Kære bruger Denne pdf-fil er downloadet fra Illustreret Videnskabs website (www.illvid.dk) og må ikke videregives til tredjepart. Af hensyn til copyright indeholder den ingen fotos. Mvh Redaktionen
Astronomer har fundet usynlig galakse De mange milliarder lysende stjerner på himlen har en nærmest ufattelig masse. Men universet indeholder fem gange mere mørkt end lysende stof, og nu har astronomer omsider opdaget en galakse, der ikke indeholder én eneste funklende stjerne. Af Rolf Haugaard Nielsen Galaksedannelsen kører af sporet I universets barndom samlede det mørke stof sig i store skyer, der senere tiltrak fx brintatomer. I lysende galakser er atomerne efterhånden samlet til lysende stjerner, men i mørke galakser er noget gået galt. MICHAEL RIX AFBRUDT PROCES Halo af mørkt stof Astronomer mener, at der kort efter big bang opstod såkaldte haloer af mørkt stof. Det var disse ufatteligt store skyer, der senere blev galaksernes vugge. Spiren til en galakse Efter ca. en halv milliard år begyndte tyngdekraften at tiltrække almindelige atomer som fx brint. Atomerne blev samlet i enorme varme gasskyer i haloernes midte. NORMAL PROCES
D e gjorde opdagelsen allerede i 2000, men holdt kortene tæt ind til kroppen, til de var helt sikre. I galaksehoben Virgo, som ligger 50 millioner lysår borte, fandt engelske astronomer en kæmpemæssig sky af brintgas, der rummer masse nok til at føde 100 millioner stjerner og danne en middelstor galakse, som ville være synlig fra Jorden med et godt amatørteleskop. Men der er ikke en eneste stjerne at se. Astronomerne fra Cardiff University var straks klar over, at de måske som de første nogen sinde havde fundet en mørk galakse. Observationerne med radioteleskopet på Jodrell Bank Observatory viste nemlig, at brintskyen havde dannet en flad roterende skive ligesom stjernerne i Mælkevejen, og at skiven roterer så hurtigt, at brinten ville flyve ud i alle retninger, hvis skyen ikke blev holdt sammen af meget store mængder mørkt stof. Opdagelsen af brintskyen og dens opførsel blev hurtigt bekræftet med verdens største radioteleskop, Arecibo i Puerto Rico. Alligevel tøvede Robert Minchin og hans kolleger fra Cardiff med at fortælle om deres sensationelle observationer. Flere gange tidligere har astronomer fundet store, mørke brintskyer, som kan afsløres, fordi de udsender radiobølger. Men ved nærmere eftersyn har brintskyerne alligevel vist sig at være almindelige galakser, som rummede stjerner. Fem år gik med at undersøge den usynlige galakse i Virgohoben for ethvert spor af synligt lys med Isaac Newton-teleskopet på La Palma, men astronomerne fandt ikke en eneste lysende stjerne i den store brintsky, og i foråret 2005 annoncerede de endelig fundet af den mørke galakse VIRGOHI21. Opdagelsen skabte øjeblikkeligt stor interesse verden over. De kosmologiske teo rier, der beskriver universets oprindelse og udvikling, forudsiger nemlig eksistensen af mørke galakser, så det er naturligvis et gennembrud endelig at finde en. Robert Minchin mener, at der sandsynligvis findes masser af mørke galakser derude, og at fundet af VIRGOHI21 vil blive startskuddet til en storstilet jagt på andre mørke galakser. Mørkt stof samler galaksen Almindelige atomer, som er byggestenene i myriaderne af lysende galakser i rummet, udgør kun omkring fem procent af al masse i universet. 70 procent af massen menes at bestå af mørk energi, en mystisk frastødende kraft, som udspringer af Mørk galakse Efter milliarder af år har skyen endnu ikke dannet en eneste stjerne. Det er en mørk galakse som VIRGOHI21. CARDIFF ASTRONOMERS/ISAAC NEWTON TELESCOPE, LA PALMA Diffus gassky. I sjældne tilfælde forhindrer noget brintskyen i at køle ned og begynde at danne stjerner. Lysende galakse Efter omkring en milliard år opstår en helt almindelig galakse med lysende stjerner som fx NGC7479. NIK SZYMANEK/FTLLC Afkølet gassky. Normalt køler brintskyen ned, og atomerne begynder at klumpe sammen og danne stjerner.
