När astronomerna blickar ut i universum genom teleskop ser de miljarder galaxer med stjärnor, planeter och virvlande gaser. Mellan alla galaxer ligger stora gasmoln. Men något saknas. Det astronomerna kan få syn på utgör bara lite drygt hälften av all synlig materia som universum borde innehålla.
Enligt astrofysikernas teorier består universum av 27 procent mörk materia som håller ihop galaxerna, 68 procent mörk energi som accelererar utvidgningen av universum och fem procent synlig materia. Trots många års sökande med rymdteleskop, detektorer och partikelacceleratorer har forskarna inte hittat de mörka partiklarna.
De kan inte heller redogöra för varifrån den mörka energin kommer från. Och – de kan inte heller hitta nästan 40 procent av all synlig materia som borde vara enkel att se. Totalt har forskarna alltså hittills bara kunnat redogöra för tre procent av universums samlade massa. Nu har rymdteleskopet XMM-Newton kanske hittat den försvunna materian kamouflerad som het, intergalaktisk gas.
Röntgenstrålar avslöjar var materia gömmer sig
ESA:s röntgenteleskop XMM-Newton har upptäckt två ultravarma gasmoln som är osynliga på grund av den höga temperaturen. Molnet innehåller en del av universums saknade materia och om liknande moln finns på andra platser kan de innehålla all materia som saknas i universum.
1. Kvasar avger strålning
Enorma gasmoln virvlar runt ett supertungt svart hål i centrum av en kvasar och skjuter ut jetströmmar av partiklar långt ut i rymden. Både gaserna och jetströmmarna avger stora mängder energirik röntgenstrålning som rör sig genom universum.
2. Gasmoln fångar strålar
På väg genom rymden stöter strålningen in i två ultra-varma intergalaktiska gasmoln. Syre i molnen har absorberat två våglängder av röntgenstrålningen genom att skicka upp två av sina elektroner i ett högre energitillstånd.
3. Teleskop ser signal
När strålningen från kvasaren når fram till rymdteleskopet XMM-Newton avslöjar de två saknade våglängderna i spektrumet att strålningen har passerat genom syre. Utifrån mängden syre i molnen har forskarna också räknat ut hur mycket annan slags materia de innehåller.
Galaxerna förlorar materia
Astronomerna känner till att synlig materia finns. Forskarna har sett all materia i kosmisk bakgrundsstrålning som skickades ut 380 000 år efter stora smällen och fungerar som en ögonblicksbild av det nyfödda universum. Nasas COBE-satellit gjorde de första observationerna av kosmisk bakgrundsstrålning 1992, och 21 år senare mätte Plancksatelliten temperaturskillnader i bakgrundsstrålningen med en enorm precision.
Pyttesmå temperaturvariationer i bak-grundsstrålningen avslöjar fördelningen av massa i det unga universum, och med hjälp av detta har forskarna beräknat att fem procent av massan i universum består av synlig materia. Mängden stämmer exakt med stora smällen-teorins beräkningar av hur många lätta atomer av väte, helium och litium som bildades efter urexplosionen.
Astronomerna kan fortfarande se nästan all materia när de observerar gamla galaxer och gasmoln från de första fem miljarder åren efter stora smällen. Under de senaste nio miljarder åren har en massa motsvarande minst 500 miljarder galaxer försvunnit.
I dag innehåller universums 200 miljarder galaxer bara 14 procent av den synliga massan i form av stjärnor, planeter och gas. Resterande del måste befinna sig mellan galaxerna, men här kan forskarna bara se 47 procent av materian.
Forskarna kan inte hitta 40 procent av den synliga synliga materian i universum.
Nyckeln till att förstå försvinnandet ligger i galaxernas utveckling. De galaxer som uppstod under de första fem miljarder åren efter stora smällen var 10–20 gånger mer effektiva på att förvandla gasmoln till stjärnor än nutidens galaxer så materian blev kvar som stjärnor.
I dag är det särskilt två mekanismer som dämpar stjärnbildningen och i stället stöter ut gas i den tomma, intergalaktiska rymden.
En mekanism är supernovaexplosioner. De exploderande stjärnorna utlöser våldsamma tryckvågor som skickar ut det mesta av stjärnans massa i rymden och ibland ut ur galaxen. I det unga universum var supernovor sällsynta eftersom stjärnorna ännu inte hade brunnit ut, men i dag är de den viktigaste drivkraften bakom massaförlusten i små dvärggalaxer.
