Forskersonen er forskning.nos side for debatt og populærvitenskap

Synlige objekter i universet vårt, slik som stjerner, planeter og alt vi bruker i hverdagen, er satt sammen av atomer, som igjen er bygget opp av elementærpartikler. 

Kun rundt 16 prosent av materien i universet består av disse partiklene. Resten, cirka 84 prosent av all materie i universet, vet vi ikke hva er.

Ved Institutt for matematikk og fysikk ved Universitetet i Stavanger prøver vi nå å oppklare naturen til denne mystiske «mørke materien». Hvis vi forstår mer om mørke materie, vil vi bedre kunne si hva det kan brukes til.

Usynlig materie

Siden 1960-tallet har astronomer kunnet «veie» materien i galakser ved å observere hvordan de roterer: jo mer massiv galaksen er, jo raskere roterer stjernene rundt. 

Til astronomenes overraskelse var galaksenes masse som ble målt på denne måten fem ganger større enn hva som var forventet, basert på antall stjerner og annen synlig materie. Tilsvarende avvik ble observert for store grupper av galakser, noe som styrket sannsynligheten for at det finnes usynlig masse i universet vårt, såkalt mørk materie.

MACHOer eller WIMPer?

Det finnes flere astronomiske objekter som var usynlig for astronomer på 1960-tallet, slik som sorte hull eller nøytronstjerner. Det ble foreslått at den mørke materien i galakser kunne forklares av slike massive, kompakte objekter, også kalt MACHOer (fra engelsk «Massive Compact Halo Objects»). Men hvis disse MACHOer eksisterer, vil de bøye lyset som kommer fra stjerner plassert bak dem. Astronomiske observasjoner gjort på 1990-tallet viser at det er ikke nok lysbøyning til at MACHOer kan være mørk materie.

Som følge av dette tror de fleste forskere i dag at mørk materie er laget av små partikler. Men ingen av de partiklene vi kjenner til i dag kan beskrive egenskapene som mørk materie synes å ha. 

Dette tilsier at mørk materie-partikkelen enda ikke er oppdaget. Et av de mest populære forslagene er en partikkel som samhandler svakt med vanlig materie og som er rundt 100-1000 ganger tyngre enn et proton, en såkalt WIMP (fra engelsk «Weakly-Interacting Massive Particle»).

Hvor gjemmer den mørke materien seg?

I følge «veiingen» av mørk materie nevnt ovenfor, skal det eksistere rundt 4000 WIMP mørk materie-partikler i hver kubikkmeter i solsystemet vårt. Siden disse partiklene samhandler svakt med vanlig materie så er det svært vanskelig å oppdage dem på jorda.

Fysikere har bygget ulike typer detektorer og observert nøye hvert eneste atom i detektorene i flere år, men det har enda ikke blitt rapportert et eneste tilfelle av at en mørk materie-partikkel har kollidert med et atom i disse detektorene. 

Det betyr at mørk materie samhandler enda svakere med vanlig kjent materie enn det vi først trodde, og at vi trenger nye eksperimentelle teknikker for å avsløre disse partiklene.

Jakt på mørk materie ved UiS

Vi vet altså ikke hva hele 84 prosent av våre omgivelser består av. Det foregår mye forskning for å løse dette mysteriet, og Institutt for matematikk og fysikk ved UiS deltar i denne aktiviteten. En aktuell innfallsvinkel for å utforske mørk materie, er å studere informasjonen i såkalte gravitasjonsbølger.

Gravitasjonsbølger kan sees på som krusninger i stoffet av rom og tid. De kan oppstå som resultat av voldsomme prosesser i universet, slik som sammenslåing av to sorte hull. 

Fenomenet, som er beskrevet av Einstein, ble oppdaget på jorden for første gang i 2015 takket være forbløffende fremgang i måleteknikker som kan oppdage forskyvninger helt ned til 1/1000 av størrelsen til et proton.

Forskere ved UiS jobber med å utarbeide en gravitasjonsbølgedetektor, LISA, som skal operere i verdensrommet, og som skal være enda mer følsom enn eksperimenter vi har på Jorden takket være dens størrelse. Dette eksperimentet vil åpne et helt nytt vindu for å lære om det tidlige universet og kan også oppklare naturen til mørk materie.

Denne ideen vil bli utforsket i et prosjekt som nylig ble finansiert av Forskningsrådet, og som ledes av en forsker ved UiS, Helena Kolesova. Hun har som mål å utforske mørk materie-kandidater som samhandler for svakt med vanlig materie til å bli oppdaget av detektorer på jorden, men som gikk gjennom en prosess kalt «faseovergang» i det tidlige universet som kan ha etterlatt seg et signal i form av gravitasjonsbølger. 

Dersom slike partikler faktisk danner mørk materie, representerer detektorer som LISA en unik måte å svare på spørsmålet om hva universet vårt er laget av.

LES OGSÅ

Mineraler fra havbunnen: Miljøbevegelsen krisemaksimerer

Verdens største forflytning av dyr skjer hver eneste natt – året rundt