Hvad består universet af?

Når vi med vores teleskoper ser ud i universet, skulle det være let at svare på, hvad universet består af.

Vi kan jo direkte se, at der er stjerner og galakser samt store skyer af gas og støv, der med tiden bliver til nye stjerner. Det meste af universet er naturligvis bare et tomt rum, hvor kun enkelte atomer driver rundt, så det virker meget naturligt ikke at regne det med.

Men så simpelt er det ikke.

Alt tyder på, at det univers, vi direkte kan se, kun udgør toppen af, hvad man kunne kalde et kosmisk isbjerg. Ifølge de nyeste tal udgør stjerner, galakser og gasskyer kun 5 procent af hvad der findes i universet, og det tomme rum indgår i det samlede regnskab.

Det er nemlig slet ikke er så tomt endda.

Det mørke univers

I de sidste 30-40 år er vi gradvist kommet frem til erkendelsen af, at langt det meste af universet er usynligt for os.

Astronomerne er begyndt at tale om et ’mørkt’ univers, der består af mørkt stof og mørk energi. Selv om vi hverken kan se det mørke stof eller den mørke energi, så er der ret sikre beviser på, at begge dele findes.

Udforskningen af det mørke univers er blevet én af de vigtigste opgaver i astronomien, og det forstår man godt. For ifølge de nyeste modeller består universet i runde tal af:

• 5 procent ’almindeligt’ stof. Det er det stof, vi kan se i form af stjerner og galakser
• 27 procent mørkt stof, som vi ikke kan se
• 68 procent mørk energi, som findes i dét, vi tidligere kaldte det tomme rum

At energi regnes med på lige fod med stof skyldes Einsteins berømte ligning E = m∙c2, hvor en energi (E) svarer til en masse (m), og c er lig lysets hastighed.

Fylder man det tomme rum med energi, kommer energien i regnskabet til at svare til en masse, selv om det ikke er en masse, man kan tage og føle på i form af partikler – men matematisk går det fint.

På grund af navnene er det let at forveksle mørkt stof og mørk energi, og selvom de kan være beslægtede, er deres virkninger ret forskellige.

Kort sagt: Mørkt stof tiltrækker, mørk energi frastøder. Mens mørkt stof trækker stof indad, skubber mørk energi det udad.

Det mørke stof viser sig alene ved dén tyngdekraft, det skaber og påvirker bevægelsen af både stjerner og galakser.

Den mørke energi viser sig ved, at den frastøder, og at det gradvist får universet til at udvide sig i stadig højere fart.

Problemet er, at vi i dag ikke ved, hvad disse navne præcist dækker over. Som man siger på engelsk: Naming is not the same as explaining – et navn er bestemt ikke det samme som en forklaring.

Men lad os se lidt på beviserne på, at mørkt stof og mørk energi findes.

Det mørke stof

Det allerførste tegn på, at der findes noget stof i universet, som vi ikke kan se, var observationer af en galaksehob helt tilbage i 1930’erne.

Galakserne i hoben bevægede sig for hurtigt til, at den samlede tyngdekraft fra galakserne kunne holde sammen på hoben. Der måtte simpelthen være en ekstra tyngdekraft fra noget stof, vi bare ikke kunne se.

Derefter gik der mange år, før det næste skridt blev taget, især af astronomen Vera C. Rubin (1928-2016). Hun har lagt navn til både et stort observatorium og en asteroide.

Vera Rubin gennemførte i 1970’erne et omfattende studie af, hvordan stjerner bevæger sig i yderområderne af en galakse. Hun begyndte med vores nabogalakse Andromeda, men kom også til at studere vores egen Mælkevej.

Det var disse målinger, som endeligt fastslog, at mørkt stof eksisterer.

Ser vi på vores egen Mælkevej, så har den form som en flad skive med en diameter på omkring 100.000 lysår. Alle stjerner kredser om Mælkejens centrum.

Hvis tyngdekraften i Mælkevejen alene skulle stamme fra de stjerner, vi kan observere, så var der ingen tvivl.

Hovedparten af Mælkevejens stjerner befinder sig nær centret, så ifølge Newtons tyngdelov måtte de stjerner, der er tættest på centret bevæge sig langt hurtigere end stjernerne i Mælkevejens yderområder.

