mørkt stof

Den Amerikansk-Schweiziske astronom Fritz Zwicky var i 1937 den første til at påpege den mulige eksistens af mørkt stof ud fra observationer af galakser i galaksehoben Coma. Her observerede han, at galaksernes hastigheder er så stor, at de burde kunne undslippe hoben – i kraftig modstrid med observationer. Hans postulerede løsning var, at galaksehobe må indeholde store mængder mørkt stof (på tysk Dunkles Materie), der giver anledning til et kraftigt tyngdefelt og dermed fastholder galakserne.

I slutningen af 1960’erne observerede den amerikanske astronom Vera Rubin i samarbejde med William Ford rotationskurver for en række spiralgalakser og kunne konkludere, at den hastighed stjerner roterer med i spiralgalakser er væsentligt højere end forventet. Tilmed vokser denne diskrepans kraftigt i de ydre dele af galakserne. Observationerne kunne igen forklares ved at postulere eksistensen af mørkt stof i galakser, som bidrager væsentligt til galaksernes masse.

I moderne tid foreligger der evidens for mørkt stof fra en lang række andre og mere præcise observationer.

I spiralgalakser befinder gas og stjerner sig i en skiveformet struktur, der roterer. Ved at benytte Doppler-effekten er det muligt at måle denne rotationshastighed i en lang række spiralgalakser, som alle viser evidens for en rotationshastighed, der er stort set konstant som funktion af afstanden til galaksens centrum. Denne observation kan benyttes til at give et estimat af den masse, \(M\), galaksen indeholder inden for den givne radius

\(M(r) \sim \frac{v^2 r}{G} \)

hvor \(v\) er hastigheden, \(r\) er radius og \(G\) er Newtons konstant. Denne iagttagelse indikerer, at \( \rho \propto r^{-2}\), hvor \(\rho\) er galaksens massetæthed. Omvendt ses tætheden af gas og stjerner i galaksen af aftage langt hurtigere end dette, og konklusionen er derfor at spiralgalakser indeholder en såkaldt halo af mørkt stof, der udgør den største del af galaksernes samlede masse og giver anledning til de observerede rotationskurver.

I galaksehobe ses også evidens for mørkt stof. Gennem brug af virialsætningen kan de enkelte galaksers hastighed sammenkædes med hobens totale masse og det kan vises, at galaksehobe indeholder langt mere masse end den synlige. Samme argumentation kan benyttes ved observationer af Røntgenstråling fra galaksehobe. Endelig er det muligt gennem måling af, hvordan galaksehobe afbøjer lys fra bagvedliggende galakser (den såkaldte gravitationslinse effekt) at bestemme galaksehobes masser ganske præcist. Ved denne metode findes igen evidens for eksistensen af mørkt stof. Det mest kendte eksempel herpå, er den såkaldte ”bullet”-galaksehob.

Præcise studier af, hvordan universets storskalastruktur (galaksehobe og større strukturer) dannes, har også afsløret, at mørkt stof er en nødvendig bestanddel af vores univers. I et univers uden tilstedeværelsen af mørkt stof ville stort set ingen struktur kunne dannes, og dermed ville galakser og i sidste ende stjerner og planeter ikke kunne opstå.

Endelig har meget præcise målinger af den kosmiske baggrundsstråling, primært udført af det europæiske Planck-projekt, med stor sikkerhed vist, at der også i det tidlige univers har været store mængder mørkt stof. Den samlede masse af det mørke stof i det tidlige univers viser sig også konsistent med den observerede mængde i det nuværende univers.

På trods af den store evidens for eksistensen af mørtkt stof har det endnu ikke været muligt at fastslå, præcis hvad det mørke stof udgøres af.

Historisk var den første kandidat til mørkt stof neutrinoen, en elementarpartikel, der har masse men ingen elektrisk ladning. I løbet af 1980’erne blev det dog klart, at neutrinoer ikke kan udgøre det mørke stof idet deres masse er så lav, at de ikke er gravitationelt bundet i eksempelvis galakser.

I stedet er den primære kandidat til mørkt stof det såkaldt kolde mørke stof, der formodes at udgøres af enten tunge elementarpartikler eller alternativt af sorte huller.

Partikelfysikkens standardmodel indeholder ingen partikler, der kan udgøre det mørke stof. Men idet det vides, at standardmodellen ikke giver en fuld beskrivelse af fysikkens love ved høj energi, er det i høj grad muligt, at der eksisterer elementarpartikler uden for standardmodellen, som kan udgøre det mørke stof. Et eksempel på en sådan model er supersymmetri, i hvilken den supersymmetriske partner til fotonen, Z-partiklen og Higgs-partiklen kan udgøre det mørke stof.

Det er også stadig muligt, at det mørke stof udgøres af sorte huller dannet i det tidlige univers. En lang række observationer har dog sat stærke grænser på, hvilken masse sådanne sorte huller skal have, og inden for de kommende år vil denne model for mørkt stof endegyldigt kunne falsificeres eller bevises.

• galakse
• Universet