Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Mørkt stof og mørk energi

95 procent af universet eksisterer måske ikke

I årtier har fysikere ment, at langt størstedelen af universet består af mørkt stof og mørk energi. Men nyere teorier peger på, at det mystiske mørke materiale er det pure opspind.

Shutterstock

Fem procent synligt stof, 27 procent mørkt stof og 68 procent mørk energi. Sådan lyder opskriften på universet ifølge den traditionelle kosmologi.

Ingen ved dog, hvad mørkt stof og mørk energi egentlig er. Derfor har fysikere de seneste ti år været på en intens jagt med højteknologisk udstyr efter universets hemmelige ingredienser: De har bygget fintfølende detektorer til at opfange mørkets partikler; De har forsøgt at skabe partiklerne selv i underjordiske acceleratorer; Og de har kigget langt ud i rummet i håb om at se tegn på de mørke bestanddele. Alt sammen uden held.

De resultatløse anstrengelser er ved at kaste kosmologien ud i en eksistentiel krise – der er nemlig behov for mørkt stof og mørk energi for at få universets ligninger til at gå op. Derfor har flere forskere de seneste år sat spørgsmålstegn ved, om de mørke materialer overhovedet eksisterer.

Teori 1

Ændret tyngdelov gør mørkt stof overflødigt

Mørkt stof blev opfundet i 1970’erne, fordi astronomiske observationer afslørede, at stjernernes opførsel i galakserne ikke stemte overens med Newtons tyngdelov.

Ifølge Newton aftager tiltrækningskraften fra et stort legeme på et mindre, omkredsende legeme meget hurtigt over afstand. Det betyder, at stjernerne længst væk fra galaksernes centrum burde blive slynget ud i rummet på grund af galaksens høje rotationshastighed, hvis kun massen fra synligt stof var til stede til at holde dem fast.

Derfor tilføjede forskerne en kraft fra en ukendt og usynlig masse, som kunne få universets ligning til at gå op. Forskeren Mordehai Milgrom har imidlertid opfundet teorien Mond, som påstår, at Newtons lov kun gælder i små systemer. Hvis tyngdekraften over store afstande aftager mindre, behøver galakser ikke mørkt stof for at hænge sammen.

BEVIS:

Den nye tyngdelov kan ikke bevises i forsøg, fordi ændringerne kun slår igennem over afstande på flere tusind lysår. Teorien kan måske underbygges af astronomiske observationer.

NASA/SPL

Teoretisk rotationshastighed

Newtons tyngdelov
Kurven viser, hvor hurtigt stjerner maksimalt burde kunne rotere uden at blive slynget ud i universet, og der er kun kraften fra stjerner og gasser i galaksens centrum til at holde stjernerne fast i deres baner.

Y-aksen viser rotationshastigheden i km/s.

X-aksen viser afstand fra galaksens centrum i lysår

NASA/SPL

Faktisk rotationshastighed

Ændret tyngdelov
Hvis tyngdekraften ikke falder lige så hurtigt over afstand, som Newtons tyngdelov fra 1666 forudsiger, kan stjernerne fastholdes uden mørkt stof – på trods af den høje hastighed.

Y-aksen viser rotationshastigheden i km/s.

X-aksen viser afstand fra galaksens centrum i lysår

NASA/SPL

Mørket redder Einstein

Mørkt stof og mørk energi er begreber, som forskere i sin tid indførte i kosmologien for at redde Albert Einsteins generelle relativitetsteori.

Einsteins komplicerede teoretiske arbejde fra 1915 favner også Newtons tyngdelov og beskriver, hvordan masse skabte nutidens univers sammen med tyngdekraften. Teorien kan forklare udviklingen hele vejen fra Big Bang til nutiden og er tilmed blevet bekræftet af adskillige astronomiske observationer. Derfor forkaster forskerne ikke Einsteins arbejde, bare fordi nye observationer af universets opførsel skaber et forklaringsproblemer for teorien.

Det skete første gang i 1933. Dengang opdagede den schweiziske astronom Fritz Zwicky, at galaksehoben Coma ikke opfører sig i overensstemmelse med tyngdeloven.

Ifølge Newton har legemer en gensidig tiltrækningskraft, som afgøres af deres masse: Jo større masse, desto større tiltrækningskraft. Desuden aftager et stort legemes tiltrækningskraft på mindre, omkredsende legemer kraftigt over afstand.

Zwicky havde observeret, at Coma-hoben roterer så hurtigt, at tyngdekraften fra de synlige stjerner og gasser i galakserne umuligt kan holde sammen på hoben alene – den hurtige rotation burde slynge galakserne ud i alle retninger. Han mente derfor, at der må være en usynlig masse i galaksehoben.

I 1970’erne viste flere observationer, at samme problem gælder for de enkelte stjerner i individuelle galakser: systemerne roterer for hurtigt til at kunne fastholde de yderste stjerner i deres baner uden hjælp fra tyngdekraften fra en ukendt masse. Derfor opfandt forskerne et mystisk mørkt stof, som kunne løse problemet.

