Om mørkt stof og mørk energi


   >
   > hej mine spørgsmål er følgende:
   >
   > Hvad er mørkt stof?
   > Og hvad har det at gøre ved tyngdeloven?
   > Hvad er mørk energi?
   > Er vi i fare for at blive udvidet for meget?
   > Hvad har the big bang at gøre med mørkt stof/energi?
   >
   > tusind tak igen
   > med venlig hilsen Tobias svendsen


Hej Tobias,

Ingen ved præcis hvad mørkt stof er. Det eneste man ved er, at en række forskellige observationer ikke
kan forklares, hvis der kun er det stof vi kan se. Derfor tror vi at der noget stof vi ikke kan se,
og fordi vi ikke kan se det, kalder vi det "mørkt stof".

Når almindeligt, synligt stof som stjerner, gas og planeter udsættes for forskellige fysiske processer
— som f.eks. opvarmning, sammenstød, belysning og acceleration — udsender det lys ved forskellige
bølgelængder; det er derfor vi kan se det. Sådan er det — pr. definition — ikke med mørkt stof.
Det mørke stof kan ikke støde sammen med hverken sig selv eller med det almindelige stof. Den eneste
grund til at vi kan det er der, er at det påvirker det almindelige stof med sin tyngdetiltrækning.
Tyngdeloven siger, at masse, eller stof, tiltrækker hinanden, lige meget om det er mørkt eller almindeligt
stof.

Hvordan ved vi det mørke stof er der?

Blandt de forskellige måde at "se" det mørke stof på kan nævnes:

  • Galakse-rotationskurver: Stjerners hastighed rundt i galakserne afhængerne af, hvor meget galakserne
    vejer. Når man måler stjernernes hastigheder kan man se, at de bevæger sig meget hurtigere rundt end
    de burde. For at de ikke skulle flyve ud i alle retninger må der være noget mere stof end det vi kan se.
    Faktisk omkring 5–6 gange så meget. Det samme gælder for galaksernes egen hastighed rundt i galaksehobene.
    På figuren nedenunder ses en typisk såkaldt galakse-rotationskurve. x-aksen viser stjernernes afstand fra
    galaksens centrum, og y-aksen viser deres hastighed i en givet afstand. Den stiplede linie (A) viser hvilke
    hastigheder man ville forvente, hvis der kun var det stof man kan se. Den anden linie (B) viser de hastigheder
    man rent faktisk måler.


  • Tyngdelinser: Einstein relativitetsteori beskriver hvordan selvet Rummet krummer i nærheden af tunge
    objekter. Når lyset fra meget fjerne galakser kommer forbi en meget tung galaksehob følger det Rummets
    krumning, så billedet af galaksen forvrænges. Ved at måle på denne forvrængning, kan man måle hvor meget
    galaksehoben vejer, og her kommer man frem til samme resultat: Der må være 5–6 gange mere end det vi kan
    se, for at kunne forklare observationerne. På billedet nedenunder ses galaksehoben Abell 1689. De røde,
    bananformede linier markerer forvrængede billeder af fjernere galakser.


  • Kosmisk mikrobølge-baggrundsstråling: Hele Universet gennemtrænges af mikrobølger, der stammer tilbage
    fra dengang Universet kun var 380.000 år gammelt. Ved at studere disse mikrobølger kan man se hvordan
    forholdene var dengang. Dette var lang tid før der var dannet galakser og stjerner; Universet bestod på
    dette tidspunkt bare af en tynd suppe af varm gas. Gassen var næsten jævnt fordelt, men kun næsten, og
    klumpetheden afhang af forholdet mellem almindeligt og mørkt stof. Dette forhold kan så studeres i
    mikrobølgerne i dag.
  • Hvad er det mørke stof?

    Mange forskellige kandidater til hvad det mørke stof kunne være har været foreslået. Man kan dele disse
    kandidater op i MACHOs og WIMPs.

  • MACHOs står for MAssive Compact Halo Objects, altså kompakte objekter, der bevæger sig rundt omkring i
    en halo om galakserne. Dét kan f.eks. være almindeligt stof, der bare ikke lyser eller kan ses på normal
    vis, som f.eks. små, sorte huller eller brune dværge, dvs. stjerner der er for små til rigtigt at lyse.
    Man kan dog vise at MACHOs ikke kan udgøre en særlig stor del af det mørke stof.

  • WIMPs står for Weakly Interacting Massive Particle, altså partikler som kun vekselvirker svagt, dvs. kun
    støder sammen ekstremt sjældent. Disse kan igen deles op varme eller kolde, svarende til om de bevæger sig
    rundt med lysets hastighed (eller tæt på), eller om de bevæger sig med normale hastigheder. Den kandidat de
    fleste nok tror på, hører til den sidste kategori.
  • Hvad er mørk energi?

