Astronomerne kan ikke finde det synlige stof

Det er ikke kun universets mystiske, mørke materiale, forskerne ikke kan finde. Halvdelen af det synlige stof er også pist væk. Nu ­har et teleskop dog afsløret, hvad stoffet formentlig har forklædt sig som.

Shutterstock

Når astronomerne kigger ud i universet gennem deres teleskoper, kan de se milliarder af galakser med stjerner, planeter og hvirvlende gasser. Mellem galakserne ligger store gasskyer.

Men der mangler noget.

Det, som astronomerne kan få øje på, udgør kun lidt over halvdelen af alt det synlige stof, som universet burde indeholde.

Ifølge astrofysikernes teorier består universet af 27 ­procent mørkt stof, der holder sammen på galakserne, 68 procent mørk energi, der accelererer universets udvidelse, og fem procent synligt stof. Trods årtiers ­søgen med rumteleskoper, detektorer og partikelacceleratorer har forskerne dog ikke fundet de mørke partikler.

De har heller ikke kunnet gøre rede for, hvor den mørke energi kommer fra. Og nu kan de så ikke finde knap 40 procent af det synlige stof, som ellers ­burde være lige til at se.

Alt i alt har forskerne altså hidtil kun kunnet redegøre for tre procent af universets samlede masse. Men nu har rum­teleskopet XMM-New­ton måske fundet det forsvundne stof forklædt som brandvarm, intergalaktisk gas.

Røntgenstråler ­afslører stoffets gemmested

ESA’s røntgenteleskop XMM-Newton har opdaget to ultravarme gasskyer, der er usynlige på grund af den høje temperatur. Skyen indeholder en del af universets manglende materiale, og hvis lignende skyer eksisterer ­andre ­steder, kan de indeholde alt det manglende stof i universet.

Eso

1. Kvasar udsender stråling

Enorme gasskyer hvirvler rundt om et supertungt sort hul i centrum af en kvasar og skyder jet­strømme af partikler langt ud i rummet. Både gasserne og jetstrømmene udsender store ­mængder energirig røntgenstråling, som rejser gennem universet.

Eso

2. Gasskyer fanger stråler

På vej gennem rummet er strålingen stødt ind i to ­ultravarme, intergalaktiske ­gasskyer. Ilt i skyerne har absorberet to bølgelængder af røntgenstrålingen ved at sende to af sine elektroner op i en højere energitilstand.

Eso

3. Teleskop ser signal

Da strålingen fra kvasaren når frem til rumteleskopet XMM-Newton, sladrer de to manglende bølgelængder i spektret om, at strålingen er passeret gennem ilt. Ud fra mængden af ilt i skyerne har forskerne også ­regnet ud, hvor meget andet stof de indeholder.

Eso

Stof forsvinder fra galakserne

Astronomerne er sikre på, at det synlige stof eksisterer. Forskerne har nemlig set alt stoffet i den kosmiske baggrundsstråling, der blev udsendt 380.000 år efter big bang og fungerer som et øjebliksbillede af det nyfødte univers.

NASA’s COBE-satellit gjorde de første observationer af den kosmiske baggrundsstråling i 1992, og i 2013 målte Plancksatellitten temperaturforskellene i baggrundsstrålingen med en enorm præcision.

Bittesmå temperaturvariationer i baggrundsstrålingen afslører fordelingen af masse i det unge univers, og ud fra dem har forskerne beregnet, at fem procent af massen i universet består af synligt stof. Mængden passer præcist med big bang-teoriens for­udsigelser af, hvor mange lette atomer af brint, helium og litium der blev dannet efter ureksplosionen.

Astronomerne kan også stadig se næsten alt stoffet, når de observerer gamle galakser og gasskyer fra de første fem milliarder år efter big bang. Men gennem de seneste ni milliarder år er en masse svarende til mindst 500 milliarder galakser forsvundet.

I dag indeholder universets 200 milliarder galakser kun 14 pct. af den synlige masse i form af stjerner, planeter og gas. Resten må befinde sig mellem galakserne, men her kan forskerne kun se 47 pct. af stoffet.

Forskerne kan ikke finde 40 % af universets 5 % synlige stof.

Forskerne ved, at nøglen til at forstå forsvindingsnummeret ligger i galaksernes udvikling.

De galakser, som opstod i de første fem milliarder år efter big bang, var 10-20 gange mere effektive til at omdanne gasskyer til stjerner end nutidens galakser, så stoffet blev inde i galakserne som stjerner.

I dag dæmper især to mekanismer stjernedannelsen og støder i stedet gas ud i det tomme, intergalaktiske rum. Den ene mekanisme er supernova­eksplosioner. De eksploderende stjerner udløser voldsomme trykbølger, som sender det meste af stjernens masse langt ud i rummet og nogle gange helt ud af galaksen.

I det unge univers var supernovaer sjældne, fordi stjernerne endnu ikke var brændt ud, men i dag er supernovaer den vigtigste drivkraft bag massetabet i små dværggalakser.

I store galakser er en langt kraftigere pumpe også i spil: supertunge sorte huller i galaksernes centrum. I aktive galakser er hullerne om­givet af store mængder gas, som hvirvler rundt om hullet på vej ned i intetheden.

