Mörk materia
Vetenskapsmän är nu helt införstådda med idén att 90 % av universums massa består av en form av materia som inte kan ses.
Trots utförliga kartor över det nära universum som täcker spektrat från radiovågor till gammastrålning, så kan vi bara redogöra för 10 % av massan som måste finnas därute. Som astronomen Bruce H. Margon, från Washingtons universitet, sa till New York Times år 2001: Det är rätt pinsamt ett behöva erkänna att vi inte kan hitta 90 procent av universum.
Beteckningen som har givits den här saknade massan är mörk materia, och de båda orden summerar ganska väl allt man för närvarande vet om den. Man vet att det finns materia, eftersom man kan se effekten av dess inflytande på gravitationen. Men materian avger inte någon påvisbar elektromagnetisk strålning alls, alltså är den mörk. Det finns flera olika teorier för att förklara den saknade massan, från exotiska subatomiska partiklar, till en samling isolerade svarta hål eller till mindre exotiska bruna och vita dvärgar. Beteckningen saknad massa kan vara missvisande, eftersom massan själv inte saknas, bara ljus från den. Men exakt vad är mörk materia, och hur vet man att den verkligen finns om den inte syns?
Historien började 1933, när astronomen Fritz Zwicky studerade rörelser hos avlägsna och massiva galaxhopar, i synnerhet Coma-hopen och Virgo-hopen. Zwicky uppskattade massan för varje galax i hopen baserat på deras luminositet, och summerade alla galaxers massa för att få en total massa för hopen. Därefter gjorde han en andra, oberoende uppskattning av hopens massa, baserad på spridningen av hastigheter för de enskilda galaxerna i hopen. Förvånande nog, så var den här andra uppskattningen av dynamisk massa, 400 gånger större än uppskattningen baserad på ljuset från galaxerna.
Även om bevisen var starka redan på Zwickys tid, var det inte förrän på 1970-talet som vetenskapsmän började utforska den här avvikelsen i detalj. Det var vid den här tiden som existensen av mörk materia började tas på allvar. Existensen av sådan materia skulle inte bara lösa upp massbristen i galaxhopar, den skulle också ha långtgående konsekvenser för hela universums utveckling och öde.
Ett annat fenomen som tycktes kräva mörk materia var rotationskurvorna för spiralgalaxer. Spiralgalaxer innehåller en stor stjärnpopulation som kretsar runt galaxens centrum i nästan cirkulära banor, på ett sätt som liknar hur planeter kretsar runt en stjärna. Likt planetbanor, så förväntas stjärnor med större galaktiska banor ha långsammare banhastighet (det här är bara ett sätt att uttrycka Keplers tredje lag). I själva verket gäller Keplers tredje lag bara stjärnor nära randen av en spiralgalax, eftersom den antar att massan som omsluts av banan är konstant.
Astronomer har dock gjort observationer av banhastigheterna för stjärnor i de yttre delarna av ett stort antal spiralgalaxer, och ingen av dem följer Keplers tredje lag, som förväntat. Istället för att banhastigheterna avtar vid större radier, så hålls de märkvärdigt konstanta. Slutsatsen är att massan som omsluts av banor med större radie ökar, Även för stjärnor som verkar vara nära kanten på en galax. Fastän de är nära den ljusa delen av galaxen, har galaxen en massprofil som uppenbarligen fortsätter en bra bit bortom området som innehåller stjärnor.
Här är ett annat sätt att betrakta det hela: Tänk dig stjärnorna nära randen av en spiralgalax, med typiska observerade hastigheter på 200 kilometer per sekund. Om galaxen bara bestod av materien som man kan se, skulle dessa stjärnor mycket snabbt flyga iväg från galaxen, eftersom deras banhastigheter är fyra gånger större än galaxens flykthastighet. Eftersom man inte ser att galaxer snurrar isär, så måste det finnas massa i galaxen som man inte tar hänsyn till när delarna man kan se läggs ihop.
Flera olika teorier har dykt upp i litteraturen för att förklara den saknade massan, såsom svagt interagerande massiva partiklar (WIMP - Weakly Interacting Massive Particles), massiva kompakta halo-objekt (MACHO - MAssive Compact Halo Objects), ursprungliga svarta hål, massiva neutriner med flera. Var och en har sina för- och nackdelar. Ingen ensam teori har ännu accepterats av den astronomiska gemenskapen, eftersom man hittills saknar möjlighet att prova en teori mot en annan på ett avgörande sätt.
Man kan se galaxhoparna som Professor Zwicky studerade för sin upptäckt av mörk materia. Använd fönster Sök Objekt (F) och visa M 87 för att hitta Virgo-hopen, eller visa NGC 4884 för att hitta Coma-hopen. Du kan behöva zooma in för att kunna se galaxerna. Observera att Virgo-hopen verkar vara mycket större på himlen. I verkligheten är Coma den större hopen, den ser bara mindre ut eftersom den är längre bort.