selve det tomme rum, og som får universets udvidelse til at accelerere. De sidste 25 procent af massen er mørkt stof, som ingen med sikkerhed ved, hvad består af. Derimod har det længe været klart, at det mørke stof har spillet en hovedrolle ved galaksedannelsen i universets barndom og fortsat bestemmer galaksernes opførsel. Allerede i 1970 erne opdagede astronomer, at alle galakser indeholder mere masse end de synlige stjerner. Galakserne roterer nemlig så hurtigt, at stjernerne ville blive slynget ud i alle retninger, hvis de ikke blev holdt på plads af en stor, usynlig masse. Senere studier af Mælkevejen har vist, at en gigantisk kugleformet halo af mørk masse omgiver den flade roterende spiral af stjerner. Haloens diameter er 100.000 lysår, mens Mælkevejens skive, hvor hovedparten af stjernerne befinder sig, kun er omkring 650 lysår tyk. I 1998 viste observationer med den europæiske satellit Hipparcos, at den De almindelige atomer udgør kun fem pct. af universets vægt mørke masse er ekstremt tyndt fordelt ud over hele haloen. Når der er fem gange mere mørk end synlig masse i Mælkevejen, skyldes det alene haloens enorme rumfang. Det mørke stof blev dannet lige efter big bang, og i løbet af den første halve milliard år efter universets skabelse samlede tyngdekraften den mørke masse i haloer, der blev sædekorn for galakserne ved at tiltrække lette atomer som brint og helium. I begyndelsen var gasserne meget varme og uhyre tynde, men da universet var knap en milliard år gammelt, var gasskyerne i centrum af haloerne efterhånden blevet så kolde, at brintatomerne var blevet samlet i molekyler, og tætheden i gasskyerne var blevet flere millioner gange større. Derfor blev gassernes gravitationelle tiltrækning nu så stærk, at skyerne kondenserede til de første stjerner og startede galaksedannelsen. I mørke galakser som VIRGOHI21 er der imidlertid sket et eller andet, som i de 13 milliarder år siden universets dannelse har forhindret brintgasserne i at køle af, kondensere og danne stjerner. Hvis man kan finde årsagen, kan det skabe en bedre forståelse af mekanismerne bag galaksedannelsen og måske give svar på, hvorfor antallet af galakser især dværggalakser er langt mindre end forudsagt af de kosmologiske modeller. Muligvis er de manglende galakser mørke og usynlige som VIRGOHI21. I almindelige galakser som Mælkevejen er den mørke masse fem gange større end massen af de lysende stjerner. Men i VIRGOHI21 er forholdet radikalt Mørkt stof er universets usynlige gåde På trods af at man i mange år har vidst, at mørkt stof eksisterer, og at der findes ufatteligt meget af det, ved man endnu ikke med sikkerhed, hvad det er. Men der findes en række kvalificerede bud. 1. Udslukte stjerner En del af den mørke masse i universet kan være udbrændte stjerner af almindeligt stof. De usynlige stjerner kaldes for Massive Compact Halo Objects (MACHOs) og kan enten være resterne af en stjerne som Solen eller en større stjerne, der er eksploderet i en supernova. MACHOs er skabt i en galakse og kan ikke have været der før galaksen. De er heller ikke fordelt jævnt over hele galaksen, som observationer har vist er tilfældet med den mørke masse. Alt i alt kan udslukte stjerner højst udgøre nogle få procent af det mørke stof i universet. 2. Supersymmetriske partikler Superstrengteorien går ud på, at den fundamentale enhed i universet er små strenge, som, alt efter hvordan de vibrerer, kan danne elementarpartikler og formidle de fundamentale naturkræfter. Teorien forudsiger, at der findes supersymmetriske partikler, men deres eksistens er endnu ikke bevist. Partiklerne blev dannet lige efter big bang og er ifølge kosmologerne den mest sandsynlige kandidat til mørkt stof. De er tunge og kan udgøre hovedparten af den mørke masse i universet. 3. Axioner Kort efter big bang mener man, at der blev dannet store mængder axioner. Endnu er ingen axioner detekteret, men hvis teorien om dem holder stik, produceres de fortsat i stjerners indre. Ligesom supersymmetriske partikler er de ideelle kandidater til det mørke stof. Axioner er ganske vist lette, men hvis de findes, er der ekstremt mange af dem, og derfor kan de tilsammen udgøre en betydelig del af den mørke masse. Det fælleseuropæiske forskningscenter CERN arbejder intenst på at opspore en axion i den nye axiondetektor CAST.
