Verdensrommets hemmeligheter

Også det usynlige finnes

Det kan høres absurd ut – at all den synlige materien vi kan se rundt oss bare utgjør en ussel tjuendedel av alt som finnes der ute.

«Nå, de forskeran si’ no så mye rart», sa min bestefar. En fornuftig kar. Jernbanemann – en klok sådan – og for meg står han i dag som selve symbolet på det sunne folkevettet.
Nå har jeg skrevet en bok om universet. Ikke bare om stjerner, planeter og sånt som vi kan se på himmelen. Nei, hovedtemaet er det usynlige universet – de 95 prosentene av kosmos som vi mener består av det vi kaller mørk materie og mørk energi. Dette er substanser som skiller seg fundamentalt fra den synlige virkeligheten som både vi og alle stjernene vi kan se består av. Mørk materie og mørk energi er usynlige. Likevel mener vi å ha svært gode grunner til å hevde at de finnes i enorme mengder rundt oss i universet.

Det kan umiddelbart høres absurd ut – at all den vanlige, synlige materien vi kan se rundt oss bare utgjør en ussel tjuendedel av alt som finnes der ute. Hva min bestefar ville ment om en slik påstand er ikke vanskelig å gjette: Joda, jeg hører hva du sier, og jeg tviler ikke på at du har gode argumenter. «Men de forskeran si’ no så mye rart».

Bestefars utsagn kan skyldes at forskningsresultater strider mot sunn fornuft – slik som påstanden om at 95 prosent av universets innhold er usynlig. Det kan også bunne i et syn på forskningsaktivitet som irrelevant. Hva ville det hatt å si for bestefars liv og laden om universet er fylt av usynlige substanser? Hvorfor skulle han bry seg?: «De forskeran si no så my rart. Men no må æ vask koppa.»
Bestefars ståsted er ikke vanskelig å forstå. Må man virkelig forholde seg til obskure oppdagelser som befinner seg lysår utenfor den nyttige kunnskap og sunne fornuftens sfære?

Men den sunne fornuften er en dynamisk størrelse. Ta for eksempel forestillingen om at jorda er rund, eller at jorda vår ikke er sentrum i solsystemet. Begge deler er forestillinger som vi i dag tar for gitt og som er en del av vår kulturelt tillærte sunne fornuft. Samtidig er det påstander som på andre tidspunkter i historien ville blitt sett på som galskap og i strid med elementært folkevett. Tilsvarende kan dagens obskure mumbo jumbo bli morgendagens sunne fornuft. Kanskje vil barna eller barnebarna mine vokse opp til å anse universets usynlige ingredienser som like selvfølgelige som at jorda går rundt sola og ikke omvendt. Og hvorfor er det meningsfullt å kjenne til det unyttige? Og er kunnskap om mørk materie og mørk energi unyttig?

Nordisk Optisk Teleskop på La Palma. To-timers eksponering med Nordstjerna i midten av sirkelbuene. Foto: Jostein Riiser Kristiansen.
Sentrum av Melkeveien sett fra kanariøya La Palma, der flere astronomiske observatorier befinner seg. Bildet er også benyttet på forsiden. Foto: Jostein Riiser Kristiansen

I et samfunnsperspektiv kan svaret på det siste spørsmålet godt være nei. Det finnes riktignok ingen planer for hvordan mørk energi eller mørk materie kan være nyttig for «det grønne skiftet» eller gi oss raskere datamaskiner. Men elektrisitet og kvantefysikk var også en gang «unyttig» grunnforskning. Forskning på stearinlys ville aldri gitt oss en elektrisk lyspære.

Men for alle andre som ikke skal utvikle fremtidens teknologi – hvorfor bry seg? Blant annet fordi nye erkjennelser kan gi et kick som kan sammenlignes med, om ikke overgå, de største kunstopplevelser. Ta noe så enkelt som synet av en halvmåne på himmelen. Jeg kan fortsatt huske første gangen jeg ble bevisst at halvmånen ikke bare er en lysende flat halv pannekake på nattehimmelen, men at det faktisk er en kule som blir belyst fra siden. Bare det å se månen på en slik måte kan være en stor opplevelse. Ikke fordi synsinntrykket har endret seg, men fordi fortolkningen av synsinntrykket har fått en ny dimensjon.