I stora galaxer finns också en betydligt kraftigare pump: Supertunga svarta hål i galaxernas centrum. I aktiva galaxer omges hålen av stora mängder gas som virvlar runt hålet på väg ned i intet. Den roterande gasskivan skapar extremt kraftiga magnetfält som skickar ut två enorma jetströmmar av partiklar hela vägen ut genom den omgivande galaxen och vidare i den intergalaktiska rymden.
Värme gör materia osynlig
Trots att forskarna kan redogöra för hur materian försvunnit från galaxerna vet de inte säkert var den tagit vägen. De har länge haft en teori om att gasströmmar som supernovor och jetströmmar skickar långt ut i rymden fördelas över stora områden och blir till mycket tunn vätgas som teleskopen inte kan se.
Forskarna betraktar kalla vätemoln som stora, kalla, intergalaktiska gasbubblor. De är relativt lätta att upptäcka med teleskop och fjärran, starka ljuskällor, som aktiva galaxer vars ljus passerar vätemoln på vägen mot jorden. När ljuset passerar genom molnet absorberar väteatomerna ljuspartiklar med en särskild ultraviolett våglängd som skickar upp väteatomens enda elektron i ett högre energitillstånd. Därför försvinner våglängden och avslöjar gasen.
Metoden fungerar dock inte om gaserna är extremt varma med temperaturer på upp emot tio miljoner grader och vätet uppträder som plasma där elektronen och protonen i atomkärnan är separerade och atomen inte längre kan absorbera ljus. Vätet blir nästan helt osynligt.
En del av den saknade materian kan vara varm gas kring trådarna i den spindelväv av mörk materia som förbinder universums galaxer.
En forskargrupp ledd av Fabrizio Nicastro på Italiens nationella institut för astrofysik har nu använt en annan metod för att hitta den extremt varma gasen. De har använt Esas röntgenteleskop XMM-Newton för att mäta röntgenstrålning från en extremt ljusstark galax – en kvasar.
I stället för att leta efter väte har forskarna sökt efter det syre som finns i små mängder i gasmolnen. Syrets kärna består av åtta protoner som omges av åtta elektroner. Vid temperaturer på flera miljoner grader förlorar syret sex av elektronerna, men atomen kan fortfarande absorbera röntgenstrålning genom att skicka upp de resterande två elektronerna i ett högre energitillstånd.
Teleskopet registrerade att röntgenstrålningen på sin fyra miljarder ljusår långa resa från kvasaren till jorden har passerat genom två glödheta intergalaktiska gasmoln där syre har absorberat två av strålarnas våglängder. Eftersom forskarna känner till förhållandet mellan syre och väte från kallare gasmoln kan de med mängden syre i molnen beräkna hur mycket väte de innehåller och på så sätt indirekt hitta vätet.
Beräkningarna tyder på att ultravarma gasmoln innehåller mellan en fjärdedel och all saknad synlig materia i universum.
Galaxer innehåller bara 14 procent synlig materia
Totalt innehåller universums galaxer bara 14 procent synlig materia. Stjärnorna utgör hälften och den andra hälften består av gaser som inte är täta nog att bilda stjärnor.
Resten av den synliga materian är fördelad i den nästan helt tomma rymden. 28 procent av materia finns i kalla gasmoln som svävar inaktivt mellan galaxerna eftersom de inte är kalla nog att föda stjärnor. 15 procent är varma, intergalaktiska gasmoln med temperaturer på över 100 000 grader, samlade i ringar runt galaxer.
Sedan återstår knappt 40 procent av synlig materia. Hittills har de saknats i universums bokföring, men nu menar forskarna att de består av drygt tio miljoner grader varma gasmoln som har slungats ut från galaxer och gömt sig i den intergalaktiska rymden eftersom de är för varma för att synas.
Här finns den synliga materian:
Mörka trådar kan dölja materia
Nu ska forskarna jaga efter mer ultravarm gas på andra platser i universum. En del av gasen kan också gömma sig i universums skelett, som liknar en tredimensionell spindelväv som förbinder galaxerna. Trådarna består av mörk materia som kan ha attraherat en del av den glödheta intergalaktiska gasen.
Ju fler gasmoln man hittar, desto säkrare kan man vara att man hittat all försvunnen materia i universum. Då återstår bara att hitta de mörka partiklarna och den mörka energin som utgör resterande 95 procent innan universums kalkyl går jämnt ut.