anderledes. Her er massen af det mørke stof næsten tusind gange større end massen af brintatomerne i den roterende sky. Astronomernes gæt er, at brintgasserne er spredt så tyndt ud i den mørke galakse, at de ikke har kunnet kondensere og danne stjerner, men man ved ikke, hvorfor det forholder sig sådan. Gassen er gået af galaksen En af de mulige forklaringer er, at gassen blev trukket ud af den mørke galakse under dannelsen af Virgo-galaksehoben. Dengang var talrige unge galakser samlet i et meget mindre område end i dag. Fra dette område er de blevet spredt i alle retninger på grund af universets udvidelse, og under de kaotiske forhold i den unge galaksehob kan gasserne fx være blevet suget ud af VIRGOHI21 ved en kollision med en anden galakse eller ved tæt passage af en større galakse. Et andet spørgsmål er, hvor almindelige mørke galakser er. Et af de vigtigste motiver for at lede efter mørke galakser er, at computersimulationer i årtier har forudsagt eksistensen af langt flere små dværggalakser, end astronomerne har kunnet finde ved observationer. Fx skulle vor lokale gruppe af galakser indeholde hundredvis af dværggalakser ud over de to kæmper, Mælkevejen og Andromeda, men astronomerne har kun fundet 35, og det er en oplagt mulighed, at de manglende dværggalakser er usynlige ligesom den mørke galakse i Virgohoben. Hvis gasserne er blevet trukket ud af den middelstore galakse VIRGOHI21 i universets barndom via nærkontakt med andre galakser, kan den samme proces have haft en endnu mere dramatisk effekt på dværggalakser med mindre mørk masse til at holde på deres brintskyer. I 2004 opdagede en gruppe astronomer en dværggalakse, I Zwiggy 18, som ligger tæt på Mælkevejen, og som kun rummer unge stjerner, der er under en halv milliard år gamle. Enten er dværggalaksen blevet dannet for nylig, eller også har den eksisteret som en mørk galakse gennem 13 milliarder år, hvorefter stjernedannelsen af en eller anden ukendt årsag pludselig er gået i gang. Endnu et gådefuldt fund, som sammen med observationerne af den mørke galakse i Virgohoben sætter en tyk streg under hullerne i vor forståelse af mekanismerne bag galaksedannelsen. Spørgsmålene om de mørke galaksers dannelse og antal i universet kan kun besvares ved at finde flere af dem og udføre mere detaljerede observationer. Et nyt stort studie er netop blevet indledt på Arecibo-radioteleskopet, som er ti gange mere følsomt end teleskopet på Jodrell Bank Observatory. Og det skal nok lykkes astronomerne at udvide samlingen betydeligt. På blot få uger lykkedes det at identificere fire nye mulige kandidater til mørke, usynlige galakser. Find mere om emnet på www.illvid.dk 4. Neutrinoer Den mest almindelige partikel i universet er elektronens neutrale makker, neutrinoen. Neutrinoer blev dannet i stort tal ved big bang, men udsendes også fra fx fusionsprocesser i stjernerne. De små partikler vekselvirker næsten ikke med atomer, og det er blot få år siden, man konstaterede, at de i det hele taget har en masse. Neutrinoer er for hurtige til, at tyngdekraften kan samle dem i haloer, så de kan ikke være galaksernes sædekorn. Desuden er deres masse så lille, at de højst kan udgøre en lille del af universets mørke stof. I neutrinodetektorer som denne i Japan forsøger forskerne at aflure neutrinoer deres hemmeligheder. KAMIOKA OBSERVATORY, ICRR, UNI. OF TOKYO