Mørkt stof har hukommelse

Det udgør 80 procent af Universets samlede masse og er usynligt for det blotte øje. Hvad er det?

Astronomerne ved det stadig ikke og kalder det derfor konsekvent for ‘mørkt stof’. Men nu har danske kosmologer igennem omfattende studier af i alt 16 galaksehobe afsløret en helt unik egenskab ved det mørke stof, som én gang for alle slår fast, at det er noget helt for sig selv. Det kan på ingen måde bestå af almindelige, velkendte stofpartikler.

Opdagelsen er netop offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift The Astrophysical Journal.

»Som de første i verden har vi målt en bestemt egenskab ved mørkt stof, som viser, at det opfører sig fundamentalt anderledes end almindeligt stof. Det viser, at mørkt stof må bestå af en hidtil ukendt type partikler,« siger ph.d.-studerende i kosmologi Ole Høst fra Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet, der sammen med sin vejleder Steen H. Hansen fra selvsamme forskningscenter har været en af de store drivkræfter i studiet.

Hukommelsen er intakt

En galaksehob består af myriader af galakser, der bevæger sig rundt om det samme centrum. En hvilken som helst partikel i ansamlingen vil følge en sådan rotation og flytte sig om på den anden side af galaksehobens centrum i løbet af omkring 100 millioner år.

Almindelige stofpartikler er karakteriseret ved, at de støder ind i hinanden, hvis afstanden mellem dem bliver tilstrækkeligt lille. Sammenstødene slår de enkelte partikler ud af kurs, så de ikke længere kan ‘huske’, hvor de kommer fra, og hvor de var på vej hen. Den information, som de enkelte partikler bærer om deres fortid, bliver så at sige slettet fra deres ‘hukommelse’. Men kosmologernes studier af galaksehobene viser, at denne opførsel ikke gælder for mørkt stof. Tværtimod så er det mørke stof tilsyneladende det, som man kalder for kollisionsløst, dvs. at dets partikler ikke støder ind i hinanden.

Kosmologerne har længe haft en mistanke om, at det mørke stof netop var kollisionsløst, og derfor har de lavet nogle computersimuleringer af, hvordan partikler med denne egenskab vil opføre sig i tyngdefeltet for en galaksehob.

Herefter har de sammenlignet simuleringerne med deres observationer af, hvordan det mørke stof rent faktisk fordeler sig i galaksehobene.

Sammenligningen viste med al tydelighed, at det mørke stofs partikler ikke støder sammen, men bevæger sig helt uafhængigt af hinanden.

»Det mørke stofs partikler bliver tilsyneladende ved med at følge den samme bane rundt i galaksen, som den hele tiden har gjort og ænser ikke andre partikler. Møder de andre partikler på deres vej, så suser de lige igennem dem. Partiklerne i det mørke stof støder altså ikke ind i hinanden. De bliver ved med at ‘huske’, hvad der er op og ned og hvilken vej galaksehobens center ligger,« fortæller Steen H. Hansen og giver sig herefter i kast med at visualisere pointen.

Giv plads til det nye

Forestil dig, at du spiller pool og skyder en kugle afsted mod en anden kugle, der ligger på midten af poolbordet, siger han. Chancen for at ramme kuglen på bordets midte er ret stor, også selv om du ikke er verdens bedste poolspiller. Men sandsynligheden for at ramme kuglen falder markant, hvis begge kugler er mikroskopisk små. Jo mindre kuglerne er, des mere sandsynligt er det, at du rammer helt ved siden af og til sidst er chancen for at ramme stort set lig nul.

Mørkt stof-partiklerne opfører sig netop som mikroskopiske poolkugler. Almindelige stofpartikler derimod er langt større og har derfor også lettere ved at ramme andre partikler i nærheden.

I løbet af 100.000 år vil de almindelige partikler således være stødt ind i hinanden så mange gange, at de har glemt deres oprindelige bane. Mørkt stof partiklerne derimod støder ikke ind i hinanden. selv om der er gået flere milliarder år.

Det mørke stof har altså en anden adfærd end almindeligt stof, og derfor må det også bestå af en anden slags partikler.

»Almindelige stofpartikler opfører sig ordentligt i forhold til, hvad man forventer ud fra de ligninger, vi har. Men det gør de partikler, der udgør det mørke stof, ikke. De har en helt anden adfærd, og derfor må vi udvidde de eksisterende partikelteorier, så der bliver plads til de nye partikler,« siger han.

Den nye opdagelse fortæller altså noget nyt om, hvad mørkt stof er – eller rettere, hvad mørkt stof ikke er. Forskernes store problem har hidtil været, at de har haft et hav af mulige partikelkandidater at vælge imellem, men ikke har haft den tilstrækkelige viden om mørkt stof til at kunne sortere i dem.

Men nu har kosmologerne slået fast med syvtommersøm at mørkt stof-partiklerne ikke ‘snakker’ med andre partikler, og det gør sorteringsarbejdet betydeligt lettere. Nu kan de én gang for alle fjerne samtlige af de partikelkandidater fra listen, der udgør almindeligt stof.

Udelukker skyggeverden

Teoretisk set ville der være en mulighed for, at det mørke stof bestod af en hidtil ukendt partikel, der stort set opfører sig som almindelige stofpartikler.

Mørkt stof-partiklerne kunne eksempelvis have været en del af en skyggeverden, det såkaldte ‘mirror matter’, der reagerer som almindelige stofpartikler, blot med masser og vekselvirkninger, der er en faktor 1-100 gange anderledes.

Men da de danske kosmologer nu har vist, at det mørke stof virkelig har en anden adfærd end almindelige stofpartikler, kan de nu udelukke denne mulighed sammen med mange andre.

»I virkeligheden er vores måling betryggende, for de fleste observationer har indikeret, at det mørke stof opfører sig som ‘kollisionløst koldt mørkt stof’og vi har nu bekræftet ved en faktisk måling at det mørke stof vitterligt er kollisionsløst,« siger han og lægger ikke skjul på, at de bedste kandidater til det mørke stof nu er det forskerne kalder en ‘steril neutrino’ eller en særlig slags ‘supersymmetrisk partikel’.

Ingen af disse partikler er fundet endnu. Men i Steen H. Hansens forskergruppe leder kosmologerne lige nu efter signaler fra en steril neutrino, og ved den store partikelaccellerator på Cern, LHC, indleder fysikerne jagten på supersymmetriske partikler til efteråret.

»Hvis partikelfysikerne på Cern finder de supersymmetriske partikler, så er der meget stor sandsynlighed for, at det er disse partikler, der udgør det mørke stof,« slutter Steen H. Hansen.

De danske kosmologer har via to røntgenobservatorier XMM-Newton og Chandra i kredsløb om Jorden studeret i alt 16 galaksehobe, der typisk rummer store ansamlinger af mørkt stof.

Kosmologerne har nøje udvalgt disse galaksehobe fordi de er i harmoni og i ligevægt. Denne tilstand forenkler de fysiske ligninger og gør dem betydeligt lettere at regne på.

Havde kosmologerne valgt nogle galakser, der ikke havde været i ligevægt, så ville ligningerne være blevet uhyggeligt komplicerede.