Hundra år av spökjakt

En av dem som sökte kartlägga Vintergatans struktur och stjärnornas rörelser var den nederländska astronomen Jakobus Kapteyn. Det fanns något i dynamiken i den kosmiska dansen som störde Kapteyn. Den samlade gravitationen av alla synliga objekt räckte inte till för att förklara hur stjärnorna rörde sig. I en vetenskaplig artikel 1922 framkastade Kapteyn tanken att det måste finnas ”mörk materia” som teleskopen inte kunde registrera. Det här var en tid när man byggde allt större teleskop, så Kapteyn tänkte sig nog att man snart skulle kunna se den mörka materien. Han skulle ha blivit chockad över att denna materia fortfarande efter hundra år sätter myror i huvudet på forskarna trots prestandan hos 2000-talets superteleskop.

Vetenskapsjournalisten Govert Schilling beskriver dessa hundra år i The Ele­phant in the Universe. Our Hundred-Year Search for Dark Matter. Det är ett läsvärt stycke forskningshistoria av en skribent som astronomer har belönat med flera populärvetenskapliga priser; han har till och med fått en asteroid uppkallad efter sig. Tyvärr tyngs framställningen litet av Schillings benägenhet att droppa alltför många namn på forskare och titlar på vetenskapliga uppsatser. Jag kan inte göra mig fri från tanken att denna vana kan ha bidragit till hans popularitet i den astronomiska världen.

Bokens titel anspelar på den indiska fabeln om de blinda männen som försöker beskriva en okänd varelse och drar olika slutsatser om de råkar få tag på en snabel, en svans eller en bete. Schilling är en erfaren vetenskapsjournalist och vet att det har sina risker att borra ner sig i ett bokprojekt. Han har dock haft tur. Medan han på 1990-talet arbetade på en bok om sökandet efter exoplaneter kom upptäckten av den första exoplaneten. Och när han 2016 höll på att skriva en bok om gravitationsvågor tillkännagavs de första säkra indikationerna på sådana. Så när Schilling började intervjua forskare om mörk materia brukade han skämta om att en gåta som sysselsatt astronomer och fysiker i precis hundra år kunde få sin lösning när som helst. Han kan faktiskt få rätt. Två månader efter det att boken kommit ut görs det dramatiska antydningar från ett underjordiskt laboratorium i Gran Sasso, Italien, om att man snart kommer att publicera uppseendeväckande nya rön. Så kanske eller kanske inte… Mera därom senare.

Det fanns något i dynamiken i den kosmiska dansen som störde Kapteyn. Den samlade gravitationen av alla synliga objekt räckte inte till för att förklara hur stjärnorna rörde sig.

Jakobus Kapteyns observationer följdes av andra mätningar som visade att massan av lysande materia i rymden inte räckte till för att förklara hur galaxerna i en galaxhop rörde sig eller varför vår granne Andromedagalaxen med alltför hög hastighet är på väg mot oss trots universums expansion. Men det föranledde inte några mer dramatiska spekulationer om den mörka materiens natur. Man utgick från att det handlade om gravitation från kalla och mörka gasmoln och ytterst svaga dvärgstjärnor. Det gick att leva med en sådan världsbild. En vändpunkt kom 1970 när Vera C Rubin presenterade sina spektroskopiska mätningar av hur stjärnor rörde sig inne i galaxer. Det visade sig att de stjärnor som rörde sig i galaxens ytterområde rörde sig mycket fortare än de borde. För att förklara detta tvingades man anta att galaxerna omges av ett väldigt hölje av osynlig materia.

Senare har observationer med rymdobservatoriet Planck av den tidigaste strålningen – 380 000 år efter Big Bang – lett till man numera uppskattar att den mörka materiens massa är sex gånger större än den synliga materiens. Och när man väger in en annan faktor i bilden – den mörka energi som medför att universums expansion inte avstannar utan tvärtom accelererar – är det bara 5 procent av materia/energi-budgeten som vi vet något om. Många forskare känner sig illa till mods över denna situation. Man söker efter något utan att veta vad detta något är; man trevar över elefanten. Till och med den kosmologiska forskningens grand old man James Peebles, som belönades med 2019 års Nobelpris, säger sig vara olycklig över att han av teoretiska skäl har tvingats göra antaganden om mörk materia för att rädda dagens kosmologiska standardmodell.

Nya redskap som radioastronomi och datorsimuleringar har efter Vera Rubins mätningar tillkommit. I standardmodellen förklarar den mörka materien hur galaxerna fördelar sig över himlavalvet. Det är inte en jämn smet; galaxerna ligger i sjok som omger stora hål av tom rymd. Den mörka materien har spritt sig och bildat ett nätverk, ett skelett som dragit till sig den lysande materien.

