I løbet af sidste års pandemivinter sidder en gruppe fysikere i en gruppechat og arbejder på hver deres respektive hjemmekontor. De skriver løs om vira og infektionsrater i eksponentiel vækst.

Og så får de en sjov idé. Måske er en slags smitte og eksponentiel vækst forklaringen på ét af universets største mysterier: Mørkt stof.

Hurtigt udvikler de en vrøvleteori - Pandemic Dark Matter - som de poster som en aprilsnar på fysikforummet arXiv.

Men midt i spøgen dukker en begyndende erkendelse op. Er de rent faktisk inde på noget?

Svaret på spørgsmålet blev publiceret i novembernummeret af ​​det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters: Aprilsnaren var blevet til en rigtig videnskabelig artikel, der nu vækker opsigt verden over.

»Det her er en helt ny teori om, hvordan vi kan forklare mængden af ​​mørkt stof i universet. Den er så enkel, at vi blev overraskede over, at ingen har fundet på det før,« siger Torsten Bringmann, professor i teoretisk fysik ved Universitetet i Oslo, og én af ​​forskerne bag hypotesen.

Stoffet ingen har set

For at starte helt fra begyndelsen: Mørkt stof er et stof, som ingen har set, men fysikerne er alligevel ret sikre på, at det eksisterer. I enorme mængder.

Det synlige stof i verden – altså det stof, vi finder i stjerner, planeter, støvskyer og sorte huller – er nemlig ikke nok.

Da forskerne begyndte at måle mængden af ​​stof i galakserne og den hastighed, hvormed stjernehobene drejer rundt, stod det klart, at der var noget, som ikke helt hang sammen. Galakserne drejer for hurtigt om sig selv i forhold til, hvor tunge de er.

Tyngdekraften fra alt stof i en galakse trækker i stjernerne og holder dem på plads, så de ikke bliver slynget ud. Men der er alt for lidt synligt stof i galakserne til at holde på stjernerne.

Så når stjernerne alligevel er på plads, må der simpelthen være meget mere stof. Stof, der ikke kan ses, men som har en masse.

Dette teoretiske stof blev kaldt mørkt stof.

Andromedagalaksen – Mælkevejens nærmeste store nabo i rummet – roterer meget hurtigere, end den burde, hvis universet kun indeholdt almindeligt stof. Derfor mener de fleste forskere, at den også er fuld af stof, vi ikke kan se – mørkt stof. (Foto: Adam Evans, CC BY 2.0)

WIMP?

I løbet af de seneste årtier er der gjort en række observationer i meget større skala, der indikerer, at mørkt stof er en realitet. 

Vi har ikke set stoffet direkte, men observeret den effekt det har på almindeligt stof i stjerner og galakser.

Observationerne har nemlig gjort det muligt at måle den samlede mængde mørkt stof i universet med stor nøjagtighed, og det afslører, at mørkt stof udgør mere end 80 procent af stoffet i universet.

Men hvad kan dette mystiske mørke stof bestå af? Og hvornår og hvordan opstod det?

Det skorter ikke på hypoteser. Den mest udbredte til dato går ud på, at mørkt stof består af en speciel type partikel, kaldet en WIMP. 

Disse teoretiske partiklers egenskaber kan forklare, hvorfor verden har præcis så meget mørkt stof, som vi faktisk har observeret.

WIMP'erne har tyngde, men vekselvirker kun lidt med almindeligt stof. Det betyder, at sådanne partikler stort set bare suser igennem os, Jorden og Solen, uden at vi lægger mærke til det.

På den anden side burde det være muligt at finde pålidelige spor af det i partikelacceleratoren på CERN og andre højt specialiserede eksperimenter.

Svagere end WIMP?

Indtil videre har jagten på mørkt stof dog været uden resultater. Forskere og fysikerne ikke fundet den mindste antydning af, at WIMP's eksisterer. Men hvad kan mørkt stof så være?

En mulighed er, at det består af partikler, der vekselvirker endnu svagere med almindeligt stof, end vi troede. Det forklarer, hvorfor vi ikke har fundet dem på CERN eller i andre eksperimenter.

Men idéen støder på endnu et problem: Hvis det er sådan, partiklen opfører sig, kan de almindelige mekanismer i universet ikke forklare, hvorfor der skulle være så meget mørkt stof.

Det er her Torsten Bringmann og pandemien kommer ind i billedet.

Eksponentiel vækst

»Vi tænkte: Måske vekselvirker det svagere, men på en særlig måde, så det kan omdanne almindeligt stof til mørkt stof,« siger Torsten Bringmann.

Hypotesen er faktisk ganske enkel: Når en mørk stofpartikel støder ind i en partikel af almindeligt stof, omdannes stofpartiklen til to nye partikler af mørkt stof. Og hvis disse partikler også rammer stofpartikler, har vi pludselig fire partikler af mørkt stof.

