Mørkt stof: Definition, observationer og betydning i universet
Mørkt stof: Hvad det er, hvordan det opdages og hvorfor det former universet — opdag observationer, teorier og betydning i kosmologi.
Mørkt stof er en type stof, der menes at være ansvarlig for en stor del af massen i universet. Selvom det ikke udsender eller reflekterer lys, viser mange uafhængige observationer, at det findes, fordi det påvirker bevægelser og fordelingen af synligt stof gennem tyngdekraften.
Hvordan ideen opstod
Idéen opstod, da astronomer fandt ud af, at massen af store astronomiske objekter og deres gravitationseffekter var meget større end massen fra det "lysende stof", som de indeholder: stjerner, gas og støv.
Mørkt stof blev første gang foreslået af Jan Oort i 1932 som en årsag til stjernernes rotationshastighed i Mælkevejen. I 1933 brugte Fritz Zwicky mørkt stof som forklaring på den "manglende masse", han observerede i galaksernes bevægelser i galaksehobe. Siden da er flere og flere observationer kommet til, som peger i samme retning.
Vigtige observationer
- Galaksernes rotationskurver: Stjerner i galaksers yderkanter bevæger sig hurtigere, end den synlige masse alene kan forklare. Dette tyder på en ekstra, usynlig masse.
- Gravitationslinser: Massive objekter bøjer lyset fra bagvedliggende lyskilder. Fordelingen af den totale masse (målt via linseeffekter) stemmer ikke altid overens med fordelingen af synligt stof, hvilket peger på mørkt stof.
- Temperaturfordeling i varm gas i galakser og galaksehobe: Den termiske struktur og dynamik af gas i store strukturer kræver mere masse end det synlige stof giver.
- Den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB): Mål fra instrumenter som Planck viser karakteristiske udsving i den tidlige universs plasma, som kun kan forklares ved en bestemt mængde ikke-baryonisk mørkt stof.
- Storskalastruktur: Fordelingen af galakser i store filamenter og hobe og hvordan disse strukturer dannes over tid stemmer godt overens med simuleringer, der inkluderer koldt mørkt stof.
Eksempel: Bullet Cluster
I 2006 hævdede en gruppe forskere, at de havde fundet en tydelig måde at afsløre mørkt stof på. De observerede to fjerntliggende galaksehobe, der var kollideret med høj hastighed. I en sådan kollision bliver det synlige, normale stof (især den varme gas) bremset og bliver liggende som en central sky, mens de individuelle galakser passerer hinanden forholdsvis upåvirket. Ved at måle tyngdefelterne (via gravitationslinser) fandt de to massetætheds-toppe, der var forskudt fra gassen — det man fortolkede som to skyer af mørkt stof med en sky af normalt stof imellem dem. Dette anses af mange som stærkt bevis for mørkt stof, fordi det er svært at forklare med modificeret tyngdekraft alene.
Hvor meget mørkt stof er der?
Ifølge Planck-missionens hold og baseret på kosmologiens standardmodel indeholder det kendte univers i alt 4,9 % almindelig materie, 26,8 % mørkt stof og 68,3 % mørk energi. Det mørke stof skønnes således at udgøre omkring 84,5 % af det samlede stof i universet, mens mørk energi plus mørkt stof udgør ca. 95,1 % af det totale "stof/energi"-indhold.
Egenskaber og kandidater
Ud fra observationerne antager man, at mørkt stof:
- er primært ikke-baryonisk (andet end almindelige protoner og neutroner),
- interagerer næsten udelukkende via tyngdekraften (meget svage eller ingen elektromagnetiske interaktioner),
- er koldt eller langsomt bevægende for at kunne danne de observerede strukturer, og
- er i praksis kollisionstomt i sammenligning med normal materie i typiske astronomiske sammenstød.
Foreslåede partikelkandidater inkluderer:
- WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) — teoretiske massive partikler, der interagerer svagt.
- Axioner — lette partikler oprindeligt foreslået for at løse et problem i kvantekromodynamik; kan også udgøre mørkt stof.
- Sterile neutrinoer — hypotetiske tunge neutrino-typer, der kun interagerer via tyngdekraften og eventuelt svage vekselvirkninger.
- MACHOs (Massive Compact Halo Objects) såsom brune dværge eller sorte huller blev undersøgt via mikrolinse-observationer, men kan ikke forklare størstedelen af mørkt stof.
Søgninger og eksperimenter
Der er tre hovedstrategier for at finde mørkt stof:
- Direkte detektion: Følsomme jordbaserede detektorer (fx xenon-baserede, argon-baserede) leder efter sjældne kollisioner mellem mørkt stof-partikler og atomkerner i et målmateriale.
- Indirekte detektion: Søger efter produkter af annihilation eller henfald af mørkt stof i rummet — fx gammastråler, antimaterie eller neutrinoer fra galaksekernen eller dværggalakser.
