95 procent av universum existerar kanske inte

Förändrad gravitationslag gör mörk materia överflödig

Mörk materia uppfanns på 1970-talet eftersom observationer visade att stjärnornas beteende i galaxerna inte överensstämde med Newtons gravitationslag.

Enligt Newton avtar gravitationen från en stor himlakropp på en mindre himlakropp snabbt med avståndet. Det innebär att stjärnorna längst bort från galaxernas mitt borde slungas ut i rymden till följd av galaxens höga rotationshastighet om enbart massan från den synliga materian fanns där och kunde hålla kvar stjärnorna.

Därför lade forskarna till en kraft från en okänd, osynlig massa som fick universums ekvation att stämma.

Fysikern Mordehai Milgrom har emellertid uppfunnit teorin Mond, enligt vilken Newtons lag bara gäller i små system. Om gravitationen över stora avstånd avtar mindre behöver inte galaxerna den mörka materian för att hålla ihop.

Mörkret räddar Einstein

Begreppen mörk materia och mörk energi uppfanns och tillfördes kosmologin för att rädda Albert Einsteins allmänna relativitets­teori.

Einsteins komplicerade teoretiska arbete från år 1915 beskriver hur massan i rymden i kombination med tyngdkraften har skapat dagens universum. Teorin omfattar utvecklingen från stora smällen, som startade universums utvidgning, till vår tid. Relativitetsteorin har till och med bekräftats genom åtskilliga astronomiska observationer av hur universum fungerar. Därför förkastar forskarna inte Einsteins omfattande arbete bara för att nya observationer skapar ett problem med hur det kan förklaras.

Det skedde första gången år 1933. Då upptäckte den schweiziske astronomen Fritz Zwicky upptäckte att galaxhopen Coma inte uppförde sig enligt tyngdlagen.

LÄS OCKSÅ: 8 uppfinningar du kan tacka Einstein för

Enligt Newton har kroppar en ömsesidig dragningskraft som bestäms utifrån kroppens massa: Ju större massa, desto större kraft. Dessutom avtar en stor kropps dragningskraft på mindre, kretsande kroppar starkt över avstånd.

Zwicky hade observerat att galaxhopen Coma roterar så snabbt att tyngdkraften från enbart de synliga stjärnorna och gaserna i galaxerna omöjligt kan hålla samman hopen – den snabba rotationen borde slunga ut galaxerna åt alla håll. Han trodde därför att det måste finnas en osynlig massa i galaxhopen.

På 1970-talet visade flera observationer att samma problem gäller för de enskilda stjärnorna i individuella galaxer: Systemen roterar för snabbt för att kunna hålla kvar de yttersta stjärnorna i sina banor utan hjälp från tyngdkraften från en okänd massa. Därför uppfann forskarna en mystisk mörk materia som kunde lösa problemet.

Universum utvidgar sig snabbare

Med införandet av mörk materia fungerade relativitetsteorin igen – åtminstone fram till år 1998.Då upptäckte nämligen astronomerna att universums utvidgning accelererar.

Dessförinnan hade forskarna trott att utvidgningens tempo antingen var konstant eller avtagande eftersom drivkraften bakom härstammar från explosionen vid Stora smällen. De astro­nomiska observationerna visade att avlägsna exploderande stjärnor lyste oväntat svagt jämfört med supernovor som ­befann sig nära jorden.

Den rimligaste förklaringen till det var att de avlägsna supernovorna befinner sig längre bort från jorden än vad forskarna trott, eftersom universums utvidgning har ökat farten. Forskarna förklarade den allt snabbare utvidgningen med en mörk repellerande energi – och då fungerade ekvationen igen.

Einstein var i framkant – utan att veta om det

Införandet av mörk energi är förenlig med relativitetsteorin. Faktum är att Albert Einstein själv införde en form av repellerande energi i sitt arbete.

När teorin offentliggjordes år 1915 trodde astronomerna fortfarande att universum var statiskt och att galaxerna stod stilla. Därför införde Einstein en teoretisk repellerande kraft som stod emot tyngdkraftens försök att dra galaxerna mot varandra, så att jämvikt uppnåddes.

När Edwin Hubble år 1929 bevisade att universum inte är statiskt, utan utvidgas i alla riktningar sa Einstein dock att uppfinningen av den repellerande kraften var den största blundern i hans karriär.

Einstein var dock närmare Hubbles upptäckt än han förstod. Einstein såg på den repellerande kraften på fel sätt – som en motvikt till tyngdkraften – men hans teori har många likheter med den mörka energin.

