Den mörka materien

Jörgen Städje
2 månader sedan

Det är faktiskt mörker på riktigt. Ingen vet vad den mörka materien består av, bara att den måste finnas där, annars skulle alla galaxer flyga isär mycket fortare än de gör idag. Tanken är att den mörka materien skapades vid Big Bang precis som den vanliga, synliga materien och att den finns kvar än idag fast den inte syns.

Med mörk menar vi att de partiklar den består av inte kan detekteras med de instrument vi förfogar över idag. Därför är den fördold, mörk. Kanske vi kan komma att se den i framtiden.

Mörk materia. Ett av universums största mysterier. Två stora, tänkta moln av mörk materia kring galaxhopen MACS_J0025.4-1222 uttryckta i blått.

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.

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.

Anna Davour, partikelfysiker från Uppsala.

– Jag kom in i forskningen kring mörk materia via neutrinofysik, säger Anna. 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. 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.

Sökandet efter mörk materia kan indelas i tre pedagogiska steg.

1. Något är fundamentalt fel…

Först måste man 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 mätte 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. 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 hålls kvar av mycket mer massa än det ser ut att finnas. 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 om det inte fanns mera massa än de atomer vi kan se. Och de partiklar som är ansvariga för denna extra massa skulle då ha bildats samtidigt som alla de vanliga partiklar vi känner till.

2. Vad kan materian bestå av?

Sedan måste man komma fram till vad den nya materian kan bestå av och framkasta teorier kring detta.

– 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 detta. 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. Simuleringar 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.

3. Hu ska man detektera materian?

Sedan måste man hitta metoder att detektera den mörka materian och bevisa att teorierna var riktiga.

– Man söker efter mörk materia på två sätt: direkt och indirekt detektion, säger Anna. 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.

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. Teorin kan exempelvis förutsäga att två WIMP-ar kan annihilera varandra och ge en skur av andra partiklar som resultat, som man kan detektera. En förutsägelse påstod att det borde finnas mängder av WIMP i galaxens centrum. Därför tittar astronomer ditåt för att se om det kommer till exempel gammastrålning eller positroner därifrån, som kan vara tecken på annihilering. Men hittills är frågan inte avgjord.

Om gravitationen är WIMP-ens enda växelverkan kommer inget av våra experiment att kunna ge resultat. Vi får hoppas att det inte är så.

Picasso lever!

Så här ser detektorn Picasso ut, nere i sitt gruvhål. Det gröna och vita är lådor som innehåller vatten för att skärma av detektorn från neutroner som kommer ur berget nere i gruvan. Det kommer in neutroner i detektorn ändå och bildar en bakgrundsnivå, men man har lärt sig hantera den. Bild: Snolab.

Om man nu antar att den mörka materien faktiskt kan växelverka med vanlig materia i till exempel en direktträff WIMP mot atomkärna kan man bygga ett experiment som Picasso (Project In CAnada to Search for Supersymmetric Objects).

Anna har kopplat ihop mätkärlen i Picasso. Här ser du en värmeisolerad kub med fyra detektorelement fyllda med gelé och freonbubblor. De fyrkantiga metallbitarna är mikrofonerna som ska lyssna efter kokande bubblor. Den gula vätskan är oljan som pumpas ned för att hålla ett konstant tryck i mätkärlet. Bild: Snolab.

Anna har varit med och byggt upp detektorn Picasso djupt nere i en gruva i Kanada. Principen är i stil med bubbelkammaren, en av de allra första detektorerna för radioaktiva partiklar. En bubbelkammare är fylld med överhettad gas, strax över kokpunkten (oftast väldigt låg temperatur, a la flytande väte). Vätskan är då instabil och vill gärna koka. När en partikel kommer in i kammaren drar den ett joniserat spår efter sig i gasen och frisätter energi kring vilket det bildas bubblor. Partikeln kan man inte se, men bubbelspåret går att se. 1960 års nobelpris i fysik som blev resultatet för uppfinnaren Donald Glaser gick också att se.

