Hvad er mørkt stof?
Vi ved ikke, hvordan det ser ud. Vi er ikke engang helt sikre på, at det eksisterer. Velkommen til det mørke stofs frustrerende og fascinerende verden.
mørkt stof rummet fysik partikler WIMP fænomen hypotetisk universet tyngdeloven gravitationseffekter teori hypotese Ockhams ragekniv antagelse direkte detektorer elektroner neutrioner

Galaksehoben Abell 1689 består af cirka 1.000 galakser og flere billioner stjerner. Ved at granske billeder af galakse-klynger har forskere beregnet, at cirka 23 procent af universet som helhed består af mørkt stof. (Foto: NASA/ESA/STScI/AURA/Dominion Astrophysical Observatory/JHU/J. Blakeslee & H. Ford)

De fleste lønmodtagere kan som regel være temmeligt sikre på, at dét, de arbejder med, rent faktisk eksisterer.

Anderledes står det dog til for fysiskerne, der studerer mørkt stof. Alligevel dedikerer talentfulde unge forskere hele deres karriere til emnet. Hvorfor?

Det er ikke, fordi det mørke stof endnu ikke er opdaget.

Historien kort
  • Listen af mørkt stof-kandidater er lang og evidensmængden overbevisende. Alligevel står fysikerne overfor noget af en opgave.
  • Seriøse kandidater spænder alt lige fra partikler med en radius så stor som en galakse til ultrasmå partikler og primordiale sorte huller.
  • Men selv vildspor i jagten på mørkt stof er ikke forgæves, for de bringer os nærmere på en forståelse af universet.

Faktisk er det langt fra tilfældet, for mørkt stof er som fænomen fuldt og fast etableret, og vi står med en overbevisende evidensmængde, der indikerer, at det mørke stof er hele fem gange så hyppigt forekommende som dets synlige modstykke.

Evidens afhænger af gravitationseffekter

Problemet er snarere, at den overvældende evidensmængde udelukkendende bygger på gravitationseffekterne.

Hvis det viser sig, at tyngdekraften opfører sig meget mere mærkværdigt, end Newton forestillede sig, er de effekter, som vi tilskriver mørkt stof-partiklerne, muligvis en illusion. 

I det tilfælde er vi tvunget til at sende hele hypotesen om det mørke stof til 'hall of fame' for forældede videnskabelige teorier.

For endeligt at kunne bekræfte vores paradigme, er mørkt stof-tilhængere, som jeg selv, nødt til at fange eller skabe en mørkt stof-partikel, så vi kan bevise, at mørkt stof faktisk består af partikler.

Alt kan ske i mørket

Hvordan ser mørkt stof egentlig ud? Ja, det afhænger af din præference!

Det mørke stofs fortilfælde
  • Caloric var det tidlige 19. århundredes udgave af 'mørkt stof'.
  • Caloric var en hypotetisk substans, der opstod ud fra overvejelser omkring, hvad varme er.
  • Teorien blev dog senere forkastet, da termodynamikken blev formuleret

(Kilde: Niklas Grønlund Nielsen)

Listen over kandidater for, hvad den hypotetiske partikel består af, har et ufatteligt stort spænd.

Seriøse kandidater spænder fra alt lige fra partikler med en radius så stor som en galakse til ultrasmå partikler med en radius, som er en billiard (15 nuller) gange mindre end en proton.

Måske består det mørke stof slet ikke af partikler, måske er det små huller i rum og tid – de såkaldte primordiale sorte huller.

Alle eksperimenter, der sætter sig for at finde mørkt stof, skal derfor først vælge en hypotese og derefter bevise eller modebevise den.

Kandidatlisten er dog meget lang, og mange ideer kan slet ikke testes eksperimentelt med den nuværende teknologi.

The Usual Suspects: WIMP

Partikelfysikken har en lang og stolt tradition for at finde på fjollede navne til hypotetiske partikler. 

Et rigtig fjollet eksempel er en partikel, der bliver kaldt WIMP, og som på trods af det skvattede navn, er én af de stærkeste mørktstof-partikelkandidater.

Det mærkelige navn er faktisk et akronym for partiklens særlige egenskaber: Weakly Interacting Massive Particle (svagt vekselvirkende massiv partikel, red.).

Det betyder, at partiklen er massiv, og derfor graviterer den imod andre partikler eller objekter, imens den kun interagerer svagt med vores synlige verden.

mørkt stof rummet fysik partikler WIMP fænomen hypotetisk universet tyngdeloven gravitationseffekter teori hypotese Ockhams ragekniv antagelse direkte detektorer elektroner neutrioner

Den kosmiske tidslinje. Forskerne har endnu ikke formået at identificere, hvad mørkt stof rent faktisk består af, men de antager, at det mest består af eksotiske partikler, som eksempelvis WIMP, der blev skabt, da universet var en brøkdel af et sekund gammelt. (Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

WIMP blev skabt i ursuppen

I de allerførste splitsekunder efter Big Bang var vores univers utrolig varmt og tæt.