Teori 2

Gamle sorte huller erstatter mørkt stof

Universet rummer milliarder af sorte huller – en samling af stof med en enormt stor massetæthed. Ifølge en ny teori kan gamle sorte huller udgøre universets ukendte mørke masse.

Milliarder af sorte huller med masser fra en hundrededel af Solens masse til 10.000 solmasser skulle angiveligt være blevet dannet lige efter big bang.

De mindste sorte huller samlede sig omkring galakserne, hvor de kredser i en skive. Tiltrækningskraften fra hullerne er det, vi kender som påvirkningen fra mørkt stof.

BEVIS: Supernovaer skaber kun sorte huller, som vejer 5-15 solmasser. Hvis astronomerne finder et sort hul, som vejer under fem solmasser, må det derfor stamme fra big bang.

Universet udvider sig hurtigere

Med opfindelsen af det mørke stof fungerede relativitetsteorien igen – indtil 1998. Her opdagede astronomer, at universets udvidelse accelererer.

Indtil da havde forskerne ment, at udvidelsens tempo måtte være konstant eller faldende med tiden, fordi drivkraften bag stammer fra Big Bang-eksplosionen. De nye astronomiske observationer viste imidlertid, at fjerne, eksploderende stjerner lyste uventet svagt sammenlignet med nære supernovaer.

Den bedste forklaring på fænomenet var, at de fjerne supernovaer var længere væk fra Jorden, end forskerne regnede med, fordi universets udvidelse havde sat farten op. Forskerne forklarede den stadigt hurtigere udvidelse med en ukendt mørk, frastødende energi, som skubber universets grænser udad – og så passede universets ligning igen.

Einstein var på forkant – uden at vide det

Indførslen af den mørke energi i kosmologien passede fint med relativitetsteorien – faktisk havde Einstein allerede selv indført en form for frastødende energi i sit arbejde.

Da relativitetsteorien blev offentliggjort i 1915, mente astronomer, at universet var statisk, så galakserne stod stille. Derfor indførte Einstein en teoretisk frastødende kraft, som kunne modstå tyngdekraftens forsøg på at trække galakserne mod hinanden, så en ligevægt blev opnået.

Da astronomen Edwin Hubble i 1929 beviste, at universet ikke er statisk, men udvider sig i alle retninger, kaldte Einstein dog opfindelsen af den frastødende kraft for den største brøler i sit karriere.

Men Einstein var dog mere i tråd med Hubbles opdagelse, end han vidste. Einstein havde godt nok tænkt den frastødende kraft ind på en forkert måde – som en modvægt til tyngdekraften – men hans opfindelse har mange ligheder med den mørke energi.

Ifølge relativitetsteorien indeholder et tomrum af en given størrelse altid den samme mængde frastødende energi. I takt med universets udvidelse er tomrummet vokset, og derfor har den mørke energi fået mere styrke. Den moderne kosmologi mener, at frastødningen blev så stærk for seks milliarder år siden, at den mørke energi overvandt tyngdekraftens forsøg på at trække universet sammen og fik udvidelsen til at accelerere.

Teori 3

© shutterstock/mikkel juul jensen

Frastødning skubber til universets grænser

En ny teori udskifter mørk energi med et andet stof i forklaringen af, hvorfor universet udvider sig stadigt hurtigere. Ifølge teorien blev to typer stof skabt ved big bang: antistof og almindeligt stof.

Stofferne blev allerede adskilt efter ét sekund, fordi partiklerne frastøder hinanden. Stoffet gik sammen i galakser (øverst), og antistoffet dannede antigalakser(nederst), som aldrig vil samles, fordi mødet ville føre til kollaps. Frastødningen imellem dem driver universets accelererende udvidelse – uden behov for mørk energi.

BEVIS: Siden 2011 har en detektor på rumstationen jagtet antikulstof og tungere antiatomer, som kun kan være dannet i antistjerner i antigalakser.

Universets mørke er teoretisk lappeløsning

Opfindelsen af mørk masse og mørk energi var enorme korrektioner af kosmologien: tilsammen udgør de 95 procent af universet. En så omfattende påstand kræver beviser.

Hverken astronomer eller fysikere har imidlertid kunnet kaste lys over universets mørke side. Derfor er flere forskerne nu ved at forkaste ideen som et teoretisk vildspor og i stedet sætte deres lid til andre forklaringsmodeller.

Den mest radikale af de nye teorier er MOND, som kommer fra den israelske forsker Mordehai Milgrom. Han mener, at universets slet ikke indeholder en ukendt mørk masse.

Ifølge ham skyldes forklaringsproblemet med galaksernes hurtige rotation i stedet en fejl i Newtons tyngdelov. Milgrom mener, at tyngdekraftens styrke ikke falder lige så meget over store afstande, som teorien forudsiger.