Picasso består av totalt 12 fyrkantiga lådor med 4 detektorelement vardera, omgivna av en neutronskärm av vatten. Elementen hålls vid en bestämd temperatur och tryck av en styrdator, medan en mätdator samlar upp alla händelser, alla brustna bubblor. Data förs vidare upp till markytan för statistisk bearbetning. För att i möjligaste mån eliminera kosmisk strålning befinner sig Picasso 2000 meter ned i urberget i en gruva i Kanada.

Picasso är som massvis med små mikrometerstora bubbelkammare inbäddade i gelé. Picasso-bubblorna består av freon som hålls vid en sådan temperatur och tryck (ungefär rumstemperatur och -tryck) att de egentligen skulle ha kokat bort, men eftersom väggen mot gelén är väldigt slät finns det inga störande lågenergipunkter där kokningen kan börja spontant genom spetseffekt. Så fort det kommer in något som knuffar till en atomkärna i freonet så att den rekylerar en liten bit (och det räcker inte med en elektron) avsätts så mycket energi att freonet börjar stötkoka. Det låter som ett litet ”plopp”. Det avlyssnar man med nio mikrofoner på behållarens yttervägg.

När en överhettad bubbla stötkokar på grund av en partikelträff hör mikrofonen en kort puls, som ser ut så här. Om det är en WIMP eller ej får den fortsatta forskningen visa.

Man ställer apparaturens känslighet dels genom att variera oljans tryck och dels med temperaturen (20-55 °C), alltså hur lätt bubblorna har att spontankoka. Vid högre temperaturer kan man bara köra timmar, men vid lägre temperaturer ganska många timmar, varefter man räknar antalet plopp per timme. Därefter sammanställer man antalet ploppar per timme, vid olika temperaturer. Det gäller att man dessutom känner till hur många alfasönderfall som kan ske i radioaktiva föroreningar i detektorn, eftersom de ger exakt samma plopp som en WIMP. Neutroner kan också ge falska signaler, men de är så få att de inte antas vara ett problem i Picasso.

Om WIMP-arna är väldigt tunga kommer man att upptäcka dem vid en ganska låg temperatur, omkring 20 °C men om de skulle vara lättare kommer det att krävas högre temperaturer, mera överhettat freon, för att upptäcka dem. Lättare WIMPar har inte lika mycket ”dunk”.

Det finns andra typer av detektorer, till exempel baserade på germaniumplattor som ska detektera WIMP-träffar. Detektorn till Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) hålls strax över absoluta nollpunkten (40-50 mK) och när en WIMP kolliderar med en atomkärna och ger en kärnrekyl tänker man sig att det ska generera en liten ström och att temperaturen i germaniet ökar något litet. Den lilla strömmen kan detekteras som en svag strömspik. Man staplar massor av CDMS-element på varandra för att få så stor volym och massa som möjligt, för i och med detta ökar sannolikheten att man ska kunna detektera något. Det aktiva materialets massa ska vara i storleksordningen ett ton. Bild: Snolab.

Det forskas mycket på WIMP. Det hetaste på mörkmateriafronten just nu är detektorer med ädelgaser som argon och xenon. Funderingarna är något i stil med ”Hur mycket är världsproduktionen av ädelgaser på ett år? Hur fort går det att samla ihop så mycket att vi kan köpa in så mycket att vi kan bygga den här detektorn?” 350 kilo flytande xenon används i detektorn LUX (Large Underground Xenon experiment) och dess efterträdare Lux Zeplin och tanken är att en WIMP ska kunna kollidera med en xenonkärna och orsaka en ljusblixt, sk scintillation. Avsikten med dessa experiment är, som vanligt, att reducera inverkan av bakgrundsstrålningen från neutroner och höja känsligheten för WIMP-träffar.

Stephen Hawking kollar in ett detektorelement i Picasso år 2012. Bild: Snolab.

Gravitationella linser

En gravitationell lins uppstår när ett objekt är så tungt att det förmår störa rumtiden så mycket att ljuset böjs av kring objektet. Den mörka materien kring en galaxhop har tillräckligt med gravitation för att böja av ljus.

