Mörk materia syns inte men finns där ändå

Två stora, tänkta moln av mörk materia kring galaxhopen MACS_J0025.4-1222 uttryckta i blått.

Med ”mörk” menar vi att de partiklar den mörka materien består av inte kan detekteras med de instrument vi förfogar över i dag. Därför är den fördold, mörk. Men kanske vi kan komma att se den i framtiden.

Tankar kring den mörka materien har i grunden förändrat vår syn på hur universum är uppbyggt. Den nya kunskapen kommer att bli till en uppsättning nya kartor över himlen.

Det mesta av massan i universum syns inte. Det enda vi kan se är baryoner, nämligen de partiklar som utgör allt det synliga, påtagliga i universum, som vi själva, eller närmare bestämt: fritt väte och helium (3 %), stjärnorna (0,5 %), neutrinerna (0,3 %), svarta hål (0,03 %) och tyngre element som jorden och sånt (0,03 %).

I jordens centrum?

För att försöka förstå hur den mörka materien fungerar träffar vi Anna Davour, vetenskapsjournalist och doktor i fysik med specialområdet astropartikelfysik, som både arbetat med detektorn Picasso i Kanada och med neutrinoteleskopet Amanda på Sydpolen.

– Jag kom in i forskningen kring mörk materia via neutrinofysik. Jag blev intresserad av hur man detekterar saker som är svåra att upptäcka, som neutriner, som är kluriga att hitta. Därför sökte jag till Amanda, som är en neutrinodetektor på Sydpolen, berättar hon.

– Signalerna från de neutriner man upptäcker kan analyseras på olika sätt och man kan söka efter olika signaturer, men jag halkade över på att försöka mäta om det finns mörk materia i jordens centrum.

Enligt tidigare beräkningar verkade det som att när jorden, på sin bana genom rymden, sveper igenom den mörka materia som man tänker sig fyller vår galax, skulle en del av de mörka partiklarna ibland kunna kollidera med atomkärnor i jorden, tappa lite energi och hamna i bundna banor kring, eller genom, jorden och göra om det flera gånger och genom årmiljonerna till slut hamna mitt inne i jorden.

Om jorden efter 4,5 miljarder år sopat ihop tillräckligt många mörka partiklar skulle de kunna reagera med varandra och bilda andra partiklar, till exempel neutriner, som kan komma ut och detekteras i Amanda.

– Så jag arbetade med att se om det kom så många extra neutriner från jordens inre att det skulle kunna tyda på att det fanns mörk materia där inne. Men jag hittade inga, säger Anna Davour.

Sökande i tre steg

Sökandet efter mörk materia kan indelas i tre pedagogiska steg:

Steg 1: Man måste inse att det är något fundamentalt fel på vår nuvarande modell av universum, och vad som är fel.

– Varför tänker vi över huvud taget på mörk materia? Fysikern Fritz Zwicky gjorde mätningar på galaxhopar redan på 1930-talet och fann att de inte borde vara hopar eftersom de roterade så fort att de borde flyga isär. Om det inte var så att det fanns mera massa som höll ihop dem, säger Anna Davour.

Under 1970-talet gjorde Vera Rubin noggranna mätningar på enskilda galaxer och kunde konstatera samma sak: de roterar så fort att de yttre stjärnorna borde fara iväg om de inte hölls kvar av mycket mer massa än det ser ut att finnas.

Väldigt noggranna mätningar

Under 1990-talet började en era med precisionsastronomi och vi fick väldigt noggranna mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen.

– Bakgrunden har variationer, och variationerna breder ut sig som fläckar av olika storlekar, vars utsträckning beror på bland annat hur mycket massa det fanns när bakgrundsstrålningen uppstod. Vi kan inte förklara de relativa storlekarna av de här fläckarna på annat sätt än att det finns mera massa än de atomer vi kan se. Och de partiklar som är ansvariga för den extra massan skulle då ha bildats samtidigt som alla de vanliga partiklar vi känner till, säger Anna Davour.

Steg 2: Man måste komma fram till vad den nya materian kan bestå av, och skapa teorier kring det.

– Den standardmodell vi har av partikelfysiken, kartan över alla elementarpartiklar, stämmer väldigt bra, men det finns saker som inte kan förklaras med standardmodellen, som exempelvis vilka massor partiklarna har. Vi kan mäta massorna, men de finns inte med i teorin.

Den mörka materien ger en pusselbit för dem som hoppas att förklara det här. Så teoretikerna satte sig ned och klurade ut olika modeller för partiklar som kunde innehålla tillräckligt mycket massa.

– Man kan få ledtrådar ur simuleringar också. Sådana ger vid handen att partiklarna måste vara tillräckligt långsamma för att kunna vara med och forma galaxer och inte bara fara iväg. På så sätt sätter man upp gränser för hur partiklarna borde vara beskaffade. Eftersom vi inte kan se partiklarna växelverkar de väldigt svagt med materia, men de måste vara mycket tunga, alltså kallas de wimp, weakly interacting massive particles, säger Anna Davour.

Måste hitta metoder

Steg 3: Man måste hitta metod­er att detektera den mörka materian och bevisa att teorierna är riktiga.

– Man söker efter mörk materia på två sätt: direkt och indirekt detektion. Vid indirekt detektion söker man efter signaler från ställen där det kan tänkas finnas extra mycket mörk materia, med till exempel detektorn Amanda. Vid direkt detektion vill man fånga upp en mörk materiapartikel i sin detektor, som till exempel i Picasso (se nedan). Sökningen pågår på många ställen jorden runt och har pågått ganska länge, berättar Anna Davour.

Det gäller att konstruera ett experiment som skulle kunna detektera en okänd partikel X som växelverkar enligt teorin Y med vanlig materia. Men det finns många teorier och därför blir det många Y som man måste försöka mäta upp.