Himlens hemligheter: Vad är mörk materie?

Taggar: Teman: rymden

Himlens hemligheter:

VAD ÄR MÖRK MATERIE?

Text: Ragnhild Artimo

Bara en tiondedel — kanske hundradedel — av världsalltet består av synlig materie. Men astronomiska observationer visar att där ute mellan galaxer och cluster finns något vi inte kan se: mörk materie i massor. Vad består den av? Flyter galaxerna omkring i ett hav av tunga neutriner? Det tror

Kimmo Kainulainen.

begynnelsen var trängseln och den förfärliga hettan. ”Flytta på dig!” sa hår pressade partikelembryon åt varandra i allt mera irriterad ton. ”Jag vill sträcka på mig!” ”Nu beger vi oss någon annanstans! Alla på en gång!”

BANG!

Livsrum! Inga murar! Fritt fram åt alla håll! Här ute på vischan har man chansen att tackla de stora frågorna. som ”Vem är jag?” och ”Vad vill jag göra?”.

Medan de flög i alla riktningar och tog i besittning Tomrummet, var de alla tillräckligt nära varandra för också den svaga växelverkan. ”Låt oss göra något som visar alt vi varit här!” ropade de till varandra. ”Vi kunde kalla det Hela Rasket. elle — Neutrinerna har en viktig roll i kosmologin, och det är möjligt att den icke-synltiga delen av universum består av tunga neutriner. säger FD Kimmo Kainulainen. som analyserar dessa möjligheter i en färsk avhandling. Han skall nu arbeta två år som Nordita-forskare i Köpenhamn.

kanske Universum, det låter finare.” ”Men vi behöver element att bygga av! Låt oss börja med tre lätta element!” ”Jep. Ska vi kalla dem Deuterium. Helium och Litium? Och så kan de klistras ihop till tyngre och mer komplicerade element!”

Då hade det gått kanske 100 sekunder sedan startskottet. Samarbetsprojektet kom senare att hänvisas till som Den Primordiala Kärnsyntesen.

Ungefär 16 miljarder är senare intresserade sig en livsform i utkanten av en av de mindre galaxerna för hur allt hade gått till.

= & — Det är tydligt att utvecklingen inom partikelfysiken kommer att ha en stor betydelse för kosmologin och astrofysiken. säger FD Kimmo Kainulainen.

Hans bidrag till detta vetande. avhandlingen Aspects of Neutrino Cosmology, granskades i juni vid Helsingfors universitet, och baserar sig på undersökningar ut förda vid institutionerna för teoretisk fysik och högenergifysik tillsammans med docent Kari Enqvist och docent Jukka Maalampi.

— Också rön inom astrofvsiken kan i många fall visa sig fruktbara för partikelfvsiken som hämmas av att experimenten utförs på Jorden. Det symbiotiska förhållandet mellan partikel- och astrofysik har utvecklats till en separat forskningssektor. ofta kallad astropartikelfysik eller partikelkosmologi.

Inflation i kosmisk skala

Enligt den klassiska Big Bang-modellen skulle universum ha expanderat adiabatiskt, vilket emellertid har visat sig stöta på kurvatur- och horisontproblem. Observationer visar att universum är praktiskt taget ”platt” med en krökning på nära 0. Detta har initierat den sk inflationsmodellen, som baserar sig på antagandet att världsalltets utvidgning inte alltid är adiabatisk, utan har expanderat ”hoppvis”, som en ballong man först blåst upp på vanligt vis, sedan med ett högeffektivt tryckluftaggregat. varvid utvidgningen plötsligt accelererats. (En vidareutveckling härav är den sk kaotiska inflationsmodellen med galaxer och galaxhopar flytande på en oändlig massa bubblor.)

Inflationsteorin har utvecklats för att förklara vissa frågor som den kosmologiska standarmodellen går bet på, de sk naturlighetsproblemen e Varför är universum så gammalt? Med tätheten i den ursprungliga Big Bangmodellen borde universum ha dragit sig samman efter några sekunders utvidgning.

e Varför är den kosmiska bakgrundsstrålningen exakt likadan från alla håll e Hur har galaxer och stjärnor formats?

Spiralgalaxernas rotationshastighet på ba-. sen av mätningar visar att största delen a galaxernas massa b av osynlig — mörk — materie. På bilden Andromeda.