Den roterende gasskive skaber ekstremt kraftige magnetfelter, som sender to kolossale jetstrømme af partikler hele vejen ud gennem den omgivende galakse og videre ud i det intergalaktiske rum.

Varme gør stof usynligt

Selvom forskerne kan redegøre for, hvordan stoffet er forsvundet fra galakserne, har de endnu ikke kunnet bevise, hvor det er endt. De har dog længe haft en teori om, at de gasstrømme, som supernovaer og jetstrømme sender langt ud i rummet, fordeler sig over store områder og bliver til meget tynd brintgas, som teleskoperne ikke kan se.

Forskerne kan få øje på kølige brintskyer, der ligger som store, kolde, intergalaktiske gasbobler. De er relativt lette for teleskoper at opdage ved hjælp af fjerne og stærke lys­kilder som aktive galakser, der sender deres lys gennem brintskyerne på vejen mod ­Jorden.

Når lyset passerer gennem skyen, absorberer brint­atomerne lyspartikler med en særlig ­ultraviolet bølgelængde, der ­sender brintatomets enlige elektron op i en højere energitilstand. Derfor forsvinder ­bølgelængden og afslører gassen.

Men metoden virker ikke, hvis gasserne er ekstremt varme med temperaturer på op til ti millioner grader – så er brinten i plasmatilstand, hvor elektronen og protonen i atomkernen er skilt fra hinanden, og atomet Ikke længere kan absorbere lys. Brinten ­bliver næsten helt usynlig.

En del af det manglende stof kan være varm gas samlet om trådene i det spindelvæv af mørkt stof, der forbinder universets galakser.

© Oliver Hahn, Tom Abel, Ralf Kaehle

Nu har en forskergruppe under ­ledelse af Fabrizio Nicastro fra Italiens Nationale Institut for Astrofysik brugt en anden metode til at finde den ekstremt varme gas. De har brugt ESA’s røntgenteleskop XMM-Newton til at måle røntgenstråling fra en ekstremt lysstærk, aktiv galakse – en kvasar.

I stedet for at lede efter brints signatur har forskerne kigget efter ilt, som gasskyerne også ­indeholder i små mængder. Ilts kerne består af otte protoner, som er omkredset af otte elektroner. Ved temperaturer på flere millioner grader mister ilten seks af elektronerne, men atomet kan stadig absorbere røntgenstråling ved at sende de resterende to elektroner op i en højere energitilstand.

Teleskopet registrerede, at røntgen­strålingen på sin fire milliarder lysår lange rejse fra kvasaren til Jorden er passeret gennem to glohede, intergalaktiske gasskyer, hvor ilt har absorberet to af strålernes bølgelængder.

Fordi forskerne kender forholdet mellem ilt og brint fra koldere gasskyer, kan de ud fra mængden af ilt i skyerne regne ud, hvor meget brint de indeholder, og på den måde indirekte afsløre brinten.

Beregningerne tyder på, at ultravarme gasskyer indeholder mellem en fjerdedel og alt det manglende synlige stof i universet.

Galakser indeholder kun 14 procent af den synlige masse

Alle universets galakser indeholder tilsammen kun 14 procent af det synlige stof. Stjernerne udgør halvdelen, mens den ­anden halvdel er gasser, der ikke er tætte nok til at danne stjerner.

Resten af det synlige stof er fordelt i det næsten tomme rum. ­28 ­procent af stoffet findes i kølige gasskyer, der svæver inaktivt mellem galakserne, fordi de ikke er kolde nok til at føde stjerner. 15 procent er varme, intergalaktiske gasskyer med temperaturer over 100.000 grader, som er samlet i haloer omkring galakser.

Og så er der knap 40 procent af den synlige masse tilbage. Hidtil har de manglet i universets regnskab, men nu mener ­forskerne, at de består af over 10 millioner grader varme gasskyer, som er slynget ud fra galakser og har gemt sig i det inter­galaktiske rum, fordi de er for varme til at kunne se.

Her findes det synlige stof:

  • Ca. 40% mangler

  • 28% i kold, inter­galaktisk gas

  • 15% i lune, intergalaktiske gasskyer

  • 7% i stjerner i galakser

  • 5% i varm gas i galakser

  • 4% i varm gas i galakse-klynger

  • 1,8% i kold gas i galakser

Mørke tråde kan skjule stof

Nu skal forskerne på jagt efter mere ultra­varm gas andre steder i universet.

En del af gassen kan også gemme sig i universets skelet, der ligner et tredimensionelt spindelvæv, som forbinder ­galakserne. Trådene ­består af mørkt stof, som kan have tiltrukket noget af den glohede, intergalaktiske gas.

Jo flere gasskyer astronomerne finder, desto sikrere kan de være på, at de har fundet alt universets forsvundne ­materiale.

Så mangler de bare at afsløre de mørke partikler og den mørke energi, der udgør de ­resterende 95 ­procent, for at få universets regnestykke til at gå op.

Læs også:

Galakser

Start april: Tusinder af galakser vrimler frem på himlen

2 minutter
Galakser

Hvor mange galakser findes der i universet?

1 minut
Galakser

Spørg os: Hvor hurtigt fjerner galakser sig fra hinanden?

1 minut

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

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

Ny bruger? Få adgang nu!