- Produktion i acceleratorer: Forsøg ved f.eks. LHC prøver at skabe mørkt stof-partikler i højenergi-kollisioner og måle manglende energi og momentum i slutprodukter.
Der har været hints og kontroverser (fx DAMA/LIBRA's årlige signal, andre eksperimenters udsagn), men ingen uafhængigt bekræftet direkte opdagelse er accepteret endnu.
Alternative forklaringer
Nogle forskere har foreslået modificerede teorier om tyngdekraft (fx MOND — Modified Newtonian Dynamics) som et alternativ til mørkt stof. Sådanne teorier kan i nogle tilfælde forklare rotationskurver i galakser, men har generelt svært ved at forklare hele spektret af observationer (CMB, galaksehobe, gravitationslinser og kolliderende hobes adfærd) lige så godt som modeller med mørkt stof.
Betydning for universets udvikling
Mørkt stof er centralt for vores forståelse af, hvordan strukturer i universet — fra små galakser til store filamenter — dannes og udvikles. Uden tilstrækkelig mængde mørkt stof ville tyngdekraften ikke kunne samle materie hurtigt nok i det tidlige univers for at reproducere den strukturelle rigdom, vi ser i dag.
Status og fremtid
Selv om mørkt stofiens eksistens er støttet af mange uafhængige observationer, er dens fundamentale natur endnu ukendt. Forskning fortsætter intensivt med forbedrede instrumenter og nye eksperimentelle teknikker. Fremtidige observationer — fra større himmelkortlægninger, forbedrede CMB-målinger, jordbaserede detektorer og acceleratorforsøg — vil enten finde direkte tegn på mørkt stof eller skrælle flere teoretiske muligheder væk, indtil den rigtige forklaring står tilbage.
Kort sagt: Mørkt stof er et nødvendigt element i den nuværende kosmologiske model, fordi det forklarer mange forskellige astronomiske observationer samlet set. Selvom vi endnu ikke har identificeret, hvad det præcist består af, er jagten på mørkt stof en af de mest aktive og spændende grene af moderne fysik og astronomi.
Mørkt stof er usynligt. Effekten af gravitationslinser forårsager flere billeder af den samme galakse. En ring af mørkt stof er blevet foreslået som forklaring på dette. På dette billede af galaksehobbyen (CL0024+17) ses det mørke stof med blå farve.
Relaterede sider
- Mørk energi
- Universets udvidelse
- Tidslinje for natur
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er mørkt stof?
Svar: Mørkt stof er en type stof, som man mener er ansvarlig for en stor del af massen i universet. Det blev først foreslået af Jan Oort i 1932 og Fritz Zwicky i 1933 som en forklaring på henholdsvis stjernernes og galaksernes spindehastigheder.
Spørgsmål: Hvordan tror forskerne, at mørkt stof findes?
Svar: Forskerne mener, at mørkt stof eksisterer på baggrund af observationer som f.eks. galaksernes rotationshastigheder, gravitationslinser fra baggrundsobjekter og temperaturfordelingen af varm gas i galakser og galaksehobe.
Spørgsmål: Hvor stor en procentdel udgør mørkt stof i universet?
Svar: Ifølge skøn fra Planck-missionens hold udgør mørkt stof 84,5 % af det samlede stof i universet, mens mørk energi plus mørkt stof udgør 95,1 % af det samlede "stof" i universet.
Spørgsmål: Hvordan kan vi påvise mørkt stof?
Svar: Fordi mørkt stof ikke synes at afgive eller reflektere lys, røntgenstråler eller anden stråling, kan det ikke påvises ved hjælp af instrumenter, der bruges til at finde normalt stof som varm gas, stjerner, planeter osv. Den eneste måde, hvorpå vi kan se, om det er der, er ved at se, hvordan det påvirker ting, som vi kan "se" gennem tyngdekraften.
Spørgsmål: Hvad hævdede en gruppe forskere, at de havde fundet en måde at påvise i 2006?
Svar: I 2006 hævdede en gruppe forskere, at de havde fundet en måde at påvise mørkt stof på ved at observere to fjerntliggende galaksehobe, der var styrtet ind i hinanden med høj hastighed - normalt stof ville være blevet spredt i nærheden efter kollisionen, mens mørkt stof ikke ville blive spredt; dermed kunne de måle tyngdekraften og påvise noget, der lignede to skyer af mørkt stof med en sky af normalt stof (varm gas) mellem dem.
Spørgsmål: Hvilke eksempler tyder på, at der findes mørkt stof i vores univers?
A: Eksempler, der tyder på, at der er mørkt materiale til stede, omfatter observationer såsom galaksers rotationshastigheder, baggrundsobjekter med gravitationslinser og temperaturfordelinger af varm gas i galakser og galaksehobe.
Søge