Här är det ljuset från en bakomliggande galax som böjs av kring en galaxhop och träffar en observatör på jorden. Galaxen ligger mitt bakom galaxhopen men ljuset böjs av så att det ser ut att komma från sidorna. Avbilden av galaxen blir samtidigt uttöjd till tunna linjer.

Galaxhopen Abell 1689 är inte tillräckligt tung för att kunna böja av ljuset från bakomliggande galaxer till tunna bågar, så som bilden visar. Den måste ha hjälp av gravitationen från mörk materia som bör ligga som ett moln kring hopen. Bild: NASA.

När två galaxhopar slår ihop, vilket händer då och då i universum, drar de med sig sitt eget moln av WIMP, men WIMP-arna är kollisionslösa, far tvärs igenom kollisionen och fortsätter förbi en bit. De kan fortfarande inte ses, men eftersom de har gravitation kan effekterna av dem märkas på att de verkar som gravitationella linser på objekten bakom.

Här i bilden nedan kolliderar två galaxhopar, som tillsammans kallas för MACS J0025.4-1222. De båda hoparna (okej, glesa fält av galaxer) möts med miljoner kilometer i timmen. Vätgasen som följer hoparna genom rymden är inte kollisionslös, så den chockas, saktar in och glöder med den röntgenstrålning som visas i rosa, medan den mörka materien far vidare. Effekterna av den senare visas i blått.

De kolliderande galaxhoparna ser förstås inte alls ut som i bilden ovan där strålningen från vätgasens röntgenstrålning färgats rosa och den tänkta mörka materien färgats blå. Istället ser de ut som i bilden nedan.

Det hela är cirka 3 miljoner ljusår brett och den sammanlagda massan av galaxhoparna är nästan en kvadriljon (10²⁴) gånger solens massa. Du ser de tunna bågarna kring galaxhoparna som är avböjda bilder av bakomliggande galaxer.

Hubbleteleskopet stod för bilderna av de synliga och infraröda objekten, medan rymdteleskopet Chandra bistått med bilden av röntgenstrålningen. De blå områdena har räknats fram manuellt av forskare från University of California, Santa Barbara, Stanford University och från Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Bild: NASA, ESA, CXC, M. Bradac och S. Allen.

Universum i allmänhet

The Millennium Simulation är en superdatorkörning avsedd att simulera universums utveckling. Resultatet är ett virtuellt universum som är förvånansvärt likt vårt riktiga universum. Bilden visar hur massan i universum ordnar sig i strängar, galaxerna lägger sig i hopar etc. WIMP-arna visar sig vara väsentliga för strukturbildningen i universum. Man har kört simuleringen med olika mängder mörk materia och de simuleringar som tycks ge ett resultat som liknar vårt verkliga universum, innehåller just så mycket mörk materia som behövs. Bild: Max Planck Institute for Astrophysics.

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%).

Avslutning

– Kanske den mörka materian ändå betyder något litet för oss jordbor, rent praktiskt? undrar vi. Har jorden en skiva av mörk materia? Vi är trots allt ett masscentrum. Skivan verkar dra i GPS-satelliterna och orsaka relativistiska fenomen, menar forskare vid University of Texas.

– Nja, jorden är rätt så liten i sammanhanget, svarar Anna. Allt eftersom vår kunskap uppdateras verkar det mindre och mindre troligt att det ska samlas mörk materia inuti jorden. Att WIMP-arna skulle ligga som en ring runt jorden verkar inte sannolikt. De växelverkar inte tillräckligt mycket för att kunna bilda ringar eller dylikt. Det hela är mera på galaktisk skala.

– Borde man inte kunna tillverka mörk materia?

– Det vore drömmen att kunna skapa den i en partikel-kolliderare, för då skulle man verkligen kunna vet att ”den uppstår på det här viset”, men det har inte gjorts än i varje fall.

– Vad tror du om framtiden?

– Om den växelverkar alls, tror jag att WIMP kommer att upptäckas i min livstid, på ett eller annat sätt.

Vi hoppas att Anna Davour kommer att få sin önskan uppfylld.