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.

mörk materia och mörk energi

95 procent av universum existerar kanske inte

Under lång tid har fysiker ansett att största delen av universum består av mörk materia och mörk energi. Men nya teorier indikerar att den mystiska mörka materian är rent påhitt.

Shutterstock

Fem procent synlig materia, 27 procent mörk materia och 68 procent mörk energi. Så lyder receptet på universum enligt traditionell kosmologi.

Ingen vet dock vad mörk materia och mörk energi egentligen är. Därför har fysiker under de seneste tio åren bedrivit en intensiv jakt med tekniskt komplicerad utrustning för att hitta universums hemliga ingredienser: De har byggt finkänsliga detektorer för att fånga mörkrets partiklar; de har försökt skapa partiklarna på egen hand i underjordiska acceleratorer; och de har spanat långt ut i rymden i hopp om att hitta tecken på de mörka beståndsdelarna – allt utan framgång.

De resultatlösa ansträngningarna gör att kosmologin är på väg in i en existentiell kris – det finns nämligen ett behov av mörk materia och mörk energi för att få universums ekvationer att stämma. Därför har flera forskare på senare tid frågat sig om mörk materia ens existerar.

Teori 1

Förändrad gravitationslag gör mörk materia överflödig

Mörk materia uppfanns på 1970-talet eftersom observationer visade att stjärnornas beteende i galaxerna inte överensstämde med Newtons gravitationslag.

Enligt Newton avtar gravitationen från en stor himlakropp på en mindre himlakropp snabbt med avståndet. Det innebär att stjärnorna längst bort från galaxernas mitt borde slungas ut i rymden till följd av galaxens höga rotationshastighet om enbart massan från den synliga materian fanns där och kunde hålla kvar stjärnorna.

Därför lade forskarna till en kraft från en okänd, osynlig massa som fick universums ekvation att stämma.

Fysikern Mordehai Milgrom har emellertid uppfunnit teorin Mond, enligt vilken Newtons lag bara gäller i små system. Om gravitationen över stora avstånd avtar mindre behöver inte galaxerna den mörka materian för att hålla ihop.

BEVIS:

Den nya gravitationslagen kan inte bevisas i försök eftersom förändringarna slår igenom först på tusentals ljusårs avstånd. Eventuellt kan teorin underbyggas av astronomiska observationer.

NASA/SPL

Teoretisk rotationshastighet

Newtons gravitationslag
Kurvan visar hur snabbt stjärnor maximalt borde kunna rotera utan att kastas ut i universum. Det är enbart kraften från stjärnor och gaser i galaxens mitt som kan hålla kvar stjärnorna i sina banor.

Y-axeln visar rotationshastigheten i km/s.

X-axeln visar avstånd från galaxens centrum i ljusår.

NASA/SPL

Faktisk rotationshastighet

Förändrad gravitationslag
Om gravitationen inte minskar lika snabbt med avståndet som Newtons gravitationslag från år 1666 anger kan stjärnorna hållas fast utan mörk materia – trots den höga hastigheten.

Y-axeln visar rotationshastigheten i km/s.

X-axeln visar avstånd från galaxens centrum i ljusår.

NASA/SPL

Mörkret räddar Einstein

Begreppen mörk materia och mörk energi uppfanns och tillfördes kosmologin för att rädda Albert Einsteins allmänna relativitets­teori.

Einsteins komplicerade teoretiska arbete från år 1915 beskriver hur massan i rymden i kombination med tyngdkraften har skapat dagens universum. Teorin omfattar utvecklingen från stora smällen, som startade universums utvidgning, till vår tid. Relativitetsteorin har till och med bekräftats genom åtskilliga astronomiska observationer av hur universum fungerar. Därför förkastar forskarna inte Einsteins omfattande arbete bara för att nya observationer skapar ett problem med hur det kan förklaras.

Det skedde första gången år 1933. Då upptäckte den schweiziske astronomen Fritz Zwicky upptäckte att galaxhopen Coma inte uppförde sig enligt tyngdlagen.

Enligt Newton har kroppar en ömsesidig dragningskraft som bestäms utifrån kroppens massa: Ju större massa, desto större kraft. Dessutom avtar en stor kropps dragningskraft på mindre, kretsande kroppar starkt över avstånd.

Zwicky hade observerat att galaxhopen Coma roterar så snabbt att tyngdkraften från enbart de synliga stjärnorna och gaserna i galaxerna omöjligt kan hålla samman hopen – den snabba rotationen borde slunga ut galaxerna åt alla håll. Han trodde därför att det måste finnas en osynlig massa i galaxhopen.

