Det mørke stof er universets store gåde

Vi har i de senere år fået vigtig viden om universets såkaldte mørke stof, men der er stadig meget, vi ikke ved, skriver professor i fysik Johan Fynbo. En af pionererne i forskningen er netop død

Den amerikanske astronom Vera Rubin, som døde i december sidste år, var med sin forskning afgørende for den viden, vi i dag har om det såkaldte mørke stof, der menes at udgøre 24 procent af alt stof i universet. – Foto: Carnegie Institution of Washington/Polfoto

Den 25. december sidste år døde den amerikanske astronom Vera Rubin. Hun var en af det 20. århundredes pionerer inden for astronomien, og hun spillede særligt en vigtig rolle for undersøgelsen af det såkaldte mørke stof.

Mange har sikkert hørt tale om, at der findes en masse mørkt stof i universet, som vi ikke ved, hvad er. Hvad handler det nu om?

Et godt sted at starte er at spørge, hvad stof eller materie egentlig er? De fleste har en idé om, at materie er noget, der har en eller anden form for stoflighed – noget, man kan tage og føle på. Ordet er så vigtigt, at man ligefrem taler om materialisme som naturvidenskabens mest fremherskende paradigme for, hvad der i det hele taget kan siges at være virkeligt.

Etymologisk kommer ordet materie fra latin og er formodentlig relateret til ordet māter, der betyder moder eller her nok nærmere ”kilde” eller ”ophav”. Et andet bud er, at ordet oprindeligt har noget med træ eller tømmer at gøre.

I fysikken forbinder vi begrebet materie med noget, vi kan påvirke, eller noget, der kan påvirke os med en naturkraft. Fra dagligdagen kender vi to naturkræfter, nemlig tyngdekraften og den elektromagnetiske kraft. Tyngdekraften kender vi som den kraft, der får æblerne til at falde ned fra træerne og Jorden til at kredse om Solen.

Elektriske kræfter står bag ”stofligheden” af de fleste ting omkring os. Når vi slår i bordet, er det elektriske kræfter, der bremser hånden, så den ikke fortsætter gennem bordet. Jeg kan også stadig blive dybt fascineret over at lege med magneter og derigennem direkte føle den elektromagnetiske kraft.

Når vi ser noget med øjet – eller dettes forfining i form af lysdetektorer – er det, fordi stoffet udsender lyspartikler eller fotoner, som de hedder i fysikken. Fotoner udsendes groft sagt, når elektriske ladninger ændrer hastighed. Det meste af det stof eller materie, vi kender til, kan udsende eller opfange lys, fordi det består af elementarpartikler, naturens mindste byggesten, som er elektrisk ladede (elektroner og kvarker).

Mørk stof er stof, som ikke kan udsende eller absorbere lys, men som giver sig til kende på en anden måde, nemlig via tyngdekraften. Vi kender allerede til en slags partikel, neutrinoen, som faktisk er en slags mørk stof, fordi den hverken kan udsende eller opfange lys, men vi kan måle, at den vejer noget, og så kan vi også registrere den ved hjælp af den såkaldt svage kernekraft. I princippet kunne der godt være flere slags naturkræfter og tilhørende materie, som vi endnu ikke har opdaget eksistensen af.

Allerede i 1936 opdagede den schweiziskfødte astronom Fritz Zwicky, at der må være store mængder mørkt stof i universet. Hvordan kunne han se dette? Zwicky studerede galaksers bevægelse i den store galaksehob i stjernebilledet Coma. Galaksehobe er store ansamlinger af op til flere tusinde galakser, der kredser om et fælles tyngdepunkt.

Til hans store overraskelse bevæger galakserne i Coma-hoben sig rundt om hinanden med hastigheder på flere 1000 kilometer i sekundet. Zwicky skrev i 1936 (min oversættelse fra tysk): ”For at opnå den observerede middelhastighed på 1000 km/s eller mere, må middelmassetætheden i Coma-hoben være mindst 400 gange større end den, man bestemmer ud fra det lysende materiale.”

Dette er efterfølgende blevet bekræftet ved observationer af mange andre galaksehobe.

Vera Rubin og hendes kollega Kent Ford studerede i 1970’erne, hvordan stjerner og gas bevæger sig rundt i spiralgalakser som vores egen Mælkevej. På samme måde som Zwicky fandt de, at stjernerne og gassen i spiralgalakserne bevæger sig alt for hurtigt i forhold til det, man ville forvente, hvis de alene skulle være drevet af tyngdekraften fra det lysende stof.

Vera Rubin skrev i en artikel i det populære tidsskrift Scientific American i 1983: ”Det viste sig, at rotationshastighederne stiger med afstanden fra galaksecenteret; et fænomen som bedst forklares med en ikke-lysende sfærisk halo af stof, som strækker sig ud over den synlige galaktiske disk.”

Denne opdagelse af problemet med at forstå galaksernes rotationskurver bragte spørgsmålet om det mørke stof frem som et af de største uløste problemer i astrofysikken. Siden 1970’erne er vi blevet en del klogere på, hvilke egenskaber det mørke stof må have. Det må først og fremmest forekomme i store mænger: Der er omtrent fem gange så meget mørkt stof som det normale stof, vi ellers kender til. Desuden ser det ud til at være koldt og kollisionsløst, hvilket betyder, at det bevæger sig langsomt og (næsten) ikke kan påvirke eller påvirkes med andet end tyngdekraften. I bogen ”Verdensbilledet i forandring – et hundredårigt perspektiv” udgivet af Astronomisk Selskab og forlaget Epsilon kan man læse mere om det mørke stof.

Det vil måske interesse mange af denne avis’ læsere, at Vera Rubin var jøde, og at hun ikke så nogen konflikt mellem videnskab og religion. I et interview har hun udtalt: ”I mit eget liv er tro og videnskab adskilte. Jeg er jøde, og for mig er religionen en slags moralsk kompas og en slags historie. Jeg forsøger at bedrive min forskning på en moralsk måde, og jeg mener, at videnskab ideelt set skal ses som noget, der hjælper os til at forstå vores plads i universet.”