Mørkt stof

Videnskaben har efterhånden vænnet sig til idéen om at 90% af massen i universet findes i en form der ikke kan ses.

Trods omhyggelig kortlægning af den nærmeste del af universet i bølgeområderne mellem radiobølger og gammastråler, kan vi kun gøre rede for 10 % af den masse der må være der. Som Bruce H. Margon, en astronom fra University of Washington, sagde til New York Times i 2001: [Det er ret flovt at indrømme at vi ikke kan finde 90% af universet].

Denne “manglende masse” kaldes mørkt stof, og de 2 ord dækker næsten alt man ved om det på nuværende tidspunkt. Vi ved der er “stof”, for vi kan se tyngdekraften fra det. Men stoffet udsender ingen elektromagnetisk stråling overhovedet, derfor er det “mørkt”. Der er adskillige teorier der prøver at forklare den manglende masse lige fra eksotiske subatomare partiklereller en række isolerede sorte huller til mindre eksotiske brune og hvide dværgstjerner. Ordene 'manglende masse' er måske misvisende for det er jo ikke massen selv der mangler bare lyset fra den. Men hvad er mørkt stof helt præcist og hvordan kan vi egentligt vide at det eksisterer når vi ikke kan se det?

Historien begynder i 1933 da astronomen Fritz Zwicky studerede bevægelserne af fjerne og massive hobe af galakser, specielt Coma-hoben og Virgohoben. Zwicky beregnede massen af hver galakse på baggrund af dens lysudsendelse og lagde masserne sammen for at få massen af hele galaksehoben. Han lavede så en anden uafhængig beregning af hobens masse ud fra hastigheden de enkelte galakser i hoben bevægede sig med. Til hans store overraskelse var den anden såkaldte dynamiske masse omkring 400 gange større end beregningen baseret på galaksernes lysudsendelse.

Skønt beviserne var stærke på Zwicky's tid var det ikke før i 1970'erne at videnskaben begyndte at undersøge misforholdet mere systematisk. Det var på den tid eksistensen af mørkt stof begyndte at blive taget seriøst. Eksistensen af sådant stof ville nemlig ikke kun løse problemerne omkring den manglende masse i galaksehobene, men også have langt mere vidtrækkende konsekvenser for udviklingen af hele universet og dets skæbne.

Et andet fænomen der understøttede tanken om mørkt stof er rotationsbanerne i spiralgalakser. Spiralformede galakser indeholder en stor mængde stjerner der alle sammen bevæger sig i næsten cirkelformede baner om et galaksecenter, på samme måde som planeterne i solsystemet bevæger sig om solen. På samme måde som planeternes baner forventes stjerner med større kredsløbsbaner at bevæge sig langsommere (det er en direkte følge af Keplers 3. lov). Faktisk gælder Keplers 3. lov kun for stjerner nær randen af spiralgalakser, da den antager at massen indenfor banen er konstant.

I modsætning til hvad man altså forventer, har astronomiske observationer af banehastighederne for stjerner i de yderste dele af rigtigt mange galakser aldrig vist sig at følge Keplers 3. lov. I stedet for at falde udad og få større og større radius holder stjernernes omdrejningsbaner sig bemærkelsesværdigt konstante. Dette tyder på at massen omsluttet af de større baner stiger selv for stjerner der tilsyneladende befinder sig ved randen af galakserne. For selvom stjernerne befinder sig ved randen af den lysende del af galaksen viser galaksernes masseprofil at galakserne fortsætter langt ud over det område der indeholder synlige stjerner.

Her er en anden måde at tænke på det: Forestil dig stjernerne nær kanten af en spiralgalakse. Deres banehastighed er ca. 200 kilometer i sekundet. Hvis der kun var det stof i galaksen vi kan se ville disse stjerner meget hurtigt bevæge sig væk fra galaksen fordi deres banehastighed er 4 gange større end den hastighed der skal til for at undvige galaksens tyngdekraft. Men da galakser ikke ses blive rykket i stykker på denne måde må der være mere masse i galakserne end det vi kan se.

Der er foreslået mange teorier som skal løse problemet med hvad mørkt stof er, som eksempler kan nævnes WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), MACHOs (Massive Compact Halo Objects), ur sorte huller, massive neutrinoer osv. Disse teorier har hver haft deres gode og dårlige sider. Ingen teori er endnu blevet almindeligt anderkendt i astronomikredse, fordi det endnu ikke har været muligt at afprøve teorierne i forhold til hinanden.