HVIS DU SETTER en kaffekopp på en bordplate, vil den bli den stående der. Den detter ikke gjennom bordet. Det samme skjer når du står på et gulv. Tyngdekraften forsøker utrettelig å trekke deg ned mot jordas indre. Likevel er det noe i gulvet som like standhaftig holder deg på plass på jordas overflate.

Antageligvis synes du ikke dette er rart i det hele tatt. Men hvis du var satt sammen av mørk materie, ville virkeligheten sett helt annerledes ut. Da ville du ha falt rett gjennom gulvet, ned i bakken, inn i jordas mantel, og deretter fortsatt strake veien mot jordas indre.

BARE NAVNET «MØRK MATERIE» er nok til at tankene ledes mot middelmådige science fiction-serier. Likevel er den mørke materien høyst virkelig. Ikke bare er den virkelig, i universet er det antagelig omtrent fem ganger så mye mørk materie som det er vanlig materie. Med vanlig materie mener vi da ting som er laget av atomer, slik som deg og meg, kaffekoppen, jorda, sola, planetene, alle stjernene og i det hele tatt alt vi kan se rundt oss på jorda og på himmelen.

Men alle disse tingene utgjør altså bare en liten andel av all materien i universet.

At en klump med mørk materie ganske uforstyrret kan falle gjennom både gulv og jordskorpe, kommer av at den mørke materien ikke vekselvirker med vanlig materie. Det vil si at den rett og slett ikke kan kollidere med atomer, men ufortrødent beveger seg gjennom milevis av gulv eller berggrunn uten å la seg affisere det spor. Heller enn å spørre om hvordan den mørke materien kan unngå slike kollisjoner, kan det være naturlig å spørre hvorfor vanlige atomer faktisk kolliderer istedenfor å passere tvers gjennom hverandre.

ATOMER BESTÅR i all hovedsak av tomrom. I midten av et atom er det en knøttliten atomkjerne bestående av nøytroner og positivt ladede protoner, og rundt denne atomkjernen svirrer det lette, negativt ladede elektroner. Nesten all massen til et atom er trykket sammen i den bittelitte kjernen i midten. En slik atomkjerne er så tett at dersom vi hadde tatt hele menneskeheten og pakket den sammen like tett som en atomkjerne, ville vi alle sammen fått plass i en klump på størrelse med en sukkerbit. Som astronomen Frank Shu har påpekt, er dette en nyttig påminnelse om hvor mye av menneskeheten som bare er tomrom.

Når du står på et gulv er du altså en gigantisk konstruksjon av overveiende tomrom som hviler på en annen konstruksjon av tomrom, nemlig gulvet. At du likevel ikke detter inn mot jordas indre, skyldes det vi kaller elektromagnetiske krefter.

De elektromagnetiske kreftene virker på alle ting som har elektriske ladninger, slik som protonene og elektronene som atomene er bygget opp av. Det er disse elektromagnetiske kreftene mellom atomene som gjør både at vi henger sammen og at vi ikke faller igjennom gulvet. Lys trenger også elektriske ladninger for å kunne sendes ut og fanges opp. Det betyr at dersom vi ikke hadde bestått av atomer med elektriske ladninger, ville vi ikke bare ha falt gjennom gulvet, vi ville også ha vært usynlige.

«MØRK MATERIE» er rett og slett et navn vi har satt på materie som ikke inneholder elektriske ladninger. Mørk materie er dermed både usynlig, og den kan passere tvers igjennom oss uten at vi merker noe som helst. Men hvis vi ikke kan se den og ikke kan ta på den, hvordan kan vi da være overbeviste om at det finnes så mye av den?

Siden mørk materie har en masse, vil den påvirkes av tyngdekraften, akkurat som oss. Og akkurat som oss vil derfor en klump med mørk materie trekkes inn mot jordas sentrum. Og dersom vi hadde byttet ut sola med en like tung klump med mørk materie, ville jorda beveget seg videre i akkurat den samme banen som før, nå rundt en mørk materieklump.

Vi kan derfor se på hvordan ting i universet beveger seg på grunn av tyngdekraften fra mørk materie, og bruke dette til å lære om den.

