Verden omkring os består af et væld af forskellige objekter fra æbler og myrer til planeter og mennesker. Set med det blotte øje lader objekterne til at være ret forskellige. Men i virkeligheden er alt, vi ser i verden omkring os, opbygget af nogle få typer af elementære byggeklodser.
Så vidt vi ved, kan disse såkaldte elementarpartikler ikke nedbrydes til noget mindre. Til gengæld kan de bruges til at opbygge alt andet i universet.
Ligesom vi mennesker kan opleve verden via vores fem sanser, kan elementarpartiklerne ’sanse’ og påvirke hinanden via naturkræfterne: Elektromagnetismen, tyngdekraften og den stærke og svage kernekraft.
Alt, der sker i den fysiske verden, kan koges ned til elementarpartiklerne, der påvirker hinanden via naturkræfterne, og vores teori for elementarpartiklerne og deres vekselvirkninger gør det muligt for os at beskrive verden omkring os. Dette er verden, som vi kender den.
Mysteriet om det mørke stof
Så langt, så godt. Der er dog en hage: De kendte elementarpartikler udgør kun omkring 15 procent af alle de partikler, der er i universet. Resten af partiklerne kalder vi ’mørkt stof’. Så har de ukendte partikler fået et navn, og vi kan snakke om dem.
De seneste årtier har vi set utallige mørkt stof-detektorer blive sat op både på, under og over jorden.
Indtil videre har detektorerne ikke målt en eneste mørk stof-partikel, og mørkt stof udgør derfor stadig et af vores største videnskabelige mysterier.
\ Læs også
Teorien om hullerne i lysets motorvej
Der er derfor god grund til at se nærmere på enhver idé om, hvordan vi kan lære mere om disse usynlige partikler.
Sammen med en finsk kollega, har jeg afprøvet en teori, der involverer lysets bane.
I fysik og astronomi beskriver vi normalt lysets bane igennem universet som en jævn motorvej. Men universet er fyldt med usynlige partikler, det mørke stof, der laver huller i vejen, som gør vejen besværlig at navigere for lyset.
Den ujævne vej fører til potentielt observerbare effekter, der i sidste ende kan bringe os ny viden om det ellers usynlige mørke stof.
Det forklarer jeg i denne artikel – men først skal vi omkring rumtidens krumning.
Rummet krummer
Mørkt stof har fået sit navn, fordi det ikke vekselvirker med lys. Vi kan dermed ikke ’se’ mørkt stof, som derfor hverken er mørkt eller lyst, men usynligt.
I praksis betyder det, at lys kan passere frit igennem mørkt stof uden at opdage, at det mørke stof findes, og uden at det mørke stof mærker lyset. Men måske er virkeligheden lidt mere kompliceret.
Vores bedste forståelse af tyngdekraften hedder ’generel relativitetsteori’. Denne teori blev fremlagt af Albert Einstein i 1915 og handler grundlæggende om, at det vi opfatter som tyngdekraft i virkeligheden er et udtryk for, at rumtiden krummer omkring os.
Rumtidskrumninger bliver hurtigt lidt abstrakte, men vi kan få en udmærket intuitiv forståelse af dem ved at tænke på et stræklagen, der holdes udstrakt.
Hvis vi kaster en appelsin ind på stræklagnet, vil der komme en fordybning i lagnet dér, hvor appelsinen lander. Det er sådan, vi skal tænke på rumtidskrumninger (og dermed på tyngdekraften): Fordybninger i et stræklagen.
Lysets motorveje
Via diverse teleskoper og satellitter modtager vi lys fra astronomiske objekter som stjerner og galakser. Dette lys har bevæget sig over enorme afstande for at nå fra sin stjerne til vores teleskoper.
Ifølge generel relativitetsteori følger lyset nogle helt bestemte baner igennem universet. Banernes tekniske navn er nul-geodæter, men vi kan tænke på dem som en slags motorveje, som kun lyset er hurtigt nok til at bruge.
Ligesom en motorvej, der går igennem det danske landskab og følger markernes bakke og dale, kan lysets motorveje have bløde buler, fordybninger og sving. Disse kommer fra rumtidskrumningen omkring stjerner og galakser.
I et studie viste vi (min finske kollega og jeg) for et par år siden, at det ikke kun er astronomiske strukturer, der påvirker lysets bane. Små strukturer som enkelte mørkt stof-partikler gør også – i hvert fald i princippet.
Bump på vejen
Ifølge de fleste teorier for mørkt stof-partikler, er deres masse samlet i et meget lille område, ligesom de kendte elementarpartikler. Med andre ord: mørkt stof-partikler er formentlig meget små.
Medmindre mørkt stof-partiklerne også har meget små masser, vil de derfor også have en stor massetæthed.
Denne massetæthed vil give en meget lille og meget dyb fordybning i rumtiden omkring hver enkelt partikel. Fordybningerne kommer faktisk til at minde lidt om søm, der stikker op af en ellers jævn vej – bortset fra at der er tale om fordybninger frem for toppe/spidser.
Mørkt stof laver dermed områder i rumtiden, hvor rumtidskrumningen ændres meget henover en ultrakort strækning.
