Mörk materia, till sin natur, är osynlig. Vi kan inte observera det med teleskop, och inte heller har partikelfysiker haft någon tur att upptäcka det via experiment.

Så varför tror jag och tusentals av mina kollegor att det mesta av universums massa består av mörk materia, snarare än den konventionella materien som består av stjärnor, planeter, och alla andra synliga föremål i vår himmel?

För att svara på den frågan måste du förstå vad mörk materia kan och inte kan göra, förstå var i universum det lurar, och inse att "mörkt" bara är början på pusslet.

Osynlig påverkan

Vår berättelse om mörk materia börjar med hastighet och gravitation. I hela kosmos ser vi föremål som färdas i omloppsbanor under påverkan av gravitationen. Precis som jorden kretsar runt solen, solen kretsar runt mitten av vår galax.

Hastigheten som krävs för att hålla en himlakropp i omloppsbana är en funktion av massa och avstånd. Till exempel, i vårt solsystem, Jorden rör sig i 30 km per sekund, medan de mest avlägsna planeterna svänger i flera kilometer per sekund.

Vår galax är otroligt massiv, så solen kretsar i 230 km per sekund trots att den är 26, 700 ljusår bort från vår galax centrum. Dock, när vi rör oss längre från galaxens centrum, stjärnornas omloppshastighet förblir ungefär konstant. Varför?

Till skillnad från vårt solsystem, vars massa domineras av solen, massan i vår galax är spridd över tusentals ljusår. När man rör sig till större avstånd från det galaktiska centrumet, stjärnorna och gasen som är inneslutna inom denna radie ökar. Kan denna extra massa förklara de enorma hastigheterna för de mest avlägsna stjärnorna i vår galax? Inte riktigt.

På 1960-talet den banbrytande amerikanska astronomen Vera Rubin mätte omloppshastigheterna i Andromedagalaxen (galaxen bredvid Vintergatan) till avstånd av 70, 000 ljusår från den galaxens kärna. Anmärkningsvärt, trots att detta avstånd ligger långt bortom huvuddelen av Andromedas stjärnor och gas, omloppshastigheten förblev nära 250 km/s.

Detta fenomen är inte heller unikt för enskilda galaxer. Tillbaka på 1930-talet, Den schweizisk-amerikanske astronomen Fritz Zwicky fann att galaxer som kretsar i galaxhopar rörde sig mycket snabbare än väntat.

Vad pågår? En möjlighet är att en enorm mängd osynlig massa sträcker sig bortom stjärnorna och gasen. Det här är mörk materia.

Verkligen, Zwickys verk, Rubin och efterföljande generationer av astronomer indikerar att det finns mer mörk materia i universum än konventionell materia. (När det gäller mörk energi, det är en helt annan historia.)

Anmärkningsvärt, vår oförmåga att se eller upptäcka mörk materia ger ledtrådar om hur den beter sig. Den måste ha få växelverkan med sig själv och konventionell materia förutom tyngdkraften – annars skulle vi ha upptäckt att den sänder ut ljus och interagerar med andra partiklar.

Eftersom mörk materia mestadels interagerar via gravitationen, den har några märkliga egenskaper. Ett moln av het gas i rymden kan förlora energi genom att sända ut ljus, och därmed svalna. Ett tillräckligt massivt och kallt gasmoln kan kollapsa under sin egen gravitation och bilda stjärnor.

Däremot mörk materia kan inte förlora energi genom att sända ut ljus. Således, medan konventionell materia kan kollapsa till täta föremål som stjärnor och planeter, mörk materia förblir mer diffus.

Detta förklarar en uppenbar motsägelse. Även om mörk materia kan dominera universums massa, vi tror inte att det finns mycket av det i vårt solsystem.

Simuleringsframgång

Eftersom mörk materias rörelse enbart domineras av gravitation, det är också jämförelsevis lätt att modellera analytiskt och i simuleringar.

Sedan 1970-talet har vi haft formler för antalet strukturer av mörk materia, som också råkar förutsäga antalet massiva galaxer och galaxhopar. Vidare, simuleringar kan modellera uppbyggnaden av strukturer genom universums historia. Mörk materia-paradigmet passar inte bara data, den har prediktiv kraft.

Finns det något alternativ till mörk materia? Vi drar slutsatsen dess närvaro med hjälp av gravitation, men vad händer om vår förståelse av gravitationen är felaktig? Kanske är gravitationen starkare på stora avstånd än vi tror.

Det finns flera alternativa gravitationsteorier, med Mordehai Milgroms Modified Newtonian Dynamics (MoND) som det mest kända exemplet.

Hur skiljer vi mörk materia från modifierad gravitation? Väl, i de flesta teorier drar gravitationen mot massan. Således, om det inte finns någon mörk materia, gravitationen drar mot den konventionella materien, medan om mörk materia dominerar kommer gravitationen övervägande att dra mot mörk materia.

Så det borde vara lätt att säga vilken teori som är rätt, höger? Inte exakt, som mörk materia och konventionell materia ungefär följer varandra. Men det finns några användbara undantag.

Slå ihop moln av gas och mörk materia och något underbart händer. Gasen kolliderar och bildar ett enda moln, medan partiklarna av mörk materia bara fortsätter att röra sig under påverkan av gravitationen. Detta händer när galaxhopar kolliderar med varandra i enorma hastigheter.

Hur mäter vi gravitationens dragkraft i kolliderande galaxhopar? Väl, gravitationen drar inte bara på massan utan också på ljuset, så förvrängda bilder av galaxer kan spåra gravitationskraften. Och i kolliderande galaxhopar, gravitationen drar dit den mörka materien ska vara, inte mot det konventionella.

Ripplar i tiden

Vi kan se påverkan av mörk materia inte bara idag utan i det avlägsna förflutna, tillbaka till Big Bang.

Den kosmiska mikrovågsbakgrunden, efterskenet av Big Bang, kan ses åt alla håll. Och i detta eldklot kan vi se krusningar, resultatet av ljudvågor som färdas genom joniserad gas.

Dessa ljudvågor är resultatet av tyngdkraftens samspel, tryck och temperatur i det tidiga universum. Mörk materia bidrar till gravitationen, men reagerar inte på temperatur och tryck som konventionell materia, så styrkan på ljudvågorna beror på förhållandet mellan konventionell materia och mörk materia.

Som förväntat, Mätningar av dessa krusningar tagna av satelliter och markbaserade observatorier visar att det finns mer mörk materia än konventionell materia i vårt universum.

Så är ärendet avslutat? Är mörk materia definitivt svaret? De flesta astronomer skulle säga att mörk materia är den enklaste och bästa förklaringen till många av de fenomen vi ser i universum. Även om det finns potentiella problem för de enklaste modellerna av mörk materia, till exempel antalet små satellitgalaxer, de är intressanta problem snarare än tvingande brister.

Men faktum kvarstår att vi ännu inte har upptäckt mörk materia direkt. Det här stör mig inte särskilt, eftersom fysiken har en historia av partiklar som det har tagit decennier att direkt upptäcka. Om vi ​​inte har upptäckt det om 20 år kan jag vara orolig, men för nu slår jag vad om att mörk materia är den verkliga affären.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.