Hva er saken?

Vi er omgitt av materie. Faktisk er vi saken. Alt vi oppdager i universet er også materie. Det er så grunnleggende at vi ganske enkelt aksepterer at alt er laget av materie. Det er den grunnleggende byggesteinen i alt: liv på jorden, planeten vi lever på, stjernene og galakser. Det er typisk definert som noe som har masse og opptar et volum av plass.

Stoffets byggesteiner kalles "atomer" og "molekyler." De er også viktige. Saken vi kan oppdage normalt kalles "baryonisk" materie. Imidlertid er det en annen type materie der ute, som ikke kan oppdages direkte. Men dens innflytelse kan. Det heter mørk materie.

Det er enkelt å studere normal materie eller "baryonic materie". Det kan brytes ned i subatomære partikler som kalles leptoner (for eksempel elektroner) og kvarker (byggesteinene til protoner og nøytroner). Dette er det som utgjør atomer og molekyler som er komponentene i alt fra mennesker til stjerner.

Normal materie er lysende, det vil si at den interagerer elektromagnetisk og gravitasjonsmessig med annen materie og med stråling. Det lyser ikke nødvendigvis som om vi tenker på en stjerne som skinner. Det kan avgi annen stråling (for eksempel infrarød).

Et annet aspekt som dukker opp når materie diskuteres, er noe som kalles antimateria. Tenk på det som det motsatte av normal materie (eller kanskje et speilbilde) av den. Vi hører ofte om det når forskere snakker om materie / anti-materie reaksjoner som kraftkilder. Den grunnleggende ideen bak antimateriell er at alle partikler har en antipartikkel som har samme masse, men motsatt spinn og ladning. Når materie og antimateriale kolliderer, ødelegger de hverandre og skaper ren energi i form av gammastråler. At skapelse av energi, hvis den kunne utnyttes, ville gi enorme mengder kraft for enhver sivilisasjon som kan finne ut hvordan du kan gjøre det trygt.

I motsetning til normal materie er mørk materie materiale som ikke er lysende. Det vil si at den ikke samvirker elektromagnetisk og derfor virker den mørk (dvs. den vil ikke reflektere eller avgi lys). Den nøyaktige arten av mørk materie er ikke kjent, selv om effekten av den på andre masser (som galakser) er blitt bemerket av astronomer som Dr. Vera Rubin og andre. Imidlertid kan dens tilstedeværelse påvises av den tyngdekraften den har på normal materie. For eksempel kan dens nærvær begrense bevegelsene til stjerner i en galakse, for eksempel.

For tiden er det tre grunnleggende muligheter for "ting" som utgjør mørk materie:

• Kald mørk materie (CDM): Det er en kandidat som kalles den svakt samvirkende massive partikkelen (WIMP) som kan være grunnlaget for kald mørk materie. Imidlertid vet forskere ikke mye om det eller hvordan det kunne ha blitt dannet tidlig i universets historie. Andre muligheter for CDM-partikler inkluderer aksjoner, men de har aldri blitt oppdaget. Endelig er det MACHO-er (MAssive Compact Halo Objects). De kan forklare den målte massen av mørk materie. Disse objektene inkluderer svarte hull, eldgamle nøytronstjerner og planetariske gjenstander som alle er ikke-lysende (eller nesten så), men som fremdeles inneholder en betydelig mengde masse. De vil lett forklare mørk materie, men det er et problem. Det måtte være mange av dem (mer enn forventet gitt alderen til visse galakser) og distribusjonen deres måtte være utrolig godt spredt over hele universet for å forklare den mørke saken som astronomer har funnet "der ute." Så, kald mørk materie forblir et "verk i framgang."
• Varm mørk materie (WDM): Dette antas å være sammensatt av sterile nøytrinoer. Dette er partikler som ligner normale nøytrinoer, for det faktum at de er mye mer massive og ikke samvirker via den svake kraften. En annen kandidat for WDM er gravitino. Dette er en teoretisk partikkel som ville eksistere dersom teorien om overgravitet - en blanding av generell relativitet og supersymmetri - få trekkraft. WDM er også en attraktiv kandidat for å forklare mørk materie, men eksistensen av enten sterile nøytrinoer eller gravitinos er i beste fall spekulativ.
• Varm mørk materie (HDM): Partiklene som anses for å være varm mørk materie eksisterer allerede. De kalles "nøytrinoer". De reiser kl nesten lysets hastighet og ikke "klumpe sammen" på måter som vi projiserer mørk materie. Også gitt at nøytrinoen er nesten masseløs, vil det være nødvendig med en utrolig mengde av dem for å gjøre opp mengden mørk materie som er kjent for å eksistere. En forklaring er at det er en type eller smak av nøytrino som ennå ikke er oppdaget som vil være lik den som allerede er kjent for å eksistere. Imidlertid ville den ha en betydelig større masse (og dermed kanskje lavere hastighet). Men dette vil sannsynligvis være mer likt varm mørk materie.

Materie eksisterer ikke akkurat uten innflytelse i universet, og det er en merkelig forbindelse mellom stråling og materie. Denne forbindelsen ble ikke godt forstått før på begynnelsen av 1900-tallet. Det var da Albert Einstein begynte å tenke på forbindelsen mellom saken og energi og stråling. Dette er hva han kom frem til: i følge relativitetsteorien er masse og energi likeverdige. Hvis nok stråling (lys) kolliderer med andre fotoner (et annet ord for lette "partikler") med tilstrekkelig høy energi, kan det skapes masse. Denne prosessen er det forskere studerer i gigantiske laboratorier med partikkeloppsamlere. Arbeidet deres dykker dypt inn i hjertet av saken, og søker etter de minste partikler som er kjent for å eksistere.

Så mens stråling ikke eksplisitt anses som materie (den har ikke masse eller opptar volum, i det minste ikke på en veldefinert måte), er den koblet til materie. Dette er fordi stråling skaper materie og materie skaper stråling (som når materie og antimateriale kolliderer).

Tar saken-strålingsforbindelsen et skritt videre, foreslår teoretikere også at det eksisterer en mystisk stråling i vår univers. Det heter mørk energi. Naturen blir ikke forstått i det hele tatt. Kanskje når mørk materie blir forstått, vil vi også forstå naturen til mørk energi.

Redigert og oppdatert av Carolyn Collins Petersen.