Det meste af universet består af”stof”, der ikke kan ses, muligvis uvæsentlig, og kun interagerer med andre ting gennem tyngdekraften. Å ja, og fysikere ved ikke, hvad denne sag er, eller hvorfor der er så meget af det i universet - omkring fire femtedele af dets masse.
Forskere kalder det mørk materie.
Så hvor er denne mystiske sag, der udgør en så stor del af vores univers, og hvornår vil forskere opdage det?
Hvordan ved vi, at denne sag eksisterer
Hypotesen om mørk materie blev først fremsat af den schweiziske astronom Fritz Zwicky i 1930'erne, da han indså, at hans målinger af masserne af galakse klynger viste noget af massen i universet "mangler". Uanset hvad der gør galakser tyngre, udsender de ikke noget lys, og interagerer heller ikke med andet end gennem tyngdekraften.
Astronom Vera Rubin opdagede i 1970'erne, at galaksernes rotation ikke følger Newtons bevægelseslov; stjerner i galakser (især Andromeda) så ud til at rotere rundt i midten med samme hastighed, men de længere væk fra stjernen bevæger sig langsommere. Som om noget tilføjer masse til den ydre del af galaksen, som ingen kunne se.
Resten af beviserne kommer fra gravitationslinsering, der opstår, når tyngdekraften af et stort objekt bøjer lysbølger omkring et objekt. I henhold til Albert Einsteins teori om generel relativitet, bøjer tyngdekraften plads (som en sumobryter kan deformere måtten, han står på), så lysstråler bøjes omkring store genstande, selvom lyset i sig selv er masseløs. Observationer viste, at der ikke var tilstrækkelig synlig masse til at bøje lyset, som det gjorde omkring individuelle galakse-klynger - med andre ord, galakserne var mere massive end de burde være.
Salgsfremmende video:
Så er der relikstråling (CMB),”ekkoet” fra Big Bang og supernovaer.”CMB fortæller os, at universet er rumligt fladt,” sagde Jason Kumar, professor i fysik ved University of Hawaii. "Rumligt fladt" betyder, at hvis du trækker to linjer gennem universet, krydses de aldrig, selvom linjerne var milliarder af lysår på tværs. I et stejlt buet univers mødes disse linjer på et tidspunkt i rummet.
Der er nu en lille kontrovers blandt kosmologer og astronomer om, hvorvidt der findes mørk stof. Det påvirker ikke lys, og det oplades ikke som elektroner eller protoner. Indtil nu har den undgået direkte detektion.
”Dette er et mysterium,” sagde Kumar. Der kan være måder, som videnskabsmænd har forsøgt at "se" mørkt stof på - enten gennem dets interaktion med almindeligt stof eller gennem at se efter partikler, der kan være mørk stof.
Hvad mørk materie ikke er
Mange teorier er kommet og gået om, hvad mørk materie er. En af de første var logiske nok: Spørgsmålet var skjult i massive astrofysiske kompakte halogenobjekter (MACHO'er), såsom neutronstjerner, sorte huller, brune dværge og useriøse planeter. De udsender ikke lys (eller de udsender meget lidt), så de er praktisk talt usynlige for teleskoper.
Imidlertid kunne udforskning af galakser på udkig efter små forvrængninger i stjernelys produceret af MACHO forbi - kaldet mikrolensering - ikke forklare mængden af mørkt stof omkring galakser, eller endda meget af det.”MACHO'er ser ud til at være så ekskluderede som nogensinde,” sagde Dan Hooper, en forsker på Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois.
Mørket stof ser ikke ud til at være en sky af gas, der ikke kan ses gennem teleskoper. Diffus gas vil absorbere lys fra galakser, der er længere væk, og øverst på den normale gas udsender stråling ved lange bølgelængder - der vil være en enorm udsendelse af infrarødt lys på himlen. Da dette ikke sker, kan vi udelukke det.
Hvad kunne det være?
Svage interagerende massive partikler (WIMP'er) er nogle af de stærkeste konkurrenter til forklaringen af mørkt stof. Wimps er tunge partikler - ca. 10 til 100 gange tungere end protonen, som blev skabt under Big Bang og forbliver i små tal i dag. Disse partikler interagerer med normalt stof gennem tyngdekraften og svage nukleare kræfter. De mere massive WIMP'er bevæger sig langsommere gennem rummet og kan derfor være kandidater til”kold” mørk stof, mens de lysere bevæger sig hurtigere og være kandidater til”varm” mørk stof.
En måde at finde dem på er gennem "direkte detektion", såsom eksperimentet Large Underground Xenon (LUX), som er en beholder med flydende xenon i en South Dakota-mine.
En anden måde at se wimps kunne være med en partikelaccelerator. Inde i acceleratorer brydes atomkerner med en hastighed tæt på lysets hastighed, og i processen omdannes denne kollisionsenergi til andre partikler, nogle af dem er nye for videnskaben. Indtil videre er der ikke fundet noget i partikelacceleratorer, der ligner formodet mørkt stof.
En anden mulighed: aksioner. Disse subatomære partikler kunne påvises indirekte af de typer stråling, de udsender, hvordan de ødelægger, eller hvordan de nedbrydes til andre typer partikler eller vises i partikelacceleratorer. Der er imidlertid heller ingen direkte bevis for aksioner.
Da opdagelsen af tunge, langsomme “kolde” partikler som WIMP'er eller akser endnu ikke har fundet resultater, ser nogle forskere på muligheden for lette, hurtigere bevægelige partikler, som de forårsager”varm” mørk stof. Der er blevet fornyet interesse for en sådan model af mørkt stof, efter at forskere fandt bevis for en ukendt partikel ved hjælp af Chandra X-ray Observatory, i Perseus-klyngen, en gruppe galakser omkring 250 millioner lysår fra Jorden. De kendte ioner i denne klynge producerer visse linjer med røntgenemission, og i 2014 så forskerne en ny “linje”, der kunne svare til en ukendt lyspartikel.
Hvis mørke stofpartikler er lette, vil forskerne have svært ved at finde dem direkte, sagde Tracey Slater, fysiker ved MIT. Hun foreslog nye typer partikler, der kan udgøre mørkt stof.
”Mørkt stof med en masse under ca. 1 GeV er virkelig vanskeligt at opdage med standard direkte detektionseksperimenter, fordi de fungerer ved at lede efter uforklarlige rekyler af atomkerner … men når mørkt stof er meget lettere end en atomkerne, er rekylenergien meget lille,” sagde Tracy Slater.
Der er foretaget meget forskning i søgningen efter mørkt stof, og hvis de nuværende metoder mislykkes, vil der blive udført nye. Brug af "flydende" flydende helium, halvledere og endda brud på kemiske bindinger i krystaller er nogle af de nye ideer til at detektere mørkt stof.