I denne ursuppe blev WIMPerne angiveligt skabt. Bevæbnet med viden om, hvordan vores univers ekspanderede og afkølede, kan vi nøjagtigt beregne antallet af WIMPer, der blev dannet under disse forhold.

Bemærkelsesværdigt nok resulterer denne beregning i et tal, der nøje matcher mængden af observeret mørk stof.

Med andre ord: Vi postulerer om en partikel med egenskaber, som vi forventer at finde i mørkt stof – og uden yderligere antagelser tilvejebringer vores viden om universets historie den rette mængde! Det er simpelthen for godt til ikke at være sandt.

Miraklernes tid er da ikke forbi, vel?

Dette utrolige sammentræf er blevet navngivet 'WIMP-miraklet' af WIMP-tilhængerne.

Mirakel er måske et lidt for stærkt ord, men WIMP-paradigmet leverer en ganske enkel løsning, der forklarer alt mørkt stof i ét hug, og som derved består Ockhams ragekniv; det filosofiske princip, at den forklaring, der kræver, at man antager mindst muligt, er den bedste. 

Bestil et gratis foredrag om Universets mørke stof

Niklas Grønlund Nielsen er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen – en del af Forskningens Døgn – og kan til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 20.-26. april. Det tilbud gælder også for de øvrige forskere i ordningen. 

Foredragets titel er 'Universets mørke stof' og kan bestilles her

Men endnu bedre end paradigmets enkelthed er, at vi rent faktisk kan teste det.

De selv samme vekselvirkninger, der er ansvarlig for skabelsen af WIMPerne, gør os i stand til at finde dem; via de såkaldte 'direkte detektorer'. 

Anstrengelserne har ikke været forgæves

Desværre har detektorerne, der blev bygget for at finde WIMPer, endnu ikke opsporet noget. På nuværende tidspunkt lader det til, at WIMP-miraklet har ledt os på vildspor.

Fysikerne håber stadig på at finde WIMPer, men hvis de nogensinde har heldet med sig, lader det til, at de vil se helt anderledes ud, end vi forventede.

Hvis WIMP derimod aldrig viser sig, har de direkte detektorer krydset én kandidat af listen – også selvom det har haft store omkostninger.

Som plaster på såret har jagten på WIMPer drevet detektor-teknologien til imponerende højder. Visse fremskridt er allerede blevet taget i brug inden for andre af fysikkens områder, som eksempelvis neutrinoer.

Så på trods af hovedmissionens skuffende udfald, har anstrengelserne altså ikke været forgæves.

mørkt stof rummet fysik partikler WIMP fænomen hypotetisk universet tyngdeloven gravitationseffekter teori hypotese Ockhams ragekniv antagelse direkte detektorer elektroner neutrioner

Verdens største og kraftigste accelerator, Large Hadron Collider ved CERN. I acceleratoren bliver protoner skudt afsted mod hinanden, så der opstår partikler, som ikke eksisterer under normale forhold. På denne måde håber forskerne at afsløre, hvordan universet egentlig hænger sammen. (Foto: CERN)

Ockhams ragekniv skærer ikke altid igennem

Den synlige del af vores univers består egentlig af ganske få ingredienser: Kvarker, leptoner (som elektroner og neutrioner) samt fire kræfter, der gør partikler i stand til at vekselvirke.

Det er disse beskedne byggeklodser, der skaber al mangfoldigheden – lige fra stjernerne på himlen til livet på Jorden. Det kan altsammen reduceres til komplicerede konfigurationer af disse enkle bestanddele.

Der findes ikke en grundlæggende årsag til, at den mørke del af vores verden skulle være mindre mangfoldig end den synlige del. 

Man kan endda forestille sig, at det mørke stof danner mørke stjerner, planeter og liv, der er helt og aldeles adskilt fra vores verden. For dem udgør vi det mørke stof!

Men det er et praktisk anliggende at søge efter mørkt stof, og det er svært at lede efter mere end én ting ad gangen. 

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Derfor har vi tendens til at holde fast ved Ockhams ragekniv og forsøge at finde det enklest mulige svar på spørgsmålet om mørk stof.

Gradvis forståelse snarere end stor opdagelse

Ockhams ragekniv er desværre ikke en matematisk lov, og naturen er ligeglad med, hvor 'sandsynlig' forskellige teorier er ifølge fysikere. 

Og muligvis vil vores forenklede modeller af mørkt stof give efter for en langt mere kompleks og rodet virkelighed.

Hvis det er tilfældet, kommer vi aldrig til at opleve opdagelsen af mørkt stof, men derimod en gradvis forståelse af de små brikker i et enormt puslespil.

Vi tror stadig, at mørkt stof består af partikler, der graviterer. Men det eneste, vi kan vide med sikkerhed, er, at det vil optage fysikere i de næste mange år.

Der er absolut ingen garanti for, at vi vil finde mørkt stof-partiklerne. Men hvis vi gør, kan det ændre vores forståelse af alting.

Læs artiklen på engelsk hos ScienceNordic. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

Videnskab.dk Podcast

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