Siden 1970-tallet har en rekke observasjoner indikert at mesteparten av materien i universet er i en ukjent form. Denne materien sender ikke ut målbare mengder synlig lys (eller andre typer elektromagnetisk stråling som radio- eller røntgenstråling) og kalles derfor "mørk materie". Hittil har den mørke materien bare blitt påvist indirekte, gjennom gravitasjonspåvirkningen den utøver på synlige stjerner og galakser. De mest populære teoriene for mørk materie innebærer at den mørke materien består av en "ny" type partikler som kun vekselvirker svakt med de materiepartiklene vi kjenner. Flere kandidater for mørk materie-partikler er blitt foreslått, basert på teorier innen elementærpartikkelfysikk, men ingen av disse kandidatene er blitt påvist gjennom eksperimenter hittil. Den mørke materien er dermed fortsatt et stort mysterium.
Alternative forklaringer?
Noen astrofysikere har derfor studert mulige alternative forklaringer på observasjonene som indikerer at det finnes mørk materie. Dersom gravitasjonskraften virker annerledes på meget store avstander enn det vi måler lokalt i vårt solsystem, kan det påvirke stjerners og galaksers bevegelser på en lignende måte som "normal" gravitasjon fra mørk materie. Det første forsøket i denne retningen var å foreslå en enkel modifikasjon av akselerasjonen i Newtons ligninger som kun ville gjøre seg gjeldende på tusener av lysårs avstand. Denne teorien kalles MOND (=Modified Newtonian Dynamics). MOND-teorien kunne forklare de observerte bevegelsene til stjerner i en galakse uten å ty til mørk materie, men teorien ble kritisert for å mangle et dypere teoretisk grunnlag, slik at den også kunne brukes til å gi teoretiske forutsigelser for andre typer astronomiske observasjoner.
Siden 2004 er det blitt lansert mer omfattende alternative gravitasjonsteorier som modifiserer Einsteins generelle relativitetsteori, og også kan brukes i andre sammenhenger. Mange astrofysikere, blant annet ved Institutt for Teoretisk Astrofysikk, har forsket på hvorvidt disse teoriene også er konsistente med observasjoner av kosmisk bakgrunnsstråling og fordelingen av galakser i universet. Alternative gravitasjonsteorier har hittil ikke kunnet utelukkes på bakgrunn av slike observasjoner.
Gigantkollisjon skiller ut mørk materie
En viktig grunn til at det er så vanskelig å skille mellom mørk materie og alternative gravitasjonsteorier er at den lysende og mørke materien stort sett er fordelt på samme måte i universet. Nå har man imidlertid funnet et system hvor de to materiekomponentene er tydeligere adskilt enn i noe annet objekt man har studert tidligere. En amerikansk forskergruppe ledet av Douglas Clowe ved University of Arizona har studert en gigantkollisjon mellom to galaksehoper i røntgenkilden 1E0657-558, som ligger 3.4 milliarder lysår fra jorden. Mesteparten av den vanlige materien i disse galaksehopene utgjøres av varm gass som sender ut røntgenstråling. I kollisjonen mellom to slike gassklumper utøves det et trykk på gassen (tilsvarende luftmotstanden vi opplever i jordens atmosfære) som gjør at gassklumpene blir bremset i sin bevegelse. Den mørke materien opplever ikke noe tilsvarende trykk, og to klumper av mørk materie kan derfor uhindret falle tvers gjennom hverandre. Den varme gassen henger dermed igjen i forhold til den mørke materien og de to gassklumpene ligger derfor bak sine tilhørende mørk materie-klumper. Gravitasjonslinse-effekten gir direkte bevis for mørk materie.
Den totale massefordelingen i 1E0657-558 kan måles ved hjelp av gravitasjonslinse-effekten. De to galaksehopene har en masse på ca. tusen billioner (10^15) ganger solens masse, og lysstråler fra fjerne objekter blir avbøyd i gravitasjonsfeltet til disse massive objektene. Avbøyningen gir opphav til en tilsynelatende forvrengning av bildet av bakenforliggende galakser, og massefordelingen i galaksehopene kan kartlegges basert på målinger av denne effekten. Observasjonene av gravitasjonslinse-effekten fra 1E0657-558 er foretatt ved hjelp av flere teleskoper i Chile og ved hjelp av Hubble-romteleskopet. Dersom det ikke fantes mørk materie, ville man forvente å måle høyest massetetthet ved de to gassklumpene. I steden viser gravitasjonslinse-målingene at massen er konsentrert i to klumper som begge ligger ca. en halv million lysår fra sine tilhørende gassklumper. Ingen av de alternative gravitasjonsteoriene kan forklare dette uten å anta eksistensen av mørk materie! Dette gir dermed det mest direkte beviset til nå for at mørk materie finnes.
Den mørke materien utgjør ca. 85% av massen i galaksehopene, mens den varme gassen utgjør 10-15%. Stjernene i galaksene som sender ut synlig lys utgjør bare "toppen av isfjellet", siden de innholder beskjedne 1-2% av all masse i galaksehopene.
Videre forskning: Hva er mørk materie?
Selv om vi nå har fått klarere bevis enn noensinne på at den mørke materien faktisk finnes, vet vi fortsatt ikke hva slags type partikler denne materien består av. Galaksehoper som 1E0657-558 kan være med på å gi oss svaret. For det første viser observasjonene av 1E0657-558 og tidligere gravitasjonslinsemålinger av galaksehoper, bl.a. foretatt av forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk, at mørk materie-partiklene ikke kan vekselvirke med hverandre i særlig grad, siden dette ville ført til en oppbremsing av de kolliderende mørk materie-klumpene, tilsvarende som for gassklumpene. I tillegg forutsier teoriene for noen av mørk materie - kandidatene at partiklene faktisk vil kunne sende ut røntgenstråling på bestemte bølgelengder. En slik stråling vil vanligvis drukne i røntgenstrålingen fra den varme gassen i galaksehopene, men vil være mye lettere å måle i objekter som 1E0657-558, hvor den mørke materien er adskilt fra gassen. Forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk deltar også i dette arbeidet.