Det svarer til, at Jorden bevæger sig langt hurtigere rundt om Solen end den fjerne Pluto.

Solens afstand til Mælkevejens centrum er 26.000 lysår, og Solen bevæger sig rundt om Mælkevejens centrum med en fart på 230 kilometer i sekundet.

Man havde derfor forventet, at stjerner med større afstand til Mælkevejens centrum end Solen ville bevæge sig langsommere. Men målingerne viste, at stjerner selv meget langt fra centret bevæger sig med stort set samme fart som Solen.

Dette resultat kunne ikke forklares uden at antage, at der var en ekstra tyngdekraft fra stof, vi ikke kunne se. Det var simpelthen nødvendigt at postulere, at en stor ‘halo’ (der direkte kan oversættes til ‘glorie’) af mørkt stof omgiver Mælkevejen.

Haloen kan være 10 gange så massiv som den lyse skive, så den bidrager med en stærk tyngdepåvirkning.

Det samme er tilfældet i mange andre galakser, og, som man opdagede allerede i 1930’erne, gælder nøjagtigt det samme for galaksehobe – deres tyngdekraft er langt stærkere end det kombinerede træk fra alle deres synlige stjerner og gasskyer.

Men hvis det mørke stof består af partikler, så er det efterhånden blevet et problem, at vi indtil nu ikke har fundet selv det svageste spor af disse partikler.

Der er også fremsat en teori om, at mørkt stof slet ikke findes, men at det i stedet er vores forståelse af Newtons tyngdelov, der er noget i vejen med – den såkaldte MOND-teori.

MOND-teorien har i dag ikke mange tilhængere. Observationerne tyder i høj grad på, at der virkelig er tale om en form for stof. Men det kan næppe dreje sig om partikler af en type, vi kender fra laboratoriet.

Det er næsten sikkert, at der ikke er tale om den type atomare partikler, der kaldes baryoner. Protoner og neutroner er eksempler på baryoner, men de vil absorbere stråling, og det gør mørkt stof ikke.

Mørkt stof kan heller ikke være antistof, fordi vi ikke ser de gammastråler, der produceres, når antistof og stof mødes.

Der er i dag to hovedteorier for mørkt stof.

Ifølge den ene består mørkt stof af nogle ret tunge og langsomme partikler kaldet WIMPS, der står for Weakly Interacting Massive Particles.

Den anden teori bygger på egenskaber ved nogle små partikler kaldet Axions næsten uden masse. Hverken WIMPS eller Axions er dog påvist i laboratoriet.

\ Læs mere

»Bizart«: Astronomer finder for første gang galakse næsten uden mørkt stof

Mørk energi

Hvis mørkt stof var mærkeligt, så er det intet mod den mørke energi.

Hvis vi en dag finder de partikler, som udgør det mørke stof, så er dette problem mere eller mindre løst. Derimod har vi absolut ingen idé om, hvad mørk energi er, eller hvordan begrebet kan indpasses i fysikkens nuværende verdensbillede.

Indtil 1998 var alle enige om én ting: Der har været et Big Bang, der skabte et univers, som udvider sig.

Men udvidelsen ville efter vore forventninger gradvist blive langsommere, fordi udvidelsen bremses af tyngdekraften mellem galakserne.

Men da man så fik målt bevægelsen af nogle meget fjerne galakser ved at observere deres supernovaer, opdagede man noget uventet.

Det centrale var, at man ved at måle den såkaldte rødforskydning af lyset fra en supernova i en fjern galakse kan se, hvor stort universet var, da lyset blev udsendt fra galaksen.

Som eksempel ser vi på en supernova i en galakse, hvor rødforskydningen fortæller, at lyset blev udsendt, da universet var halvt så stort som i dag. I den tid lyset har været undervejs, er universet altså vokset til den dobbelte størrelse. Den tid lyset har været undervejs, er naturligvis bestemt af afstanden til galaksen.

Det er klart, at vi modtager svagere lys, jo længere borte galaksen er.

Målingerne viste så, at vi ikke modtog så meget lys fra fjerne galakser som forventet ud fra det klassiske Big Bang, hvor udvidelsen af universet for milliarder af år siden har været hurtigere, end den er i dag.

