Vårt universum består bara av fem procent vanlig, synlig, materia i form av atomer. Men desto mer mörk materia. Beräkningar visar att den materia som vi kan se helt enkelt inte kan vara allt som finns. Bland annat tyder galaxers rörelsemönster på att de påverkas av gravitationskrafter som inte går att förklara med enbart deras vanliga massa. Universum hålls helt enkelt ihop av gravitationskrafter från något som vi inte kan se.
Beräkningar visar att universum består av ungefär fem gånger så mycket osynlig mörk materia än den vanliga materian som vi kan se.
Passerar genom våra kroppar hela tiden
Mörk materia avger inte ljus, den är för liten och/eller för kompakt för att man ska kunna se den. De okända partiklarna går inte heller att detektera med elektromagnetiska instrument. Däremot tror man att de osynliga mörk-materia-partiklarna går att se indirekt – genom att mäta resultatet av att de kolliderar med vanlig fysisk materia.
– Miljardtals partiklar av mörk materia passerar genom våra kroppar varje sekund och ungefär en gång i månaden krockar en partikel med en atomkärna i oss, men eftersom krocken inte avger något ljus så handlar det om väldigt svaga krafter som inte orsakar någon skada, säger Katherine Freese.
För att försöka påvisa mörk materia, och ta reda på vad den består av, bygger forskare nu enorma mätinstrument på flera ställen. Ett av dem är anläggningen Ice-cube på Sydpolen, som har sensorer som är nedsänkta i isen. Där finns svenska forskare med i ett stort samarbete, precis som med Fermi-satelliten som snurrar runt jorden och är utrustad med detektorer för att mäta mörk materia.
– En väldigt spännande observation som Fermi-satelliten har gjort och som ingen kan förklara är att det kommer en signal från vintergatans mitt. Det skulle kunna vara energi i form av fotoner som avges när mörk materia kolliderar med sig själv, men vi vet inte än, säger Katherine Freese.
Svensk forskning stark inom mörk materia
I Sverige byggs även instrument till de laboratorier som försöker fånga de enormt små partiklarna av mörk materia. Vid Xenon dark matter project i Stockholm bygger man just nu en detektor som ska mäta resultatet av kollisioner mellan mörk materia och atomkärnor.
– Vi bygger nya sensorer som ska användas i Gran Sasso i Italien, i anläggningens stora fällor som ska fånga mörk materia, säger astro- och partikelfysikern Jan Conrad.
Kanske har forskare redan hittat den mörka materian
Ett antal tidigare kandidater till vad mörk materia är har redan strukits. Antimateria var en av dem, men andra verkar mer och mer troliga.
– Den mörka materian kan finnas i den sterila neutrinon, vita dvärgar, primordiala svarta hål, WIMP:s eller kanske axioner, säger astrofysikern Katherine Freese.
Den nyupptäckta galaxen Dragonfly 44 består näst intill helt av mörk materia. Galaxen syns i stjärnbilden Berenikes hår och är lika massiv som Vintergatan, men dess stjärnor avger väldigt lite ljus.
– Den mörka materian syns inte, men den hindrar inte heller ljus så om man skulle resa dit skulle man se planeter och stjärnor, men kanske lite glesare än vanligt. Jag ser på mörk materia som en osynlig materia som interagerar gravitationellt, säger astrofysikern Jessica Elevant.
Än så länge har försöken med att hitta mörk materia med hjälp av världens största partikelaccelerator LHC, Large Haldron Collider, inte lyckas påvisa de svårfångade partiklarna, men Katherine Freese tror att det kan vara möjligt när man ökar energin i anläggningen ytterligare. Hon tycker att alla de här projekten är spännande, men har särskilt stort hopp till DAMA-experimentet i Gran Sasso. Det bygger på idéer från hennes forskning och utnyttjar det faktum att jorden har olika hastighet i sin bana runt solen vid olika tidpunkter under året. Därför borde mängden mörk materia som passerar genom jorden också variera.
– De har sett variationer i mätresultaten som sammanfaller med jordens olika hastighet under året, i tio år, men vägrat att dela med sig av sina resultat. Nu kommer tre ytterligare forskningsgrupper att använda samma material i sina mätningar och då får vi veta om det är mörk materia som de ser, men någon annan förklaring till den årliga variationen finns inte, säger Katherine Freese.
”Inom fem år”
Så kanske är vi nu nära att förstå vad den mörka materian består av. Katherine Freese menar att det kan ske så snart som inom fem år.
– Jag tror att vi vet inom fem år, det är då vi har svaret, säger hon.
Hennes prognos bygger dock på att DAMA-experimenten i Italien bekräftas av de nya försöken på sydpolen. Freese kollega som parftikelfysiker, Jessica Elevant, är lite mer försiktig i sin gissning om vi nu får svaret på vad mörk materia är:
– Jag tror åtminstone att vi hittar svaret inom vår livstid.
Mer om forskningen kring mörk materia i veckans Vetenskapsstudion på SVT Play eller Kunskapskanalen från lördagen den 19 november.