De omvendte søm
Den traditionelle forståelse af lysets motorvejsbaner er, at der skal meget store samlinger af masse til, for at den resulterende rumtidskrumning kan mærkes.
I denne traditionelle forståelse antager vi, at rumtidskrumningen ændres meget langsomt, det vil sige kun over store strækninger. Det har tilladt fysikere at simplificere ligningerne, der beskriver lysets bevægelse igennem universet. Det er netop disse simplificeringer der viser, at lyset suser rundt på nul-geodæterne vi her kalder `motorveje`.
Men mørkt stof-partikler vil netop lave meget store ændringer i rumtidskrumningen over meget små afstande: Det stik modsatte af, hvad vi normalt antager, når vi beskriver lysets baner igennem universet. De gængse simplificeringer gælder derfor ikke, hvis lys bevæger sig igennem tunge mørkt stof-partikler.
For at medtage muligheden for at rumtidskrumninger kan ændres over meget korte strækninger, måtte vi droppe de gængse simplificeringer.
Vores mere komplicerede udregninger viser, at de ´omvendte søm´ kan skubbe lyset af dets motorvej og ud i nogle helt andre baner, hvor lyset for en kort periode bevæger sig langsommere end når de befinder sig på deres sædvanlige motorveje.
Ny viden om mørkt stof
Mørkt stof-partiklernes fordybninger har så stor en betydning for lysets bane, at vi faktisk kan bruge effekten til at lære om mørkt stof.
En vigtig detalje omkring fordybningerne er, at de bliver dybere, jo tungere partiklerne er. På nuværende tidspunkt aner vi ikke, hvad massen af en mørkt stof-partikel er, og partiklens masse er lige netop en af de grundlæggende partikel-egenskaber, som fysikere gerne vil kende.
Men da vi på papiret udregnede, hvordan fordybningerne påvirker vores astronomiske observationer af lysstråler, konkluderede vi, at massen af en enkelt mørkt stof-partikel nødvendigvis må være meget lille.
Faktisk så lille, at vi kan udelukke en stor del af de teorierne om, hvad mørkt stof er.
Hvis partiklerne havde en større masse, ville effekten af deres tilhørende fordybninger/søm på lysets motorveje nemlig have været så stor, at det ville forvrænge vores astronomiske observationer i en sådan grad, at vi for længst ville have opdaget, at den var helt gal med vores forståelse af lysets udbredelse i universet.
Men astronomiske observationer viser ikke tegn på de effekter, som vi har udledt, skal komme fra mørkt stof, og det må betyde, at mørkt stof partikler hver især har en forholdsvis lille masse.
Kun hvis hver enkelt mørkt stof-partikel har en meget lille masse, vil sømmene/hullerne i motorvejene nemlig bliver så små, at lyset ikke mærker dem, og vores forudsete effekter bliver umålelige i astronomiske observationer.
Holder vores teori?
De manglende observationer af sømmenes effekter på lys kan dermed betyde, at mørkt stof har en meget lille masse. En anden mulighed er naturligvis, at vores teori ikke holder. Fysikere har endnu ikke en komplet forståelse af, hvordan rumtidskrumningerne opfører sig omkring enkelte partikler.
Til vores udregninger blev vi derfor nødt til at indføre nogle antagelser. Til udregningen af lysets baner tog vi udgangspunkt i den gængse teori om lys, som hedder Maxwells ligninger (i en udgave tilpasset generel relativitetsteori).
Selvom vi godt ved, at Maxwells teori nok ikke giver det helt rigtige svar, udgør den det bedste udgangspunkt, vi har til rådighed.
\ Læs også
Problemet med Maxwells ligninger er, at de beskriver lys som en bølge. Lyset, der udsendes fra en stjerne, kan dermed beskrives ligesom ringene af bølger, der opstår i vandet, når man for eksempel smider en sten i en sø.
Når sådan en lysbølge udbreder sig i universet og igennem områder med mørkt stof, vil bølgen ikke kunne undgå at ramme ind i partiklernes omvendte søm-fordybninger i rumtiden.
Men hvad nu hvis lys ikke er en bølge men er opbygget af partikler?
Lysets byggesten
Vores bedste forståelse af lys er faktisk, at det er opbygget af partikler kaldet fotoner, selvom det i nogle tilfælde opfører sig som bølger, ligesom Maxwells ligninger foreskriver.
Når vi skal regne på, hvilken effekt mørkt stof-partikler har på lyset, bliver vi nødt til at overveje, om lyset skal beskrives som en bølge eller som en stråle af partikler.
Hvis lyset beskrives som en stråle af fotoner, der sendes igennem en sky af mørkt stof-partikler, vil det formentlig kun være en lille brøkdel af fotonerne, der rammer en mørkt stof-partikel, og dermed skubbes af motorvejen.
Hvor lille en brøkdel der er tale om, og hvad det har af betydning for lysstrålen som helhed, arbejder jeg stadig på at finde ud af.
Studiet med min finske kollega er det første af sin slags. Selvom vi i dag arbejder videre på idéen, blandt andet via computersimuleringer, er der en lang vej endnu, før vi ved præcist, hvor meget (eller lidt) vi kan lære om mørkt stof ved at sstudere lysets vej igennem universet.