Ifølge MOND gælder teorien i små systemer som fx Solsystemet, men i store strukturer som en galakse med en udstrækning på 100.000 lysår gælder Newtons tyngdelov kun ud til et vist punkt. Herfra falder tyngdekraftens styrke ikke længere lige så meget over afstand, som Newtons forudsagde, og derfor er tyngdekraften fra den store mængde stjerner og gasskyerne i galaksernes centrum alligevel tilstrækkelig masse til at fastholde de yderste stjerner i deres baner.

Mange forskere afviste først Milgroms teori, fordi den ikke forklarer, hvorfor tyngdekraften opfører sig anderledes end hidtil troet, og hans ændrede tyngdelov ikke indeholder en beskrivelse af universets udvikling hele vejen fra Big Bang.

Men nu har den amerikanske astronom Stacy McGaughs observationer af 153 galakser givet MOND vind i sejlene: Teorien passer perfekt på galaksernes opførsel og kan forklare deres rotation uden behov for mørkt stof.

Teori 4

Accelererende udvidelse er et synsbedrag

Den traditionelle kosmologi fortæller, at mørk energi fik universets udvidelse til at accelerere for cirka seks milliarder år siden. Fysikerne bag en ny teori mener dog, at hverken mørk energi eller accelererende udvidelse overhovedet eksisterer.

Ifølge klassisk astronomi har universet en såkaldt flad geometri – en ensartethed – som gør, at parallelle lysstråler altid forbliver parallelle.

Teorien betyder, at strålerne ikke vil krydse hinanden eller spredes, selvom lyset bevæger sig gennem hele universet.

Men ifølge den nye teori ændrede universets geometri sig for seks milliarder år siden. Stof var blevet samlet i galaksehobe rundt om store tomme rum, så massen i universet var meget ujævnt fordelt.

Det krummede rummet på en måde, som begyndte at sprede de parallelle lysstråler over store afstande. Derfor ser nutidens univers større ud, end det i virkeligheden er.

BEVIS: Underbygning af den nye teori kræver en detaljeret kortlægning af rummets udvidelse gennem universets historie. Astronomernes bedste værktøj bliver satellitten Euclid, som opsendes i 2020.

1 / 3
123
© Mikkel Juul Jensen

Mørk energi er en regnefejl

Også universets største bestanddel – mørk energi – er udsat, når fysikere og astronomer reviderer den moderne kosmologi. En af de spirerende teorier siger, at behovet for mørk energi til at drive universets udvidelse skyldes simple regnefejl.

Relativitetsteoriens ligninger er så komplicerede, at forskerne er nødt til at bruge forsimplinger i deres arbejde. Men simplificeringerne kan skabe store afvigelser i resultaterne, når beregningerne føres tilstrækkeligt langt ud.

Forskere fra Eötvös Loránd-universitetet mener, at den mørke energi er en teoretisk lappeløsning, som netop er et resultat af de forsimplede beregninger. De har selv arbejdet med en ny simplificering, som får universets accelererende udvidelse til at fungere uden brug af mørk energi. Derfor mener de, at kraften er det pure opspind.

Teori 5

Universet har en aktiv skyggeverden

Fysikernes manglende succes i jagten på mørkt stof skyldes måske, at de leder efter en forkert type partikler. Mørk masse skulle være partikler, som ingen ladning har. Derfor reagerer de kun med andre partikler gennem tyngdekraften. Men universets mørke kan i stedet udgøres af en usynlig skyggeside, der internt opfører sig præcis som synligt stof, og også reagerer via tyngdekraften.

BEVIS: Skyggefotoner kan måske opstå i forsøg ved at skyde elektroner ind i metal. Ifølge teorien vil de lynhurtigt henfalde til par af elektroner og positroner.

Afgørelsens time er nær

I øjeblikket tror de fleste kosmologer, astronomer og fysikere stadig på teorierne om mørkt stof og mørk energi, og de arbejder på højtryk for at bevise deres eksistens.

Men hvis ikke forskerne ikke har resultater at fremvise inden for de næste år, er de tvunget til endegyldigt at indse, at de har brugt årtier på at jagte noget, der slet ikke findes.

Så må de i stedet kaste sig over de mange spirende, alternative teorier til at forklare universets mystiske opførsel.

Læs også:

Fysik fænomener

Derfor koger du i sort tøj

2 minutter
Partikler

Iskolde atomer skal finde mørk energi

1 minut
Spiralgalakse
Universet

Hvor mange slags galakser findes der?

0 minutter

Log ind

Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
Vis Skjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!

Nulstil adgangskode

Indtast din email-adresse for at modtage en email med anvisninger til, hvordan du nulstiller din adgangskode.
Ugyldig e-mailadresse

Tjek din email

Vi har sendt en email til med instruktioner om, hvordan du nulstiller din adgangskode. Hvis du ikke modtager emailen, bør du tjekke dit spamfilter.

Angiv ny adgangskode.

Du skal nu angive din nye adgangskode. Adgangskoden skal være på minimum 6 tegn. Når du har oprettet din adgangskode, vil du blive bedt om at logge ind.

Adgangskode er påkrævet
Vis Skjul