Det saknas materia i universum

Universum och de galaxer som finns däri består av två typer av materia. Dels finns den "vanliga" materian – atomer, molekyler och joniserad gas. Den överväldigande delen av massan i vanlig materia är baryoner, partiklar uppbyggda av kvarkar. Dit hör exempelvis de protoner och neutroner som bygger upp atomkärnan. Den andra typen av materia är den så kallade mörka materian. Exakt vad den består av är en het fråga inom forskningen, men den mörka materians existens är oomtvistad.

Astronomerna kan mäta massan på galaxer och galaxhopar genom att mäta hur starka gravitationsfält galaxerna och hoparna har. Det går att göra genom att mäta hur fort galaxen roterar eller hur fort stjärnorna i en galax i genomsnitt rör sig. Astronomerna kan också mäta hur mycket vanlig, baryonisk, materia galaxerna innehåller genom att exempelvis mäta hur mycket ljus det kommer från galaxens stjärnor och hur mycket strålning det kommer från galaxens gasmoln.

Mindre galaxer – mer fel

Teoretiska beräkningar på hur mycket materia – baryonisk och mörk – som ska ha bildats vid Big Bang säger att 17 procent av materian ska vara baryonisk, och resterande 83 procent mörk materia. Nu har en grupp astronomer gjort den mest detaljerade sammanställningen hittills av hur det ser ut i verklighetens galaxer och galaxhopar. Och något stämmer inte.

– De har gjort en väldigt snygg sammanställning som lyfter upp det här problemet till en nivå där det verkligen kommer fram, säger Nils Bergvall, astronom vid Uppsala universitet och som forskar på galaxer.

Sammanställningen visar att stora galaxgrupper innehåller nästan de 17 procent baryonisk materia de ska. Men de mindre galaxerna innehåller allt mindre andel baryonisk materia och allt större andel mörk materia. De allra minsta galaxerna innehåller bara 0,2 procent baryonisk materia.

– Man ser en riktig snygg korrelation, säger Nils Bergvall.

Osannolik möjlighet

Vad är det då som pågår?

– Den naturliga slutsatsen är att de här små galaxerna gjort sig av med sin gas på något sätt, exempelvis genom starbursts.

En starburst är en explosiv period av stjärnbildning som kan blåsa ut gas ur en galax. Starbursts skulle kunnat göra att de lätta galaxerna inte kunnat hålla kvar baryonerna. De skulle då finnas i galaxens omgivningar någonstans.

– Problemet med det är att man gjort andra undersökningar för att leta just efter gas som blivit utkastad från galaxer, och de undersökningarna har i princip inte hittat någon sådan gas. Bättre modeller för starbursts visar också att det inte är så lätt att blåsa ut gas från galaxer som man tidigare trodde.

En annan förklaring är att de saknade baryonerna skulle finnas mellan galaxerna i det så kallade intergalaktiska mediet, den gas som finns spridd i galaxhoparna och inte hör till någon specifik galax.

– Man har hittat en del där, säger Nils Bergvall. Men långt ifrån alla. När IXO kommer upp så får vi ett teleskop med så bra spektral upplösning (kan skilja spektrallinjer som ligger väldigt nära varandra) att vi kommer att kunna säga mer definitivt hur det ser ut. Men det finns egentligen ingen som tror att det finns något starkt stöd för att baryonerna finns där.

Flyttar problemet

Att de saknade baryonerna skulle finnas i det intergalaktiska mediet flyttar egentligen också bara problemet. Den vedertagna modellen för hur stora galaxer byggs upp är att de blidas genom att mindre galaxer smälter samman. Och finns det alldeles för lite baryoner i de små galaxerna är det svårt att se hur de stora galaxerna kan innehålla en så mycket större andel baryoner än sina byggstenar.

Om baryonhalterna i de små galaxerna berodde på "miljöfaktorer" borde dessutom halterna av baryoner i dessa galaxer variera.

– Men det verkar inte vara så. De har nog sett ut så där sedan de bildades.

Fel på gravitationen

Det finns inga enkla förklaringar på problemet. Hur astronomerna än vrider och vänder på det lär svaret på problemet innebära att man måste byta fot på en eller flera punkter.

– En tänkbar lösning är MOND, eller något liknande, säger Nils Bergvall.

MOND står för MOdified Newtonian Dynamics och är som namnet antyder en modifikation av Newtons gravitationslag. Enligt MOND stämmer inte den Newtonska beskrivningen av gravitationen vid mycket små accelerationer och alltså svaga gravitationsfält. MOND kan förklara galaxers rotationskurva utan samma behov av mörk materia (som man alltså ännu inte hittat) som hos den Newtonska gravitationen, och MOND kan kanske också förklara de nu sammanställda baryonanomalierna.

– Det skulle då kunna vara så att de små galaxerna innehåller lite eller ingen mörk materia och alltså är betydligt lättare än vi trott. Rotationskurvorna skulle då vara en resultat av att vi använt Newtons gravitation istället för MOND. Då kan kanske andelen baryoner stämma.

MOND är fortfarande en minoritetsteori, men forskas synnerligt aktivt på MOND.

– Det har drällt av MOND-artiklar de senaste åren. På skalor som motsvarar galaxer och små galaxgrupper har MOND blivit starkare de senaste åren. Men de har fått rejäla smällar på större skalor. Men MOND kan ju också vara en approximation i sig, en del av en mer sofistikerad teori som ingen förstått än.

Egna observationer

Nils Bergvall och hans kollega Erik Zackrisson har gjort egna observationer som kan ha bäring på problemet. De har tittat de yttre delarna av väldigt ljussvaga galaxer och sett ett lite märkligt fenomen.

– När de här galaxerna har väldigt låg ljusstyrka per ytenhet så blir färgerna i ytterområdena, i vad som kallas för halon, rödare än de borde bli. Kanske kan det tyda på att det finns en hittills okänd masskomponent som visar sig i galaxernas ytterdelar, eller att det pågår en sönderfallsprocess  där kanske både baryoner och mörk materia är inblandade.

Men det går emot alla teorier idag. Det gör å andra sidan andra tänkbara förklaringar också.

– Vi kan ha överskattat mängden mörk materia av någon anledning, eller överskattat mängden baryoner som producerade i Big Bang. Men det är knappast sannolikt. Sen stämmer ju siffrorna rätt bra för stora galaxhopar. det är de små galaxerna som är problemet.

Den kanske minst exotiska förklaringen är att det finns en hel del fundamentala delar av teorierna om hur galaxer bildas och utvecklas som astronomerna fått om bakfoten. Men det är också svårt att bedöma hur sannolikt det är.

När IXO sänds upp i början av nästa decennium kanske astronomerna får svar på en del av dessa frågor. Än så länge är dock de saknade baryonerna ett mysterium.