Å observere stjernehimmelen med en erkjennelse av alt det eksotiske og kontraintuitive som trolig befinner seg mellom stjernene, gir en tilsvarende opplevelse. Men også mer. For der, mellom stjernene, befinner to av dagens naturvitenskaps største mysterier seg: For hva er mørk materie og mørk energi? Vi vet ikke. Men det forskes og observeres, og det er ikke usannsynlig at vi i løpet av de kommende årene vil kunne fravriste naturen svar. Vi står her med 95 prosent ukjent univers rundt oss, og kanskje kan vi snart forstå. Vi kan stå under himmelen og stirre grensene for menneskehetens kunnskap i hvitøyet.

Jeg synes det er mektig. At det finnes noe så stort som vi vet at vi ikke vet, og som vi kanskje snart kan finne svaret på. Og selv om jeg personlig er ateist, er det ikke vanskelig å relatere seg til religiøse mennesker med misjonerende tilbøyeligheter: «Hei, dere! Vi er en gjeng her som har erkjent noe stort. Noe enormt! Kom og ta del i det, dere også! Vi vil at dere skal se det samme som oss!». Når jeg skriver bok om universet er det noe av det samme jeg vil formidle. Likevel, forskjellene mellom religiøs og astrofysisk misjonering er like store som forskjellene mellom religiøs og vitenskapelig erkjennelse. Vitenskap er å systematisere så objektive observasjoner som mulig inn i et mest mulig enhetlig rammeverk.

For når de fleste astronomer tror at universet er fylt av mørk materie og mørk energi, er det ikke fordi vi har forlest oss på science fiction og synes det er ustyrtelig morsomt å finne på obskure substanser som vi kan dytte inn i verdensbildet vårt. Tvert imot. De aller fleste vil ønske å forklare universet ut i fra fysikk som vi allerede kjenner – de fysiske kreftene vi kan studere på jorda, elementærpartiklene som våre umiddelbare og velstuderte omgivelser er bygd opp av, og så videre. Vi ønsker et bilde av naturen som er enklest mulig, men som samtidig kan beskrive alle observasjoner vi gjør. Og det er observasjoner som har presset fram behovet for mørk energi og mørk materie. Helt siden 1930-tallet har stadig nye studier av stadig nye fenomener langsomt presset universets usynlige ingredienser inn i astrofysikernes verdensbilde. Ikke fordi vi liker det – men fordi vårt ønskebilde av universet har måttet vike for empiriens stadig mer insisterende hinting om at det må være noe mer der.

Mørk materie og mørk energi er usynlige og kan dermed ikke observeres direkte. Men vi kan se hvordan de påvirker den synlige delen av universet. Mørk materie er et navn på noe som ikke vekselvirker med lys, men som har en masse. Den veier noe. Alt som har en masse vil påvirke omgivelsene gjennom tyngdekrefter. Og der ute i universet er det i hovedsak tyngdekreftene som dikterer hvordan himmelobjektene beveger seg.

Vi kan observere hvordan galakser med milliarder av stjerner roterer. Vi kan se hvordan galakser beveger seg i galaksehoper – svermer med hundre- eller tusenvis av galakser. Vi kan kartlegge hvordan galaksehopene fordeler seg utover i universet. Vi kan se på mikrobølger fra universets barndom og hvordan lys fra fjerne objekter avbøyes av tyngdekrefter på sin vei gjennom rommet. Observasjonene nevnt over dekker et enormt spekter av ulike størrelsesskalaer og potensielle feilkilder. Men alle observasjonene peker i retning av den samme mørke materien. Bildet som tegnes opp er et univers der det for hver kilo med vanlig, synlig materie finnes fem kilo med mørk materie.