Det står nu klart att den mörka materien inte är vanlig men svårobserverbar materia, utan en exotisk materia om vilken man bara med säkerhet kan säga att den utövar gravitation. Vissa astrofysiker har därför lämnat observatorierna och börjat bygga underjordiska detektorer. Man söker efter WIMP (”Weakly interactive massive particles”) som utan att störas kan passera tvärs genom jorden. De har alltså ingen elektromagnetisk växelverkan men förhoppningsvis interagerar de med den svaga kraften i den synliga materiens atomkärnor. En tänkbar kandidat har neutrinerna varit – dessa nästan masslösa partiklar varav miljarder passerar genom våra kroppar varje sekund utan vi märker något. Men de är numera avskrivna eftersom de har får hög energi och rör sig för fort. Den mörka materien bör till sin natur vara långsam.

Ett par kilometer under under kalkstenen i italienska Apenninerna ligger en hundra meter lång grotta. Detta är Laboratori Nazionali del Gran Sasso, världens största underjordiska laboratorium. Här finns en tank innehållande åtta ton xenon omgiven av ljusdetektorer. Om en WIMP skulle kollidera med en atomkärna av xenon kommer detektorerna att registrera detta. Men kosmisk strålning kan också utlösa ljusblixtar – den apenninska kalkstenen ska filtrera bort så många sådana störningar som möjligt. Det här är en uppskalad version av ett experiment som tidigare inte gett några säkra WIMP-indikationer. Det är just från det nya experimentet som de första resultaten väntas alldeles efter det att Govert Shillings bok har publicerats. Men det troliga är väl inte att XENONnT en gång för alla visar att den mörka materien finns och vad den består av, utan snarare att detektorn ger utslag för något – att man befinner sig i början av en lång forskningsprocess.

Det är vackert så. Man letar också efter WIMP:s i andra underjordiska anläggningar, i CERN:s stora ”protonkross” LHC i Genève samt på den Internationella rymdstationen ISS. I det sistnämnda fallet handlar det om en magnetspektrometer som ska registrera signaler av sönderfallande mörk materia. Resultatet är ännu så länge magert. Ett experiment kallat DAMA kan dock vara värt att nämna – även det i Gran Sasso. Här består detektorn av natriumjodidkristaller do­pade med tallium. Den bärande tanken i DAMA är att när solen rör sig genom den mörka materien samtidigt som jorden rör sig runt solen borde man i detektorn kunna se en säsongvariation i antalet träffar. 20 års körning av DAMA har också visat på en ojämn fördelning av registreringarna. Men resultaten är fortfarande omstridda.

Jakten på den mörka materien börjar likna ett slags besatthet. Det spelar ingen roll att man inte hittar något. Då är det åter dags för partikelfysikerna att släppa loss lite spekulativ fantasi och komma upp med en ny osynlighetskandidat. Vips har man ett nytt spår att följa till vägs ände. Den mörka materien låter sig inte slutgiltigt vederläggas – såvida inte någon ifrågasätter hela konceptet och avfärdar det hela som ett hjärnspöke.

Då ska man förstås ha en väldigt bra alternativ förklaring till hundra år av observationsdata. Det menar sig den israeliska fysikern Mordehai Milgrom ha. 1982 framkastade han en teori som har blivit känd som MOND (Modified Newtonian Dynamics). Milgrom påpekar att gravitationen är svag i utkanten av en galax. När den har sjunkit under ett visst gränsvärde beter sig inte stjärnorna som de enligt newtonska lagar borde. Milgrom har också visat på vilket sätt de aktuella formlerna måste modifieras. Med andra ord: man kan använda MOND för att göra förutsägelser om hur fort de yttre stjärnorna i en galax bör röra sig. Och det visar sig att dessa förutsägelser träffar rätt i fall efter fall. I en nypublicerad brittisk studie som inte relateras i Schillings bok tillämpas det här greppet på 150 galaxer och forskarna frågar sig om tiden nu inte är mogen att avskriva den mörka materien.

Ska vi revidera Newtons lagar? Det är ett beskt piller; naturlagar är nästintill heliga. Det är ett val mellan pest och kolera, fast pest är tydligen lite värre än kolera ändå. Förespråkarna för MOND är i minoritet. De hänvisar till principen om Ockhams rakkniv. Man bör välja den förklaring som är enklast och inte införa fler parametrar än nödvändigt. Och mörk materia är just en hypotes som leder till komplicerade förklaringar. Trots att Schilling uppenbarligen inte är en MOND-anhängare ställer han den laddade frågan om inte den mörka materien är ”den moderna fysikens epicykler”. Vad han syftar på är ett krystat försök att förklara varför planeterna skenbarligen rörde sig i öglor över stjärnhimlen innan den kopernikanska världsbilden slog igenom. Planeterna tänktes röra sig i banor runt jorden samtidigt som de också kretsade runt sin bana. Med den kopernikanska revolutionen fick planetbanorna en enklare förklaring.

Å andra sidan: Är det självklart att naturen gör allting på enklaste möjliga sätt? Schilling redovisar samvetsgrant alla synpunkter för och emot mörk materia. Vad man kanske skulle ha kunnat önska sig är inte bara hårda fakta utan också en idéhistorisk och psykologisk belysning av hur fysikerna och astronomerna tänker. Hundra års spökjakt kräver verkligen en diagnos. Gärna i detta århundrade.