13/1990 FORUM

Inflationsmodellen, säger Kainulainen, fungerar som en automatisk reglerare av de olika parametrarna.

— Inflationsscenariet — förutsätter — att universum har en kritisk energitäthet. Mätningar och beräkningar visar att bara en hundradedel kan härröra sig från den optiskt observerbara. synliga materien. Det betyder att universum till största delen — kanske till 99 procent — består av vad som idag kallas mörk materie, dark matter, som inflationsteorin ”behöver”. och som hypotetiskt måste bestå av tunga elementarpartiklar vilkas identitet inte ännu klarlagts. Kandidaterna kan indelas i två huvudgrupper beroende på om de va rit relativistiska (”het nonrelativistiska (”kal -— Om den mörk mörk materie) eller ” mörk materie). materien är ”kall skulle galaxerna ha formats först. och de större strukturerna, cluster och supercluster, senare: är den ”het” är ordningsföljden den omvända. De facto skulle båda typer, kall och het, ha behövts för att förklara de storskaliga formationerna.

Ett jobb för neutrinon?

Det är för nyckelrollen i kall mörk materie som Kainulainen lanserar en hypotetis tung, svagt eller supersvagt växelverkande neutrino.

De senaste åren har flera olika kandidater för mörk materie marscherats fram. Experiment vid CERNs LEP-accelerator ger vid handen att en partikel för att fylla måttet. d v s passa in i inflationsmodellen. måste ha en massa som är minst hälften av Z-bosonens massa eller > 50 protoners massa.

— Färska experiment indikerar möjligheten av sådana tunga neutriner — eller andra partiklar som predikteras av de nya teorierna, t ex supersymmetrimodellen. Dessa partiklar skulle inverka på dvnami FÖRUN, 13/1990

NU HAR DU VARIT OCH RYMDPROME: NERAT I DEN DAR SVARTA SMÖRJAN IGEN!

AT DU INTE KAN LÄRA DIG, SMUTS — ken i galaxer, cluster och i hela världsalltet,

Jakten på dem pågår intensivt i laboratorier världen runt.

Neutrinofamiljen är som maffian: de flyr offentligheten men är mycket inflytelserika. Bara tre neutriner har med säkerhet identifierats.

— De tre arter som hittills experimentellt observerats är elektronneutrinon, samt den något tyngre myonen och Tauneutrinon. Av dem är det bara Tau-neutrinon som kunde kandidera för den mörka materien, men kandidaturen stupar på att en sådan modell inte tillfredsställande för klarar galaxstrukturerna. Vi behöver en ”mera vägande” partikel.

Måltavla för neutriner

Neutrino är italienska för ”den lilla neutrala”, Denna elementarpartikels existens hade förutsagts av Wolfgang Pauli redan 1933 men påvisades första gången i Los Alamos 1956.

Neutrinerna är de elektriskt laddade leptonernas sk partikelpar, i avsaknad av laddning. De bildas i stjärnornas fusionskraftverk. Vår egen Sol producerar varje sekund 2 x 10" (räkna 38 nollor!) neutriner, som åtta minuter efter sin tillblivelse når Jorden. Då de saknar massa färdas de med ljusets hastighet och passerar genom materiella hinder obehindrat. Varje kubikcentimeter ”innehåller” varje sekund ca 300 sk kosmiska neutriner. Enligt teoretiska beräkningar åker drygt 200 000 000 000 000 neutriner från Solen varje sekund genom var och en av oss. Lugn: de passerar helt spårlöst. Det enda de reagerar på är den svaga växelverkan.

På kosmisk nivå kan neutrinerna också ha andra implikationer än som eventuella byggstenar i mörk materie: de ”mixar” — dvs övergår från en art till en annan.

— Min avhandling inkluderar en undersökning om detta fenomen — att neutriner mixas är faktiskt ett naturligt fenomen om deras massa är en annan än noll. Speciellt intressant är en mixing av ordinära lätta neutriner och sk inerta supersvagt växelverkande neutriner. Exempelvis kan en elektronneutrino spontant förvandlas till en annan neutrino. En konsekvens av denna egenskap kan visa sig vara att relationen mellan deuterium och helium i världsalltet är en annan än tidigare teorier indikerar. LJ Åse Solen producerar neutriner i sitt fusionskraftverk. En utmaning för forskarna är att antalet observerade neutriner från Solen är för litet på basen av teorierna!