Eksisterer mørkt stof overhovedet?

I knap 100 år har forskerne ledt efter 'mørkt stof'.

Vi kan ikke se det, og ingen ved, hvad mørkt stof og mørk energi egentlig er, men det er angiveligt, hvad størstedelen af universet består af.

Årsagen til forskernes vedholdenhed er, at ‘mørkt stof’ er nødvendigt for at forklare det faktum, at galakserne ikke lader til at følge fysikkens grundlæggende love.

Forskernes ihærdige forsøg på at finde mørkt stof har dog indtil videre været resultatløse.

Men der er andre tilgange, der muligvis kan forklare, hvorfor galakser opfører sig så mærkeligt.

Stjernerne roterer for hurtigt

Vores nye studie, publiceret i Journal of Cosmology og Astroparticle Physics, viser, at vi ved at tilpasse tyngdekravene til galaksernes enorme skala måske slet ikke har brug for mørkt stof.

Det var den schweiziske astronom, Fritz Zwicky, som i 1930’erne opdagede, at stjernerne roterer for hurtigt i forhold til galaksernes kendte masse.

Adskillige astronomer beskrev et lignende fænomen; eksempelvis Vera Rubin og Kent Ford, da de studerede stjernernes bevægelser ved Andromedagalaksens yderste kant.

LÆS OGSÅ: Hvad er mørkt stof?

Stjernernes hastighed langt fra galaksens midte vil ifølge teorien falde, fordi tyngdekraftens styrke mindskes.

Det skyldes ifølge Newtons 2. lov, Kraftloven, at den gravitionelle kraft af omkredsende masse er et produkt af dens masse og acceleration (som relaterer til hastighed).

Målingerne viste imidlertid, at hastigheden ikke faldt over afstand. Det fik forskere til at tro, at der skal være en usynlig masse, som holdt sammen på det hele, og som satte farten op.

I de seneste årtier indikerede utallige observationer af gravitationssystemer i en meget stor skala det samme problem.

Mørkt stof er fysikkens ultimative udfordring

Mysteriet om det mørke stof er stadig den grundlæggende fysiks ultimative udfordring.

Det store spørgsmål er, om der rent faktisk er tale om en manglende masse, en helt ny slags stof, eller om tyngdekraften ganske enkelt er anderledes over så gigantiske afstande, end teorien forudsiger.

Den første teori er ganske vist fristende, men det er endnu ikke lykkedes forskerne at finde mørkt stof.

Og selv om tyngdekraften er blevet testet i solsystemet, skal vi være varsomme med at ekstrapolere til skalaer, som er mindst en milliard gange større.

Et berømt forsøg på at afskaffe behovet for mørkt stof er Modified Newtonian Dynamics (MOND), der foreslår, at Newtons tyngdelov kun gælder ud til et vist punkt; i dette tilfælde galaksens yderste regioner.

LÆS OGSÅ: Se, hvor højt du kan hoppe på Månen og Mars

Stemmer ikke overens med kosmologisk standardmodel

Selv om MOND-teorien på mange måder passer, har den dog aldrig helt stemt overens med den kosmologiske standardmodel, der omfatter mørkt stof.

Hovedproblemet med MOND er, at teorien ikke forklarer problemet med den manglende masse i galakserne og galakseklyngerne på samme tid.

Endnu et stærkt argument mod MOND er baseret på observationer af kolliderende galakseklynger, hvor galaksernes respektive stjerner passerer gennem hinanden, men hvor gasskyernee holder sammen og forbliver tilbage.

Et berømt eksempel er Kugleklyngen (Bullet Cluster, red.) en klynge af galakser, der består af to mindre klynger, der er kollideret med hinanden.

Observationer indikerer, at mørkt stof følger stjernerne i forbindelse med sådanne hændelser, som har en mindre samlet masse end gasskyen.

MOND kan ikke forklare hvorfor, det forholder sig sådan.

LÆS OGSÅ: Hårdt slag mod teorier om mørkt stof

Brugte ny tilgang: Rumbobler

Vi satte os for at justere tyngdeloven på en anderledes måde.