Enligt relativitetsteorin innehåller vakuum av en viss storlek alltid samma mängd repellerande energi. I takt med universums utvidgning har vakuumet ökat och då har den mörka energin förstärkts. Enligt modern kosmologi blev repelleringen för sex miljarder år sedan så stark att den mörka energin övervann tyngdkraftens försök att dra ihop universum och fick utvidgningen att accelerera.

Universums mörka är teoretiska nödlösningar

Uppfinningen av mörk massa och mörk energi innebar enorma korrigeringar av kosmologin: Tillsammans utgör de 95 procent av universum. Ett så omfattande påstående kräver bevis.

Men varken astronomerna eller fysikerna har lyckats sprida ljus över universums mörka sida. Därför förkastar nu flera forskare idén som ett teoretiskt villospår och förlitar sig nu på andra teorier.

Den mest radikala idén kallas Mond och lanserades av den israeliske fysikern Mordehai Milgrom. Han hävdar att universums okända massa inte existerar.

Enligt honom beror förklaringsproblemet med ­galaxernas snabba rotation på ett fel i Newtons gravitationslag, som formulerades redan år 1666. Milgrom påstår att gravita­tionens styrka inte minskar lika mycket över stora avstånd som teorin förutsäger.

Enligt Mond gäller teorin i små system som exempelvis vårt solsystem, men i stora strukturer som en galax med en utsträckning av hundratusen ljusår gäller Newtons gravitationslag bara till en viss punkt beroende på systemets massa. Därifrån avtar gravitationen inte längre lika mycket som Newton hävdar. Därför är gravitationen från galaxens synliga materia ändå tillräckligt stor för att hålla fast de yttersta stjärnorna i sina banor.

Till en början avvisade de flesta forskare Milgroms teori. Han ger ingen förklaring till varför gravitationen fungerar annorlunda än man hittills har trott och hans förändrade gravitationslag beskriver inte universums utveckling ända från stora smällen.

Men nu har den amerikanske astronomen Stacy McGaughs observationer av 153 galaxer gett Mond vind i seglen. Teorin stämmer bra med hur galaxernas beter sig och förklarar deras rotation även utan mörk materia.

Accelererande utvidgning är en synvilla

Enligt traditionell kosmologi fick mörk energi universums utvidgning att accelerera för cirka sex miljarder år sedan. Fysikerna bakom en ny teori tror dock att varken mörk energi eller accelererande utvidgning existerar.

Enligt klassisk astronomi har universum en så kallad platt geometri, en likformighet som gör att parallella ljusstrålar alltid förblir parallella. Teorin innebär att strålarna varken korsar varandra eller sprids trots att ljuset rör sig genom hela universum.

Men enligt den nya teorin förändrades universums geometri för sex miljarder år sedan. Materia hade samlats i galaxhopar runt stora områden av vakuum, så att massan i universum var väldigt ojämnt fördelad.

Därmed kröktes rymden på ett sätt som började sprida de parallella ljusstrålarna över stora avstånd. Därför ser dagens universum större ut än vad det faktiskt är.

BEVIS: För att kunna ge stöd åt den nya teorin krävs en detaljerad kartläggning av rymdens utvidgning under universums historia. Astronomernas bästa ­verktyg blir satelliten Euclid, som sänds upp år 2020.

Mörk energi är ett räknefel

Även universums största beståndsdel – mörk energi – är utsatt när fysiker och astronomer reviderar den moderna kosmologin. En av de framväxande teorierna säger att behovet av mörk energi som drivkraft för universums utvidgning beror på ett enkelt räknefel.

Relativitetsteorins ekvationer är så avancerade att forskarna tvingas arbeta med förenklingar som kan skapa avvikelser i resultaten.

Forskare vid Loránd Eötvös-universitetet i Budapest, Ungern, anser att mörk energi är en nödlösning som är ett resultat av de förenklade beräkningarna. De har använt en ny förenkling som får universums accelererande utvidgning att fungera utan mörk energi. Därför anser de att kraften bara är ett rent påhitt.

Avgörandets stund är nära

De flesta kosmologer, astronomer och fysiker dock tror fortfarande på teorierna om mörk materia och mörk energi och arbetar hårt för att bevisa deras existens.

Men om inte forskarna får fram några resultat inom kommande år tvingas de inse att de har jagat något som inte finns.

Då får de istället kasta sig över de många framväxande alternativa teorierna för att förklara universums mystiska beteende.