Hva er saken?

Dette Hyper Suprime-Cam-bildet viser en liten (14 bueminutt ganger 9,5 bueminutt) seksjon av galaksehoper med konturene av en mørk materiekonsentrasjon og en del av en annen sporet ut med konturlinjer. Stjernene og galaksene består av vanlig, 'lysende' materie. Subaru Telescope/National Astronomical Observatory of Japan

Vi er omgitt av materie. Faktisk ER vi materie. Alt vi oppdager i universet er også materie. Det er så grunnleggende at vi rett og slett aksepterer at alt er laget av materie. Det er den grunnleggende byggesteinen til alt: livet på jorden, planeten vi lever på, stjernene og galaksene. Det er vanligvis definert som alt som har masse og opptar et volum av plass.

Materiens byggesteiner kalles 'atomer' og 'molekyler'. De er også materie. Materien vi kan oppdage normalt kalles 'baryonisk' materie. Imidlertid er det en annen type materie der ute, som ikke kan oppdages direkte. Men dens innflytelse kan. Det heter mørk materie .

Normal materie

Det er lett å studere normal materie eller 'baryonisk materie'. Det kan brytes ned til subatomære partikler kalt leptoner (for eksempel elektroner) og kvarker (byggesteinene til protoner og nøytroner). Det er disse som utgjør atomene og molekylene som er komponentene i alt fra mennesker til stjerner.

Datamaskinillustrasjon av en atommodell som inneholder atomer, protoner, nøytroner og elektroner. Dette er byggesteinene i normal materie. Science Photo Library/Getty Images

Normal materie er lysende, det vil si at den samhandler elektromagnetisk og gravitasjonsmessig med annen materie og med stråling . Det skinner ikke nødvendigvis som vi tenker på en stjerne som skinner. Det kan avgi annen stråling (som infrarød).

Et annet aspekt som kommer opp når materie diskuteres er noe som kalles antimaterie. Tenk på det som det motsatte av normal materie (eller kanskje et speilbilde) av det. Vi hører ofte om det når forskere snakker om materie/antimaterie reaksjoner som kraftkilder . Grunntanken bak antimaterie er at alle partikler har en antipartikkel som har samme masse, men motsatt spinn og ladning. Når materie og antimaterie kolliderer, utsletter de hverandre og skaper ren energi i form av gammastråler . At skapelse av energi, hvis den kunne utnyttes, ville gi enorme mengder kraft for enhver sivilisasjon som kunne finne ut hvordan det skal gjøres trygt.

Mørk materie

I motsetning til vanlig materie er mørk materie materiale som ikke er lysende. Det vil si at den ikke samhandler elektromagnetisk og derfor virker den mørk (dvs. den vil ikke reflektere eller avgi lys). Den nøyaktige naturen til mørk materie er ikke godt kjent, selv om dens effekt på andre masser (som galakser) har blitt notert av astronomer som Dr. Vera Rubin og andre. Imidlertid kan dens tilstedeværelse oppdages av gravitasjonseffekten den har på normal materie. For eksempel kan dets tilstedeværelse begrense bevegelsene til stjerner i en galakse, for eksempel.

Mørk materie i universet. Kan den være laget av WIMPs? Dette Hyper Suprime-Cam-bildet viser en liten (14 bueminutt ganger 9,5 bueminutt) del av galaksehoper med konturene av en mørk materiekonsentrasjon og en del av en annen sporet ut med konturlinjer. Subaru Telescope/National Astronomical Observatory of Japan

For øyeblikket er det tre grunnleggende muligheter for 'ting' som utgjør mørk materie:

• Kald mørk materie (CDM): Det er en kandidat kalt den svakt interagerende massive partikkelen (WIMP) som kan være grunnlaget for kald mørk materie. Forskere vet imidlertid ikke mye om det eller hvordan det kunne ha blitt dannet tidlig i universets historie. Andre muligheter for CDM-partikler inkluderer aksioner, men de har aldri blitt oppdaget. Til slutt er det MACHOs (MAssive Compact Halo Objects), De kan forklare den målte massen av mørk materie. Disse objektene inkluderer svarte hull , eldgammel nøytronstjerner ogplanetariske objektersom alle er ikke-lysende (eller nesten det), men fortsatt inneholder en betydelig mengde masse. De ville lett forklare mørk materie, men det er et problem. Det måtte være mange av dem (flere enn man ville forvente gitt alderen til visse galakser), og deres fordeling må være utrolig godt spredt utover hele universet for å forklare den mørke stoffet som astronomer har funnet 'der ute.' Så, kald mørk materie forblir et 'arbeid som pågår.'
• Varm mørk materie (WDM): Dette antas å være sammensatt av sterile nøytrinoer. Dette er partikler som ligner på vanlige nøytrinoer bortsett fra at de er mye mer massive og ikke samhandler via den svake kraften. En annen kandidat for WDM er gravitinoen. Dette er en teoretisk partikkel som ville eksistere dersom teorien om supergravitasjon - en blanding av generell relativitetsteori og supersymmetri - få trekkraft. WDM er også en attraktiv kandidat for å forklare mørk materie, men eksistensen av enten sterile nøytrinoer eller gravitinoer er i beste fall spekulativ.
• Varm mørk materie (HDM): Partiklene som anses å være varm mørk materie eksisterer allerede. De kalles 'nøytrinoer'. De reiser kl nesten lysets hastighet og ikke 'klump' sammen på måter som vi projiserer mørk materie ville. Også gitt at nøytrinoen er nesten masseløs, ville en utrolig mengde av dem være nødvendig for å gjøre opp mengden mørk materie som er kjent for å eksistere. En forklaring er at det er en ennå uoppdaget type eller smak av nøytrino som vil ligne på de som allerede er kjent for å eksistere. Imidlertid ville den ha en betydelig større masse (og dermed kanskje lavere hastighet). Men dette vil sannsynligvis ligne mer på varm mørk materie.

Forbindelsen mellom materie og stråling

Materie eksisterer ikke akkurat uten innflytelse i universet, og det er en merkelig sammenheng mellom stråling og materie. Den forbindelsen ble ikke godt forstått før på begynnelsen av 1900-tallet. Det var da Albert Einstein begynte å tenke på sammenhengen mellom saken og energi og stråling. Her er hva han kom opp med: i følge hans relativitetsteori er masse og energi likeverdige. Hvis nok stråling (lys) kolliderer med andre fotoner (et annet ord for lette 'partikler') med tilstrekkelig høy energi, kan masse skapes. Denne prosessen er det forskere studerer i gigantiske laboratorier med partikkelkolliderer. Arbeidet deres går dypt inn i materiens hjerte, og søker de minste partiklene som er kjent for å eksistere.

Så selv om stråling ikke eksplisitt betraktes som materie (den har ikke masse eller opptar volum, i det minste ikke på en veldefinert måte), er den koblet til materie. Dette er fordi stråling skaper materie og materie skaper stråling (som når materie og antimaterie kolliderer).

Mørk energi

For å ta forbindelsen mellom materie og stråling et skritt videre, foreslår teoretikere også at det eksisterer en mystisk stråling i vår univers . Det heter mørk energi . Dens natur er ikke forstått i det hele tatt. Kanskje når mørk materie er forstått, vil vi også forstå naturen til mørk energi.

Redigert og oppdatert avCarolyn Collins Petersen.