Vores tilgang går ud fra, at en effekt kaldet Vainshtein screening er på spil.

Ifølge denne effekt kan en central masses tyngdeeffekt forstærkes over større afstande.

Denne effekt foreslår, at hvert eneste legeme i universet, som er tilstrækkelig kompakt, generer en usynlig sfære omkring sig, der bestemmer, hvordan fysikkens love agerer over afstand.

Sfæren er et teoretisk koncept, der hjælper os til at forstå forskellen mellem henholdsvis små og store skalaer, snarere end en egentlig fysisk membran.

Indeni boblen er den newtonske tyngdekraft (som vi kan observere i vores eget solsystem) ifølge vores teori last for objekter, der interagerer med den massive masse i midten.

Udenfor boblen indikerer vores teori at det centrale objekts gravitionelle kraft kan blive markant forstærket - også selv om der ikke er mere masse til stede.

LÆS OGSÅ: Hvad ved vi om mørkt stof?

Overraskende effekt

Denne effekt vil være proportional med den centrale masse.

Hvis en galakse i denne sfære har en radius på et par tusinde lysår (en afstand, hvor man typisk kan observere tegn på mørkt stof), så har vores sol en tilsvarende radius på 50.000 astronomiske enheder (50.000AU - 7.500 mia km) i denne sfære.

Men udkanten af solsystemet er blot 50 astronomiske enheder væk.

Der er med andre ord ikke andre objekter, vi kan observere så langt væk fra Solen for at teste, om Solen har en anderledes gravitionel kraft på dem end på Jorden.

Det er kun observationer af hele systemer meget langt væk, som gør det muligt.

Den overraskende effekt er, at størrelsen på den newtonske boble vokser med den indkapslede masse på en bestemt måde.

LÆS OGSÅ: Kæmpe kortlægning af mørkt stof

Tyngdeloven forandrer sig ved forskellige afstande

Det betyder, at tyngdeloven forandrer sig ved forskellige afstande i henholdvis galakser og galakseklynger, og derfor kan det forklare den tilsyneladende forekomst af mørkt stof i begge på samme tid.

Det er ikke muligt med MOND. Desuden stemmer det overens med Kugleklyngen.

Det skyldes, at gasskyerne efterladt i forbindelse med kollisionen ikke er kompakte nok til at generere en sfære rundt om dem - hvilket betyder, at det tilsyneladende mørke stof kun er bemærkelsesværdigt omkring de mere kompakte stjerner.

MOND skelner ikke mellem stjerner og gasskyer.

Til vores store overraskelse kunne vores teori forklare stjernernes hastighed i galakser meget bedre end Einsteins generelle relativitetsteori, hvilket gør det muligt for mørkt stof at eksistere.

Så der kan faktisk være mindre mystisk mørk stof derude, end vi troede - og måske endda slet intet.

Fremtidige planer

Vi har planer om at undersøge dette interessante fænomen nærmere.

Det er muligvis også ansvarligt for den store variation af galaktisk bevægelse, som vi indsamler mere og mere evidens for.

En massiv masse krummer rum og tid omkring sig, og som følge bøjer lysstråler sig tilsyneladende omkring massen i stedet for at bevæge sig i en lige linje.

Denne effekt kaldes gravitationslinseeffekten.

Det ville være ekstremt interessant ud fra vores fund at teste observationer af præcis gravitationsafbøjning af lys fra individuelle galakser, men det er en meget vanskelig måling.

Vores teori forudsiger en stærkere afbøjning af lys for meget kompakte galakser, og det ville være spændende, hvis det en dag kunne blive enten bekræftet eller afkræftet af målinger.

Juri Smirnov modtager støtte fra Danmarks Grundforskningsfond. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

LÆS OGSÅ: På jagt efter universets gemte stof i Mælkevejens halo

LÆS OGSÅ: Den mystiske mørke energi, der fremskynder universets udvidelse

LÆS OGSÅ: Astronomiens 10 største opdagelser