Akkurat som i en pandemi, hvor den første patient smitter to nye, som igen smitter to nye. Og sådan fortsætter det.

I næste led er der 8, derefter 16 og næste gang 32. Dette kaldes eksponentiel vækst. Tallet kan blive uendeligt stort. Efter ganske få led er der pludselig flere millioner og milliarder.

Torsten Bringmann og hans kolleger har regnet ud, at netop en sådan vækst kan forklare mængden af mørkt stof i universet.

Men det næste spørgsmål er så: Hvorfor er der ikke KUN mørkt stof i rummet?

Tæt i universets begyndelse

Det handler om tæthed og ekspansion, forklarer Torsten Bringmann.

Da verden var nyfødt, var universet meget lille. Alt stof i verden var presset sammen i en ekstrem tæt, supervarm suppe af partikler.

Under sådanne forhold var det meget sandsynligt, at en partikel af mørkt stof ville støde ind i en stofpartikel.

Mørkt stof vekselvirker som udgangspunkt meget lidt med almindeligt stof, og partiklerne vil for det meste bare suse lige forbi hinanden. Men når stoffet er pakket så tæt sammen, er det næsten uundgåeligt, at de støder ind i hinanden alligevel.

Sådan begyndte den eksponentielle vækst af mørkt stof, hævder Torsten Bringmann.

Og havde ingenting forandret sig, ville alt stof i universet meget hurtigt blive omdannet til mørkt stof. Men heldigvis for os forandrede noget sig.

»Universet udvidede sig,« siger Torsten Bringmann.

Denne illustration viser universets udvikling. Meget tidligt i historien skete der en voldsom udvidelse - markeret som inflation. Den stoppede omdannelsen af ​​stof til mørkt stof, foreslår forskerne. (Illustration: NASA)

Forvandlet på ingen tid

I sekunderne og minutterne efter Big Bang, hvor verden begyndte at udvide sig, voksede universet vanvittigt hurtigt. Det betyder, at det hurtigt blev koldere og mindre tæt. Stoffet fik mere plads.

Under sådanne forhold ville det være sværere for partikler af mørkt stof at ramme almindeligt stof. Processen med at omdanne stof til mørkt stof blev langsommere for til sidst at stoppe.

Det er, hvad forskerne tror, ​​kan være sket. På næsten ingen tid.

»I løbet af det første minut, universet eksisterede, måske inden for de første få sekunder, blev det meste af stoffet omdannet til mørkt stof,« siger Torsten Bringmann.

Da denne vanvittige forvandling stoppede så brat, var fordelingen, som vi kender den: Omkring 20 procent almindeligt stof og resten mørkt stof.

Men er processen virkelig stoppet helt? Eller kan man forestille sig, at mørkt stof stadig bliver dannet i universet?

Måske en eller to sammenstød

»Universet er et ret tomt rum, antallet af partikler per kubikmeter er meget lille, så det er meget usandsynligt, at partikler af mørkt stof rammer stofpartikler,« siger Torsten Bringmann.

Men hvad med inde i Jorden eller en stjerne? Der må det vel være tæt nok til, at sådanne sammenstød kan finde sted?

»Jo, det er ikke umuligt,« siger Torsten Bringmann.

Hvis det virkelig er rigtigt, at mørkt stof kan forvandle almindeligt stof til mørkt stof, så kan det ske nu og da, på steder, hvor der er meget stof. Måske rammer en mørk stofpartikel lige nu en almindelig partikel midt inde i Jorden og forvandler den til mørkt stof.

Men der stopper det også. Sandsynligheden for, at de nye partikler af mørkt stof støder sammen med andet stof, er forsvindende lille.

»Fascinerende«

Den nye forklaringsmodel leverer altså svar på, hvordan verden blev fuld af mørkt stof. Men er det virkelig sandt eller er det bare en sjov tanke? Andre fysikere tager i hvert fald teorien alvorligt.

»Det er en fascinerende ny mekanisme, der kan forklare, hvordan mørkt stof kan være blevet produceret i det tidlige univers,« skriver Jörn Kersten i en mail til forskning.no, Videnskab.dk's norske søstersite.

Jörn Kersten er professor i teoretisk partikelfysik ved Universitetet i Bergen. Han har selv arbejdet meget med mørkt stof, men har ikke været involveret i udviklingen af ​​den nye idé.

»Jeg synes også, det viser, hvor meget vi stadig har tilbage at udforske, når det kommer til mørkt stof. I lang tid kendte vi kun til få mulige produktionsmekanismer, men i de sidste fem år har teoretikere opdaget mange nye alternativer. Så der er meget bevægelse i feltet,« skriver Jörn Kersten.