På 1970-talet visade flera observationer att samma problem gäller för de enskilda stjärnorna i individuella galaxer: Systemen roterar för snabbt för att kunna hålla kvar de yttersta stjärnorna i sina banor utan hjälp från tyngdkraften från en okänd massa. Därför uppfann forskarna en mystisk mörk materia som kunde lösa problemet.

Teori 2

Gamla svarta hål ersätter mörk materia

I universum finns miljardtals svarta hål, ansamlingar av materia med enormt hög densitet. Enligt en ny teori kan gamla svarta hål utgöra universums okända mörka massa.

Teorin säger att miljardtals svarta hål – med en massa från en hundradel av solens till tiotusen solmassor – bildades strax efter stora smällen. De minsta svarta hålen samlades runt galaxerna där de kretsar i en skiva. Attraktionskraften från hålen är det vi känner till som inverkan från mörk materia.

BEVIS: Supernovor skapar bara svarta hål som väger 5–15 solmassor. Om astronomerna hittar ett svart hål som väger mindre än fem solmassor måste det därför komma från stora smällen.

Universum utvidgar sig snabbare

Med införandet av mörk materia fungerade relativitetsteorin igen – åtminstone fram till år 1998.Då upptäckte nämligen astronomerna att universums utvidgning accelererar.

Dessförinnan hade forskarna trott att utvidgningens tempo antingen var konstant eller avtagande eftersom drivkraften bakom härstammar från explosionen vid Stora smällen. De astro­nomiska observationerna visade att avlägsna exploderande stjärnor lyste oväntat svagt jämfört med supernovor som ­befann sig nära jorden.

Den rimligaste förklaringen till det var att de avlägsna supernovorna befinner sig längre bort från jorden än vad forskarna trott, eftersom universums utvidgning har ökat farten. Forskarna förklarade den allt snabbare utvidgningen med en mörk repellerande energi – och då fungerade ekvationen igen.

Einstein var i framkant – utan att veta om det

Införandet av mörk energi är förenlig med relativitetsteorin. Faktum är att Albert Einstein själv införde en form av repellerande energi i sitt arbete.

När teorin offentliggjordes år 1915 trodde astronomerna fortfarande att universum var statiskt och att galaxerna stod stilla. Därför införde Einstein en teoretisk repellerande kraft som stod emot tyngdkraftens försök att dra galaxerna mot varandra, så att jämvikt uppnåddes.

När Edwin Hubble år 1929 bevisade att universum inte är statiskt, utan utvidgas i alla riktningar sa Einstein dock att uppfinningen av den repellerande kraften var den största blundern i hans karriär.

Einstein var dock närmare Hubbles upptäckt än han förstod. Einstein såg på den repellerande kraften på fel sätt – som en motvikt till tyngdkraften – men hans teori har många likheter med den mörka energin.

Enligt relativitetsteorin innehåller vakuum av en viss storlek alltid samma mängd repellerande energi. I takt med universums utvidgning har vakuumet ökat och då har den mörka energin förstärkts. Enligt modern kosmologi blev repelleringen för sex miljarder år sedan så stark att den mörka energin övervann tyngdkraftens försök att dra ihop universum och fick utvidgningen att accelerera.

Teori 3

© shutterstock/mikkel juul jensen

Repellering rubbar ­universums gränser

I en ny teori tas mörk energi bort i förklaringen av hur det kommer sig att universum utvidgas allt snabbare. Enligt teorin uppstod två typer av materia i stora smällen: Antimateria (nederst) och vanlig materia (överst).

De skildes åt redan efter en sekund, eftersom partiklarna repellerar varandra. Materian slogs ihop i galaxer och antimaterian bildade antigalaxer.

De slås aldrig ihop eftersom det skulle medföra en kollaps. Repelleringen dem emellan driver universums accelererande utvidgning – utan att det behövs någon mörk energi.

BEVIS: Sedan år 2011 har en detektor på rymdstationen ISS jagat antikol och tyngre antiatomer som bara kan ha bildats i antistjärnor i antigalaxer.

Universums mörka är teoretiska nödlösningar

Uppfinningen av mörk massa och mörk energi innebar enorma korrigeringar av kosmologin: Tillsammans utgör de 95 procent av universum. Ett så omfattande påstående kräver bevis.

Men varken astronomerna eller fysikerna har lyckats sprida ljus över universums mörka sida. Därför förkastar nu flera forskare idén som ett teoretiskt villospår och förlitar sig nu på andra teorier.

Den mest radikala idén kallas Mond och lanserades av den israeliske fysikern Mordehai Milgrom. Han hävdar att universums okända massa inte existerar.

Enligt honom beror förklaringsproblemet med ­galaxernas snabba rotation på ett fel i Newtons gravitationslag, som formulerades redan år 1666. Milgrom påstår att gravita­tionens styrka inte minskar lika mycket över stora avstånd som teorin förutsäger.