Målingerne viste altså, at lyset i stedet havde været længere tid undervejs end forventet. Den eneste mulige forklaring er, at universet tidligere har udvidet sig langsommere, end det gør nu. Den mest logiske forklaring er, at universet udvider sig stadig hurtigere på grund af frastødende kraft i universet.

Det er denne kraft, vi i dag kalder for mørk energi.

Det er dog vigtigt at gøre sig en ting klart: At universet virkelig udvider sig stadig hurtigere, er noget, som vi direkte kan bekræfte ved observationer.

Mørk energi er derimod et begreb, som er indført for at forklare observationerne. Som vi lidt senere skal se, kan der argumenteres for, at det slet ikke er nødvendigt at indføre dette begreb.

Det første forsøg på at forklare den mørke energi er blevet helt berømt, fordi en beregning aldrig har ramt så meget ved siden af al forventning, og det selv om vi brugte kvantemekanikken, der jo er en af grundpillerne i moderne fysik.

I kvantemekanikken er et ’tomt rum’ faktisk fuld af midlertidige (’virtuelle’) partikler, der konstant dannes og derefter forsvinder. Men da fysikere forsøgte at beregne, hvor meget energi dette ville tilføre tomrummet, kom svaret helt forkert ud – meget forkert.

Tallet kom ud 10¹²⁰ gange for stort.

Det er et 1-tal med 120 nuller efter sig, og hvis mørk energi virkelig var så stærk, ville den udvide rummet så hurtigt, at individuelle atomer ville blive adskilt af store afstande, og stjerner og galakser ville ikke være i stand til at dannes.

Det er klart, at vi ser ud til at mangle noget grundlæggende teori.

Derfor fortsætter mysteriet. Der er naturligvis kommet flere – ret spekulative – teorier til, men sagen er, at vi bare ikke er kommet løsningen nærmere. Vi vil dog lige se lidt nøjere på et af forslagene, der er fremsat her i Danmark i 2021 af lektor Steen Harle Hansen, fra DARK Cosmology Centre på Niels Bohr Instituttet.

\ Læs mere

Store opdagelser: Mørk energi

Er der en sammenhæng mellem mørkt stof og mørk energi?

For tiden har vi jo to ubekendte begreber, når vi søger at forklare hvad universet består af, nemlig mørkt stof og mørk energi. Grundlæggende i den nye danske teori er, at vi muligvis kan nøjes med det mørke stof, hvis det har en bestemt egenskab.

I denne pressemeddelelse beskriver Steen Hansen selv sin teori:

»Hvis det, vi har fundet, er rigtigt, betyder det, at det, vi troede 70 procent af universets energi bestod af, ikke findes. Vi har taget mørk energi ud af ligningen og givet mørkt stof lidt flere egenskaber, og det viser sig at have den samme effekt på universets udvidelse som mørk energi.«

»Vi ved ikke ret meget om mørkt stof, andet end at det er en tung og langsom partikel. Men så tænkte vi – hvad hvis mørkt stof har noget der minder om magnetisme i sig? Vi ved jo, at normale partikler, der bevæger sig, skaber magnetisme. Og magneter trækker eller skubber jo som bekendt i andre magneter – så hvad hvis det er det, der sker med universet? At det konstant udvides af mørkt stof med en slags magnetiske kræfter?«

»Vi lavede en model, der antog, at mørkt-stofs-partiklerne havde en form for magnetisk kraft og undersøgte, hvilken effekt, det ville have på universet. Og det viser sig, at det ville have den præcis samme effekt på hastigheden af universets udvidelse, som vi kender det fra mørk energi.«

Det magnetiske mørke stof er blot er et af de mange forsøg på at skabe en teori.

Man kan sige, at det nok altid er lidt dristigt at forsøge at forklare et ukendt fænomen (mørk energi) ved at tilskrive det lige så ukendte mørke stof nogle bestemte egenskaber.

Teorien skal tages som et eksempel på, hvor meget der arbejdes på at forstå universets grundlæggende opbygning. De kommende års udvikling bliver helt sikkert meget spændende.

Men det er da tankevækkende, at vi umiddelbart kun kan se og sanse 5% af universet.

Den udvikling var der næppe nogen af de tidligere generationer af astronomer, der havde forestillet sig.

\ Læs mere

Hvad er mørkt stof?

\ Læs mere

Hvad ved vi om mørkt stof?

\ Læs mere

Eksisterer mørkt stof overhovedet?