Forskarna har nu hittat all synlig materia. Men var är resten av universum?

Radioblixtar avslöjar dolda gaser

Allt vi kan se, ta på och känna lukten av består av atomär materia, de atomer och molekyler som vi kallar grundämnen. Samma sak gäller i övriga universum, men där ute är det svårare att hitta handfasta bevis på att ämnena finns där. I årtionden har forskarna försökt kartlägga all atomär materia i universum.

De cirka 200 miljarder kända galaxerna innehåller 14 procent av den synliga materia som enligt astronomiska beräkningsmodeller bör finnas där ute. Förutom det har astronomerna hittat gasmoln mellan galaxerna i galaxhoparna samt gasmoln mellan hoparna. Fortfarande har dock uppemot 50 procent av den synliga materien sedan år 1997 hållit sig undan teleskopens objektiv.

Astronomerna har länge misstänkt att massan doldes i miljontals grader varma, extremt tunna moln av vätgas, som finns i tomrummen mellan galaxhoparna. Deras teleskop kunde emellertid inte visa gaserna.

På grund av värmen är väteatomerna delade. Protonen i atomkärnan och den enda elektronen har slitits loss från varandra och bildat så kallad plasma. Det gör väteatomerna osynliga, eftersom den splittrade atomen inte längre kan vare sig absorbera eller avge ljus.

Men de fritt svävande elektronerna kan ändå påverka ljus som passerar genom vätemolnen. När ljusvågor rör sig genom väteplasma sprids vågorna av de fria elektronerna på samma sätt som ljus som bryts i ett prisma.

Med dessa kunskaper analyserade forskare från USA och Australien så kallade snabba radioblixtar. Astronomerna vet inte riktigt varifrån blixtarna kommer, men den ledande teorin är att deras ursprung är magnetarer, neutronstjärnor med extra starka magnetfält. Blixtarna, som varar bara några miljondelar av en sekund, kan avge lika mycket energi som solen gör på 80 år.

Med 36 koordinerade radioteleskop i Australien, Australian Square Kilometre Array Pathfinder (Askap), har forskarna observerat de energirika blixtar som når jorden i form av radiovågor. Radiovågor med långa våglängder bryts kraftigare av de fria elektronerna än radiovågor med korta våglängder och fördröjs därför mest. Denna skillnad har Askapteleskopen registrerat.

Tidsförskjutningen mellan blixtarnas våglängder och avståndet till deras källa kan användas för att beräkna massan i de glödheta vätgasmoln som radiovågorna har passerat. Resultatet blev ett äkta heurekaögonblick för forskarna, eftersom det motsvarar exakt den massa som det sedan år 1997 inte har gått att påvisa.

Fasettögon jagar mörk energi

Forskare runtom i världen jublade över att den saknade materien äntligen hade hittats. Jublet övergick dock snart i arbetsiver. Nu har det blivit dags att kartlägga resten av universum.

Av all universums massa är 26,8 procent så kallad mörk materia. Den har aldrig observerats direkt, men astronomerna vet att den existerar. Galaxhoparna roterar nämligen så snabbt att galaxerna hade slungats ut åt alla håll om inte en mörk osynlig massa hållit fast dem i sina banor med sin gravitation. Vanlig materia och mörk materia, som attraherar varandra genom gravitation, har ägnat sig åt paråkning ända sedan universums barndom, då ansamlingar av mörk materia attraherade den vätgas ur vilken de första galaxerna föddes. Utan mörk materia hade följaktligen galaxerna inte existerat i dag.

Mörk materia utgör 85 procent av den totala massan i galaxer och galaxhopar, medan det vi kan se bara utgör 15 procent av massan.

Universums största pusselbit är dock den mörka energin. Astronomerna trodde länge att universums utvidgning måste börja bromsa in, eftersom gravitationen med tiden skulle stoppa universums utvidgning och ”dra ihop” allting igen.

År 1998 gjorde emellertid två forskargrupper – som fick Nobelpriset i fysik för sitt arbete – en revolutionerande upptäckt. Om universums utvidgning sakta höll på att stoppas av gravitationen borde avlägsna supernovor röra sig allt långsammare bort från oss.

I stället visade emellertid observationer att de avlägsna supernovorna rörde sig bort i allt snabbare takt, vilket innebar att universums utvidgning tvärtom accelererade. Den kraft som accelererar utvidgningen kallade forskarna mörk energi.

Ännu mer förbluffande är att samma forskare drog slutsatsen att den mörka energin utgör 68,3 procent av universum. Enligt Einsteins relativitetsteori motsvarar energi massa. Kortfattat innebär hans teori att massa kan omvandlas till energi och tvärtom. När trä brinner omvandlas till exempel dess massa till energi. Och när forskare i försök har omvandlat två fotoner – som inte har någon massa – till en elektron och en positron har fotonernas energi omvandlats till massa.

För astrofysiker är det med andra ord av underordnad betydelse att vi talar om mörk ”energi”. Den motsvarar samtidigt 68,3 procent av universums massa. Vi har dock ingen aning om vare sig vad den repellerande kraften utgörs av eller hur den fungerar.

Lyckligtvis står ett nytt instrument, Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi), berett att undersöka den mörka energin. Fram till år 2025 ska Desi kartlägga 35 miljoner galaxers rörelser under de senaste elva miljarder åren. Desis ”objektiv” är ett så kallat fasettöga, som består av 5 000 optiska fibrer.

Teleskopet riktas mot ett område i taget där forskarna sedan tidigare observationer vet att det finns galaxer som kan observeras. För varje område justeras samtliga 5 000 fibrer individuellt, så att varje fiber i princip kan observera en galax vardera. Varje område som de 5 000 fibrerna observerar upptar ett område på himlen som är 38 gånger större än fullmånen.

Det gör att Desi kan registrera ljus från cirka 5 000 nya galaxer var 20:e minut. Ljusmätningarna sänds från fasettögat till en rad spektrografer, som mäter ljusets våglängder – och därmed deras färger. Ju rödare ljuset är, desto mer har det sträckts ut på vägen hit från avlägsna galaxer.

Ljusets grad av utsträckning visar forskarna två saker: Hur långt bort från oss galaxerna befinner sig och hur fort galaxerna rör sig bort från oss.

Nu kan forskarna ta det första steget mot att avslöja den mörka energin genom att fastslå om den är konstant eller fluktuerande.

Tidigare studier tyder på att den är konstant, vilket innebär att ett tomrum av en viss volym alltid innehåller samma mängd mörk energi. När den mörka energin för fem–sex miljarder år sedan skyndade på universums utvidgning berodde det således på att tomrummet hela tiden växer till följd av universums utvidgning.

På senare år har emellertid kosmologer även gjort vissa omdiskuterade observationer som kan tyda på motsatsen, att den mörka energin fluktuerar och ”ökade” styrkan när universums utvidgning började accelerera. Om den mörka energin är konstant skapas den av virtuella partiklar som uppstår och försvinner nästan omedelbart.

Om energin i stället är varierande kan den eventuellt bestå av okända kraftpartiklar. Om forskarna kan lösa den gåtan kommer det att vara kosmologins största revolution på över 20 år – och ett enormt steg i riktning mot att förstå all universums massa.