Enligt Mond gäller teorin i små system som exempelvis vårt solsystem, men i stora strukturer som en galax med en utsträckning av hundratusen ljusår gäller Newtons gravitationslag bara till en viss punkt beroende på systemets massa. Därifrån avtar gravitationen inte längre lika mycket som Newton hävdar. Därför är gravitationen från galaxens synliga materia ändå tillräckligt stor för att hålla fast de yttersta stjärnorna i sina banor.

Till en början avvisade de flesta forskare Milgroms teori. Han ger ingen förklaring till varför gravitationen fungerar annorlunda än man hittills har trott och hans förändrade gravitationslag beskriver inte universums utveckling ända från stora smällen.

Men nu har den amerikanske astronomen Stacy McGaughs observationer av 153 galaxer gett Mond vind i seglen. Teorin stämmer bra med hur galaxernas beter sig och förklarar deras rotation även utan mörk materia.

Teori 4

Accelererande utvidgning är en synvilla

Enligt traditionell kosmologi fick mörk energi universums utvidgning att accelerera för cirka sex miljarder år sedan. Fysikerna bakom en ny teori tror dock att varken mörk energi eller accelererande utvidgning existerar.

Enligt klassisk astronomi har universum en så kallad platt geometri, en likformighet som gör att parallella ljusstrålar alltid förblir parallella. Teorin innebär att strålarna varken korsar varandra eller sprids trots att ljuset rör sig genom hela universum.

Men enligt den nya teorin förändrades universums geometri för sex miljarder år sedan. Materia hade samlats i galaxhopar runt stora områden av vakuum, så att massan i universum var väldigt ojämnt fördelad.

Därmed kröktes rymden på ett sätt som började sprida de parallella ljusstrålarna över stora avstånd. Därför ser dagens universum större ut än vad det faktiskt är.

BEVIS: För att kunna ge stöd åt den nya teorin krävs en detaljerad kartläggning av rymdens utvidgning under universums historia. Astronomernas bästa ­verktyg blir satelliten Euclid, som sänds upp år 2020.

1 / 3
123
© Mikkel Juul Jensen

Mörk energi är ett räknefel

Även universums största beståndsdel – mörk energi – är utsatt när fysiker och astronomer reviderar den moderna kosmologin. En av de framväxande teorierna säger att behovet av mörk energi som drivkraft för universums utvidgning beror på ett enkelt räknefel.

Relativitetsteorins ekvationer är så avancerade att forskarna tvingas arbeta med förenklingar som kan skapa avvikelser i resultaten.

Forskare vid Loránd Eötvös-universitetet i Budapest, Ungern, anser att mörk energi är en nödlösning som är ett resultat av de förenklade beräkningarna. De har använt en ny förenkling som får universums accelererande utvidgning att fungera utan mörk energi. Därför anser de att kraften bara är ett rent påhitt.

Teori 5

Universum har en ­aktiv skuggvärld

Fysikernas uteblivna framgångar i jakten på mörk materia beror kanske på att de letar efter fel sorts partiklar. Mörk massa skulle vara partiklar helt utan laddning. Därför reagerar de bara med andra partiklar genom gravitation. Men universums mörker kan i stället utgöras av en osynlig skuggsida som internt fungerar precis som synlig materia och som också reagerar via gravitation.

BEVIS: Skuggfotoner kan kanske uppstå i försök när man skjuter in elektroner i metall. Enligt teorin faller de då snabbt sönder till elektron- och positronpar.

Avgörandets stund är nära

De flesta kosmologer, astronomer och fysiker dock tror fortfarande på teorierna om mörk materia och mörk energi och arbetar hårt för att bevisa deras existens.

Men om inte forskarna får fram några resultat inom kommande år tvingas de inse att de har jagat något som inte finns.

Då får de istället kasta sig över de många framväxande alternativa teorierna för att förklara universums mystiska beteende.

Läs också:

Einstein facts
Fysik

Albert Einstein: Saker du inte visste

1 minut
Universum

Universums utvidgning löper amok

14 minuter
Einstein ung
Relativitetsteorin

Fantasier förändrar tid och avstånd

5 minuter

Logga in

Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
Visa Dölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!

Nollställ lösenord.

Skriv in din e-postadress, så skickar vi anvisningar om hur du återställer ditt lösenord.
Ogiltig e-postadress

Kontrollera din e-post

Vi har skickat ett e-postmeddelande till med instruktioner om hur du återställer ditt lösenord. Kontrollera ditt skräppostfilter om meddelandet inte har kommit.

Uppge nytt lösenord.

Skriv in ett nytt lösenord. Lösenordet måste ha minst 6 tecken. När du har upprättat ditt lösenord blir du ombedd att logga in.

Lösenord behövs
Visa Dölj