Her på jorda forholder vi oss til tyngdekrefter hele tida. Hvis det er så mye mørk materie i universet, hvorfor merker vi ikke mer til den? Fordi det er veldig lite av den her. Når noe, for eksempel en kaffekopp, er synlig, skyldes det at kaffekoppen er bygget opp av elektroner og protoner som har elektriske ladninger. Det er disse elektriske ladningene som kan fange opp og sende ut lys. Men elektriske ladninger gjør ikke bare kaffekoppen synlig. Det er også de elektriske ladningene som gjør at kaffekoppen henger sammen. Og det er elektriske ladninger som hindrer koppen i å forsvinne gjennom både bord og gulv, og falle gjennom hele jordkloden. Når mørk materie mangler elektriske ladninger og dermed er usynlig, betyr det også at mørk materie ikke kolliderer og henger sammen i tette strukturer som planeter og solsystemer.

Så selv om det er mye mørk materie i universet, vil den være smurt jevnere utover enn den synlige, kolliderende og klumpdannende vanlige materien. På universets store skalaer er den viktig, men her på jorda er den tynne mørk materie-suppa knapt merkbar. Mørk energi er også noe som er usynlig og dermed uhåndgripelig. Akkurat som mørk materie, påvirker også den mørke energien universet gjennom tyngdekrefter. Forskjellen er at mørk energi virker med frastøtende tyngdekrefter. Hvis du kunne laget en kaffekopp av mørk energi, ville den falt oppover. (artikkelen fortsetter under bildet)

I år 1006 e. Kr. ble en eksploderende stjerne (supernova) observert av verden over. Slik ser restene etter eksplosjonen ut i dag. Fjerne supernovaeksplosjoner brukes til å måle hvordan universet utvider seg. Fargene er kunstige. (NASA).

Den mørke energien manifesterer seg gjennom hvordan universet utvider seg. Helt siden universet vårt oppstod i et Big Bang for om lag 14 milliarder år siden, har det vokst og blitt større. Men slik en stein som kastes oppover i lufta stadig vil bevege seg saktere, skulle vi forvente at universet utvider seg stadig saktere, bremset av sine egne tyngdekrefter. Det vi observerer er det motsatte – et univers som utvider seg stadig raskere. Det må være noe som dytter det utover, og dette «noe» har vi kalt mørk energi.

Mørk materie og mørk energi har det til felles at vi ikke vet hva de egentlig er for noe. Vi ser effektene de har på universet, men vi har ingen godt verifiserte hypoteser for hva de er. Vi vet ikke hvordan de skal innpasses i våre grunnleggende modeller for hvordan verden henger sammen. Når vi påstår at mørk materie og mørk energi eksisterer, er ikke det kunnskap som er hugget i stein. Fysikere og astrofysikere leter intenst etter alternativer. Kan det være beskrivelsen vår av tyngdekrefter som er feil? Er det observasjonene som lurer oss? Så langt er hypotesene av mørk materie og mørk energi det som gir overlegent best samsvar med observasjoner. Og uansett hvor mye vi måtte mislike slike usynlige substanser, må vi forholde oss til det observasjonene forteller oss. Men det er lys i mørket. Stadig nye eksperimenter og observasjoner benyttes på stadig nye måter og med stadig større presisjon, i letingen etter den mørke materien og den mørke energiens natur. Særlig er det håp for at vi har begynt å sirkle inn den mørke materiens egenskaper. Det er en spennende tid for de store uavklarte universmysteriene.
Å stå under stjernehimmelen og kjenne til disse mysteriene som gjemmer seg der oppe, gjør ikke den overveldende og gåsehudfremkallende følelsen mindre. Tvert imot.

Bestefars innvending om at forskere sier mye rart får stå sin prøve. For misjoneringen om mørk materie og mørk energi skyldes ikke at forskere er virkelighetsfjerne. Tvert imot er dette begreper som observasjoner av virkeligheten har tvunget oss til å måtte forholde oss til. Det ser ut som om de er der, selv om de fortsatt er pakket inn i et mysteriens slør. Jeg liker mysterier. Særlig de som kan løses.

Fredager sender vi ut nyhetsbrev med ukas saker, tips, triks, spillelister og underlige værmeldinger. Du får det her.