    Einsteins relativitetsteori viser også, at stof og energi er ækvivalent; det beskrives i den nok mest
    berømte formel, E = m c2, der siger at energien E er lig stoffets masse m gange lysets hastighed c i anden
    potens. Men der er også energi forbundet med tryk, på den måde at jo højere tryk (P) der er et sted, jo
    højere energitæthed (energi pr. volumen; ρ = E/V) er der, idet ρ = P/c2. Normalt er det ikke måleligt
    (fordi c er et meget stort tal, så ρ bliver meget lille), men hvis man har et ekstremt højt tryk, vil
    man kunne måle at de tiltrækker andet stof vha. tyngdekraften.

    Ud fra forskellige målinger kan vi se, at ca. 4.5% af Universet samlede stoftæthed — eller energitæthed —
    består af almindeligt stof, mens ca. 22% består af mørkt stof. De resterende ca. 74% består af en mystisk
    form for energi, der kan beskrives ved et negativt tryk, altså et tryk der er mindre end nul, dvs. mindre
    end vacuum. Det er svært at forestille sig, men hvor et almindeligt, positivt tryk giver en positiv
    energitæthed, og dermed en positiv tyngdekraft, giver et negativt tryk en slags negativ tyngdekraft, der
    presser alting væk fra hinanden.

    Ingen ved hvad den mørke energi er, kun at det lader til at være en egenskab ved selve det tomme Rum,
    og at det får det til at udvide sig. Én af måderne man kan se det på er, at meget fjerne galakser viser sig at
    ligge længere væk end de ville, hvis Universet kun bestod af almindeligt (og mørkt) stof. Universet har altså
    udvidet sig mere, end man skulle tro.

    Universets udvidelse

    Universet blev skabt for 13.7 mia. år siden i en slags gigantisk eksplosion — Big Bang. Det fik Rummet til
    at udvide sig og alting til at bevæge sig væk fra hinanden. På grund af tyngdekraften fra det almindelige
    og det mørke stof blev denne udvidelse langsomt bremset op, og en dag kunne man forestille sig, at stoffet
    blev bremset så meget op, at det begyndte at trække sig sammen igen. Men pga. den mørke energi begyndte
    Universet at udvide sig hurtigere og hurtigere. Jo mere Universet udvider sig, jo tyndere bliver tætheden
    af det almindelige og det mørke stof, men fordi den mørke energi er en egenskab ved selve det tomme Rum,
    bliver der mere af den jo mere Rummet udvider sig, og derfor accelererer Rummets udvidelse.

    Tyngdekraften fra stoffet er stærk nok til at holde stjernerne sammen i galakserne, og også til at holde de
    nærmeste galakser fast til hinanden, men galakser der ligger langt fra hinanden fjerner sig hurtigere og
    hurtigere fra hinanden. Langt ude i fremtiden, om milliarder af år, vil galakserne ligge langt fra hinanden,
    men dog stadig være galakser. Men hvis "frastødningskraften" af den mørke energi viser sig at blive stærkere,
    vil stjernerne på et tidspunkt blive revet ud af galakserne, planeterne blive revet væk fra stjernerne,
    og til sidst vil selve atomerne, dem som alting er bygget op af, blive revet fra hinanden. Foreløbig tyder
    det dog på, at frastødningskraften er mere eller mindre konstant.

    I Universet skabelse, Big Bang, blev selve Rummet og Tiden skabt, og tætheden af energi var meget stor.
    I starten fandtes alle mulige eksotiske partikler, der hele tiden blev skabt og ødelagt. Man ved ikke præcis
    hvordan selve stoffet blev skabt, men noget af energien blev lavet om til stråling, og noget af strålingen
    blev til partikler, altså almindeligt stof, mens noget af det blev til mørkt stof. Den mørke energi blev,
    og bliver stadig, skabt i selve Rummet.

    Opsummering

    Big Bang var altså den begivenhed hvor selve Universet blev skabt, mens mørk stof og energi er dét, der er
    i Universet. Selv om vi har en ide om, at det mørke stof er en form for meget lille partikel, ved vi ikke hvad
    hverken dét eller den mørke energi er, men vi ved hvad det gør ved Universet: Det mørke stof bremser Universets
    udvidelse vha. tyngdekraften, men den mørke energi accelererer udvidelsen. Sandsynligvis får denne acceleration
    "blot" alle galakserne til at fjerne sig fra hinanden, men er ikke kraftig nok til at rive galakserne i stykker,
    men hvis vi er uheldige kan den vise sig at være kraftigere. Det får dog ikke noget at sige før om mange milliarder år.

    Fordi den mørke energi kan beskrives matematisk med den såkaldte "kosmologiske konstant" som Einstein
    indførte med sin relativitetsteori, benævnt med et Λ (lambda), og fordi det mørke stof fortrinsvis
    bevæger sig med "lave" hastigheder — altså er "koldt" — kaldes den model som de fleste tror beskriver
    vores Univers bedst for ΛCDM-modellen, hvilket står for "Lambda-Cold-Dark-Matter".


    Bedste hilsener,
    Peter Laursen

    (Du kan se flere svar til interesserede læsere her, under "Brevkasse".)