Foreløbig har ingen sikre svar.

Vi ved simpelthen ikke, om Torsten Bringmanns pandemi-inspirerede model er korrekt. Men der er god grund til at tro, at videnskaben snart vil finde de første spæde svar på spørgsmålet. Den nye model kan nemlig testes.

Teori og eksperimenter

Jörn Kersten mener, at sagen bør gribes an fra flere vinkler.

Teoretikere bør udvikle konkrete modeller for, hvordan den foreslåede mekanisme fungerer. Det indebærer at specificere de nye partikler, og hvordan de vekselvirker, skriver han.

Samtidig skal forskerne sætte forsøg op for at lede efter de nye partikler.

»Det gælder selvfølgelig selve den mørke stofpartikel. Men den nye mekanisme har også brug for én eller flere andre nye partikler, som kan være nemmere at opdage. Måske med udstyr som Large Hadron Collider ved CERN.«

Torsten Bringmann tror dog ikke på, at selve mørkstofpartikelen vil dukke op på CERN.

»Nej, jeg tror desværre ikke, vi vil finde den dér. Sådan en partikel vekselvirker så svagt, at vi kun vil kunne opdage den med hele universet som laboratorium,« siger han.

Heldigvis har vi faktisk hele universet som laboratorium. Ved at lave observationer af fænomenerne derude, kan vi finde tegn, der kan understøtte den nye hypotese, eller så tvivl om den.

Billedet viser resterne af en eksploderet supernova - Cassiopeia A. Materialet, der ikke blæste ud af den tidligere kæmpestjerne, er kollapset til en lillebitte og ekstremt tæt neutronstjerne. Ifølge beregningerne vil en spiseskefuld stof fra en neutronstjerne veje lige så meget som Mount Everest. (Illustration: NASA/CXC/M. Weiss)

Kan lede efter tegn allerede nu

»Næste skridt er nu at udtænke konkrete modeller og scenarier samt beslutte, hvilke observationer vi skal finde, hvis vores hypotese er korrekt,« siger Torsten Bringmann.

»Vi bør for eksempel kunne se tegn i den kosmiske baggrundsstråling. Det kan vi lede efter allerede nu.«

Den kosmiske baggrundsstråling er en type stråling, der blev skabt meget tidligt i universets historie, og som stadig eksisterer omkring os. Denne baggrundsstråling indeholder en masse information om, hvad der skete i begyndelsen.

Andre muligheder er at foretage observationer af ekstremt tætte objekter i rummet, som neutronstjerner.

Måske er tætheden af ​​sådanne stjerner stor nok til, at der kan ske en betydelig omdannelse af stof til mørkt stof? I så fald vil de kunne opføre sig anderledes, end vi ville forvente af en neutronstjerne, hvor en sådan proces ikke forekommer.

Eller - som en svimlende tanke - kan det tænkes, at et objekt derude bliver tæt nok til at starte en kædereaktion med eksponentiel omdannelse af stof til mørkt stof? Vil hele objektet så kunne omdannes fra almindeligt stof til mørkt stof og dermed forsvinde på et øjeblik?

»Vil være et kæmpe fremskridt«

Nøjagtige målinger af egenskaberne ved baggrundsstrålingen og tætte objekter som neutronstjerner vil efterhånden kunne give hints om hypotesen er korrekt. Skulle det vise sig, at den er det, får det stor betydning for videnskaben, mener Jörn Kersten.

»Mørkt stofs identitet er et af de største uløste mysterier i fysikken,« skriver han.

Det er to meget grundlæggende spørgsmål: Hvad er universet lavet af? Og hvordan blev universet, som det er i dag?

»At kunne svare på disse spørgsmål ville være et kæmpe fremskridt for vores forståelse af verden,« skriver Jörn Kersten.

Torsten Bringmann håber, at der ikke går så lang tid, før han får de første tegn på, om den nye model kan stemme. Han fortæller, at der vil komme nye og bedre observationer af relevante fænomener i universet i de kommende år.

»Måske har vi nogle tegn inden for fem år,« siger han.

Men vi skal nok vente betydeligt længere, før vi har et sikkert svar.

»Idéen om WIMP’s blev for eksempel født i 1980'erne. Det er gået et par årtiers intenst arbejde for at undersøge den. Det er muligt, vi taler om den samme tidshorisont for at teste denne idé,« siger Torsten Bringmann.

Der er således grund til at tro, at de næste årtier bliver en spændende æra for både ham og alle andre, der interesserer sig for de dybeste spørgsmål om universets oprindelse.

Og hvem ved.

Måske vil hypotesen om eksponentiel vækst af mørkt stof i sidste ende overleve pandemien, der var med til at skabe den.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.