de støder ind i hinanden, hvis afstanden mellem dem bliver tilstrækkeligt lille. Sammenstødene slår de enkelte partikler ud af kurs, så de ikke længere kan 'huske', hvor de kommer fra, og hvor de var på vej hen. Den information, som de enkelte partikler bærer om deres fortid, bliver så at sige slettet fra deres 'hukommelse'. Men kosmologernes studier af galaksehobene viser, at denne opførsel ikke gælder for mørkt stof. Tværtimod så er det mørke stof tilsyneladende det, som man kalder for kollisionsløst, dvs. at dets partikler ikke støder ind i hinanden.

Kosmologerne har længe haft en mistanke om, at det mørke stof netop var kollisionsløst, og derfor har de lavet nogle computersimuleringer af, hvordan partikler med denne egenskab vil opføre sig i tyngdefeltet for en galaksehob.

Herefter har de sammenlignet simuleringerne med deres observationer af, hvordan det mørke stof rent faktisk fordeler sig i galaksehobene.

Sammenligningen viste med al tydelighed, at det mørke stofs partikler ikke støder sammen, men bevæger sig helt uafhængigt af hinanden.

»Det mørke stofs partikler bliver tilsyneladende ved med at følge den samme bane rundt i galaksen, som den hele tiden har gjort og ænser ikke andre partikler. Møder de andre partikler på deres vej, så suser de lige igennem dem. Partiklerne i det mørke stof støder altså ikke ind i hinanden. De bliver ved med at 'huske', hvad der er op og ned og hvilken vej galaksehobens center ligger,« fortæller Steen H. Hansen og giver sig herefter i kast med at visualisere pointen.

Giv plads til det nye

De danske kosmologer har nået konklusionen ved bl.a. at studere galaksehobene A2218 samt her RXJ 1347 i røntgen, hvor man ser den varme strålende gas. (Foto: Steen H. Hansen)

Forestil dig, at du spiller pool og skyder en kugle afsted mod en anden kugle, der ligger på midten af poolbordet, siger han. Chancen for at ramme kuglen på bordets midte er ret stor, også selv om du ikke er verdens bedste poolspiller. Men sandsynligheden for at ramme kuglen falder markant, hvis begge kugler er mikroskopisk små. Jo mindre kuglerne er, des mere sandsynligt er det, at du rammer helt ved siden af og til sidst er chancen for at ramme stort set lig nul.

Mørkt stof-partiklerne opfører sig netop som mikroskopiske poolkugler. Almindelige stofpartikler derimod er langt større og har derfor også lettere ved at ramme andre partikler i nærheden.

I løbet af 100.000 år vil de almindelige partikler således være stødt ind i hinanden så mange gange, at de har glemt deres oprindelige bane. Mørkt stof partiklerne derimod støder ikke ind i hinanden. selv om der er gået flere milliarder år.

Det mørke stof har altså en anden adfærd end almindeligt stof, og derfor må det også bestå af en anden slags partikler.

»Almindelige stofpartikler opfører sig ordentligt i forhold til, hvad man forventer ud fra de ligninger, vi har. Men det gør de partikler, der udgør det mørke stof, ikke. De har en helt anden adfærd, og derfor må vi udvidde de eksisterende partikelteorier, så der bliver plads til de nye partikler,« siger han.

Fakta

VIDSTE DU

Kosmologernes nye måling bekræfter de modeller, som de i forvejen kender for strukturen af mørkt stof i galaksehobe.

Den nye opdagelse fortæller altså noget nyt om, hvad mørkt stof er - eller rettere, hvad mørkt stof ikke er. Forskernes store problem har hidtil været, at de har haft et hav af mulige partikelkandidater at vælge imellem, men ikke har haft den tilstrækkelige viden om mørkt stof til at kunne sortere i dem.

Men nu har kosmologerne slået fast med syvtommersøm at mørkt stof-partiklerne ikke 'snakker' med andre partikler, og det gør sorteringsarbejdet betydeligt lettere. Nu kan de én gang for alle fjerne samtlige af de partikelkandidater fra listen, der udgør almindeligt stof.

Udelukker skyggeverden

Teoretisk set ville der være en mulighed for, at det mørke stof bestod af en hidtil ukendt partikel, der stort set opfører sig som almindelige stofpartikler.

Mørkt stof-partiklerne kunne eksempelvis have været en del af en skyggeverden, det såkaldte 'mirror matter', der reagerer som almindelige stofpartikler, blot med masser og vekselvirkninger, der er en faktor 1-100 gange anderledes.

Men da de danske kosmologer nu har vist, at det mørke stof virkelig har en anden adfærd end almindelige stofpartikler, kan de nu udelukke denne mulighed sammen med mange andre.

Galaksehobe studeret med satellitter

De 16 galaksehobe er bl.a. studeret med røntgenobservatoriet Chandra. (Foto: NASA)

»I virkeligheden er vores måling betryggende, for de fleste observationer har indikeret, at det mørke stof opfører sig som 'kollisionløst koldt mørkt stof'og vi har nu bekræftet ved en faktisk måling at det mørke stof vitterligt er kollisionsløst,« siger han og lægger ikke skjul på, at de bedste kandidater til det mørke stof nu er det forskerne kalder en 'steril neutrino' eller en særlig slags 'supersymmetrisk partikel'.

Ingen af disse partikler er fundet endnu. Men i Steen H. Hansens forskergruppe leder kosmologerne lige nu efter signaler fra en steril neutrino, og ved den store partikelaccellerator på Cern, LHC, indleder fysikerne jagten på supersymmetriske partikler til efteråret.

»Hvis partikelfysikerne på Cern finder de supersymmetriske partikler, så er der meget stor sandsynlighed for, at det er disse partikler, der udgør det mørke stof,« slutter Steen H. Hansen.

De danske kosmologer har via to røntgenobservatorier XMM-Newton og Chandra i kredsløb om Jorden studeret i alt 16 galaksehobe, der typisk rummer store ansamlinger af mørkt stof.

Kosmologerne har nøje udvalgt disse galaksehobe fordi de er i harmoni og i ligevægt. Denne tilstand forenkler de fysiske ligninger og gør dem betydeligt lettere at regne på.

Havde kosmologerne valgt nogle galakser, der ikke havde været i ligevægt, så ville ligningerne være blevet uhyggeligt komplicerede.

Forskerne tager temperaturen på mørkt stof

Det fænomen, som de danske kosmologer helt konkret har studeret i galaksehobene, er den såkaldte temperatur-anisotropi. Forestiller man sig, at man laver en kasse ude i periferen af en galaksehob, så kan man måle, at stofpartikler inde i 'kassen' har samme temperatur uanset om man måler den fra højre side, fra venstre side eller forfra.

Rummer kassen derimod mørkt stof-partikler, så er der ifølge forskernes ligninger for det mørke stofs opførsel mulighed for, at det mørke stofs temperatur er forskellig alt afhængig af hvilken side man måler fra.

Den temperaturforskel er en altså en teoretisk mulighed, men det er første gang, at kosmologerne nu har haft held med at observere den direkte. Deres studier viser, at det mørke stofs temperatur altid er størst langs den bane, der går fra galaksehobens centrum og ud igennem 'kassen', og det viser, at mørkt stof-partiklerne kan huske, hvilken vej, galaksehobens centrum ligger.

Partiklerne kan altså huske hvilken vej centret ligger, og derfor må de være kollisionsløse.

Annonce

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om det bizarre havdyr her.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk