Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Haloer fra slukte galakser kan gi kunnskap om hva mørk materie er
ARRAKHIS-teleskopet er spesialdesignet for å studere de svakeste sporene etter tidligere galakser. Norske forskere står sentralt i arbeidet.
I juni kom nyheten om at ESA gir grønt lys for byggingen av det nye ARRAKIHS-teleskopet, som skal skytes opp i 2030.(Foto: Alex-Camazon-IEEC-AMC - ARRAKIHS Mission Consortium images)
Tenk deg at du løfter blikket en stjerneklar vinternatt og ser Melkeveiens hvite bånd over den mørke nattehimmelen.
Det du ser, er lyset fra flere hundre milliarder stjerner i den spiralformede galaksen vår.
Vårt eget solsystem er bare en bitte liten prikk et stykke ut på siden av galaksen.
– Mørk materie utgjør rundt 27 prosent av universets totale energiinnhold, sier professor Sijing Shen.(Foto: UiO)
Vi vet ikke hva mørk materie er
Om du kunne vendt blikket stikk motsatt veg, ville du sett ut av den flate spiralen. Der ute, i det tilsynelatende tomme mørket, spredt utover som vifteformede slør, ligger restene av eldgamle galakser.
– Gjennom hele universets historie har galakser slått seg sammen. Når det skjer, blir stjerner revet løs. Det dannes stjernestrømmer. Sammen med andre svake strukturer og diffust lys fra stjernene utgjør dette det vi kaller galaksens halo.
Det forklarer professor og kosmolog Sijing Shen ved Universitetet i Oslo.
Forskere i kosmologi sysler med spørsmål som hvordan universet ble til og hva det inneholder. Og de har mye å jobbe med.
Det meste av kosmos består nemlig av noe vi ikke vet hva er.
Det vi bare kaller mørk materie.
Mørk materie utgjør rundt 27 prosent
– I dagens kosmologiske modell utgjør mørk materie rundt 27 prosent av universets totale energiinnhold. All vanlig materie som hydrogen, helium, oksygen, stjerner, planeter og alt vi kjenner fra standardmodellen i fysikken, utgjør bare rundt 5 prosent, sier Shen.
Denne modellen er en teori innen partikkelfysikken som beskriver elementærpartiklene og de tre naturkreftene fargekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisme.
Modellen inneholder de lovene som styrer hvordan partiklene og kreftene oppfører og utvikler seg.
Shen koordinerer Norges bidrag til Den europeiske romfartsorganisasjonen ESAs nyeste oppdrag: ARRAKIHS-teleskopet.
– Dette er et teleskop som skal observere svært svake strukturer rundt galakser i det nærliggende universet. Vi planlegger å studere rundt 70–80 galakser som ligner Melkeveien. Det endelige antallet mål er ikke bestemt ennå, sier professoren.
Haloer av mørk materie
Selve storskala-strukturen av universet er som et stort kosmisk nett med filamenter, som tråder. Der trådene møtes, ligger det haloer av mørk materie.
Annonse
I kosmologenes standardmodell dannes disse haloene først.
Deretter strømmer gass – vanlig materie – langs filamentene og inn mot haloene. Gassen avkjøles og kondenserer i sentrum av haloene.
Etter hvert dannes galakser som inneholder stjerner og planeter.
– Også nærliggende galakser kan bevege seg langs filamentene og smelte sammen med hovedgalaksen og dens halo, forklarer Shen.
Galakser kan bli utsatt for tidevannskrefter. Det er den samme fysiske mekanismen som danner flo og fjære på jorda.
Medlemmer av teamet for ARRAKIHS-instrumentene arbeider med den vitenskapelige nyttelasten.(Foto: Satlantis/ IDR/ UPM - ARRAKIHS Mission Consortium images)
Når en liten galakse nærmer seg en mye større galakse, trekker den store galaksens gravitasjon sterkere i den siden av den lille galaksen som er nærmest, enn i siden som er lengst unna.
– Stjernene kan da bli revet løs fra galaksen sin. Slik dannes det stjernestrømmer og diffuse stjernehaloer, forteller Shen.
Hun forklarer at også såkalte kulehoper kan bli revet i stykker av tidevannskreftene og danne stjernestrømmer. Kulehoper er tette, kuleformede samlinger av opptil millioner av stjerner som holdes sammen av tyngdekraften.
Kosmiske fossiler
– Ulike galakser av ulik masse vil ha sin egen halo av mørk materie, sier Shen.
Forskerne vil se nærmere på sporene etter gamle og oppslukte galakser. Grunnen er at de er skapt av prosesser som involverer både mørk materie og «vanlig» materie.
De svake stjernestrukturene som ARRAKIHS-teleskopet skal observere, fungerer som fossile spor etter kosmologiske hendelser.
Annonse
– Vanlige observasjoner av galakser viser først og fremst de lyssterke, sentrale delene. For å kunne se de svært svake strukturene må vi observere mye dypere, helt ned til svært lave nivåer av lysstyrke fra overflater, forklarer Shen.
Når forskerne gjør det, begynner de å se dverggalakser. Det er rester etter oppslukte galakser og diffuse stjernehaloer.
– Disse strukturene fungerer som fossiler. De kan fortelle oss hvordan galaksene er blitt dannet og utviklet, sier forskeren.
Forskerne skaper et virtuelt univers
Hennes forskningsgruppe er ansvarlig for å utvikle modeller som skal forutsi hvilke strukturer teleskopet kan forvente å observere.
– Vi ønsker å finne ut hvordan ulike prosesser for dannelse av galakser og ulike modeller for mørk materie kan påvirke de svake strukturene.
For å gjøre det brukes data-simuleringer. Der skaper forskerne et virtuelt univers. Simuleringene starter med de første endringene i tetthet som oppsto etter Big Bang. Deretter følger de utviklingen av universet helt fram til i dag.
– På denne måten kan vi undersøke hvordan galakser dannes og utvikler seg under ulike forutsetninger. Vi kan for eksempel sammenligne standardmodellen med kald mørk materie med alternative modeller.
Det kan være varm, mørk materie eller modeller der mørk materie påvirker seg selv.
Ikke alle funn stemmer med teoriene
Standardmodellen for mørk materie er nemlig at den er kald. At den ikke har vekselvirkninger med annen materie. Den kolliderer ikke.
Men kanskje det ikke er slik likevel?
Annonse
Shen forteller at mørk materie ofte beskrives som kollisjonsløs. Det er en modell som beskriver universets storskalastruktur svært godt. Likevel møter den utfordringer når forskerne studerer de aller minste og svakeste galaksene.
– Observasjoner av dverggalakser og ultrafine dverggalakser stemmer ikke alltid overens med teorienes forutsigelser, sier hun.
Datamodeller forutsier for eksempel langt flere små satellittgalakser rundt store galakser enn det forskerne faktisk observerer.
Avvik kan være enda mer spennende
– Et annet problem gjelder fordelingen av mørk materie inne i galaksene. Simuleringer av kald mørk materie forutsier at tettheten av mørk materie skal øke kraftig inn mot galaksenes sentrum. Observasjoner antyder derimot at fordelingen ofte er mye flatere, sier Shen.
Samtidig understreker hun at det nye teleskopet hovedsakelig vil undersøke stjernestrømmer og diffuse stjernehaloer, snarere enn bare dverggalakser.
Så hva ønsker forskeren mest? Håper hun at observasjonene fra ARRAKIHS skal bekrefte modellene deres eller håper hun at de skal vise noe uventet?
– Begge deler er interessante. Dersom observasjonene stemmer godt overens med simuleringene, betyr det at vi har forstått de underliggende prosessene ganske godt.
Men, sier hun, dersom observasjonene avviker fra modellene, kan det være enda mer spennende.
– Da kan det tyde på at det finnes prosesser eller fysikk vi ennå ikke har forstått.