Man har i mange år observert at de ytre delene av galakser, slik som vår egen Melkevei, roterer mye raskere rundt enn de burde ha gjort dersom det ikke fantes mørk materie. Hvis alt som fantes i galaksene var den vanlige, synlige materien, ville det ikke ha vært nok tyngdekraft til å holde stjernene fast. Stjernene ville da ha blitt slynget ut fra galaksen som teddybjørner fra en løpsk karusell. Dette skjer imidlertid ikke, og vi tror derfor at det er store mengder usynlig mørk materie i galaksene som er med på å holde stjernene på plass.

Indikajonene på at mørk materie eksisterer har vært mange og sterke i flere år. Likevel var det lenge mange som var skeptiske til teorien. Kanskje kunne slike ting som hurtigroterende galakser forklares på andre måter?

Noen mente at vi kanskje ikke hadde forstått godt nok hvordan selve tyngdekraften fungerer over store avstander. Kanskje det kunne forklare hvorfor galaksene roterer som de gjør.

SOMMEREN 2006 kom det som for mange har blitt stående som det endelige beviset på den mørke materiens eksistens, gjennom observasjoner av såkalt gravitasjonslinsing fra to kolliderende klumper med galakser.

Det er nemlig ikke bare planeter og kaffekopper som lar seg påvirke av tyngdekraft; også lysstråler vil bøyes når de beveger seg i nærheten av tunge objekter, enten objektene består av vanlig eller mørk materie. Observasjoner av slike lysbøyingseffekter ble gjort av det såkalte «Bullet Cluster», eller «Geværkulehopen». Galakser har en tendens til å opptre i grupper som vi kaller galaksehoper som består av en del galakser og litt gass. Geværkulehopen består av to slike galaksehoper som har kollidert i enorm hastighet. Under kollisjonen har gassen fra de to galaksehopene støtt sammen (siden gassen har elektriske ladninger).

Disse voldsomme gasskollisjonene gjør at det blir sendt ut energirike røntgenstråler vi kan observere på jorda.

De observerte røntgenstrålene i NASAs Chandra-teleskop er markert med rødt på bildet. Den mørke materien i de to galaksehopene har imidlertid passert uhindret gjennom kollisjonen. Ved å studere bøyingen av lys rundt geværkulehopen har man beregnet hvordan den totale massen til hopen er fordelt, og dette er markert med blå farge på bildet. Vi ser da tydelig hvordan den synlige materien har kollidert og stanset opp i kollisjonen. Resten av materien, som er mørk, har bare fortsatt ut på andre siden av kollisjonsstedet uten å stoppe opp.

FRA OBSERVASJONER av universet er vi altså temmelig sikre på at den mørke materien eksisterer. Hva den egentlig er for noe, er det ingen som er helt sikre på. Vi vet at en liten del av den mørke materien er såkalte nøytrinopartikler, men disse kan bare utgjøre en ørliten del av all den mørke materien. Selv om mørk materie ikke har elektriske ladninger, er det likevel mulig at vi kan klare å observere dem. Hvis en mørk materie-partikkel klarer å kollidere rett på den bittelille atomkjernen i midten av et atom, vil den kunne vekselvirke med atomet og gi effekter som vi kan lete etter.

Det er flere ulike eksperimenter som ser etter slike kollisjoner, men foreløpig uten å finne utvetydige signaler.

Mange tror løsningen på mørk materie-gåten vil komme fra LHC- partikkelakseleratoren på CERN, som begynte å kjøre i høst. Der kolliderer de protoner og blyioner i enorme hastigheter. I disse kollisjonene dannes det en rekke nye partikler man kan studere.

NOE AV DET man håper å se er såkalte supersymmetriske partikler. Teorien om supersymmetri sier at alle de vanlige elementærpartiklene vi har rundt oss har en supersymmetrisk partnerpartikkel. Problemet er at slike supersymmetriske partikler aldri har blitt observert. Hvis man klarer å observerer slike partikler, vil det løse en del svært viktige problemer i partikkelfysikken.

I tillegg tror man at en slik supersymmetrisk partikkel kan være det som utgjør den mørke materien. Observasjoner av supersymmetri på CERN vil derfor kunne løse ikke bare fundamentale problemer i den mikroskopiske partikkelfysikken, men også gi oss svaret på hva som er den dominerende materieformen i universet.

Denne artikkelen er skrevet for Magasinets nettredaksjon, og ikke publisert i papirutgaven. Har du spørsmål eller kommentarer, send dem til oss på e-post.