Hvað getið þið sagt mér um hulduefni (e. dark matter)?

Svar

Hulduefni (e. dark matter) er í stuttu máli efni sem okkur er hulið sjónum; talið er að um 85% alls efnis í alheiminum sé hulduefni. Þetta efni veldur þyngdarhrifum á sama hátt og efni sem við sjáum, það er stjörnur, vetrarbrautir og svo framvegis. Allt efni sem við sjáum er úr svokölluðum þungeindum (e. baryons). En sumt efni sem sést illa (eða hreint ekki) getur líka verið úr þungeindum. Brúnir dvergar eru misheppnaðar stjörnur sem aldrei voru nógu massamiklar til að hefja helíumbruna og geilsa frá sér ljósi. Hvítir dvergar og nifteindastjörnur senda frá sér afar lítið ljós (hvítu dvergarnir þó sínu meira) og því getur það reynst stjörnufræðingum erfitt að greina þessi fyrirbæri. Þá láta svartholin ekki sjá sig nema efnið í aðsópsskífum þess komið upp um það. Þessi fyrirbæri eru einu nafni nefnd þynglar (e. MAssive Compact Halo Objects, MACHO's), þétt lítil fyrirbæri sem erfitt er að greina.


Nifteindastjarna eins og listamaður hugsaði sér hana.
Annar möguleiki er sá að hulduefni sé, að minnsta kosti að hluta til, úr efni sem eru ekki þungeindir. Sú gerð hulduefnis hefur enga rafhleðslu (ólíkt venjulegum atómum) og víxlverkar því ekki við rafsegulbylgjur (ljós). Sem dæmi um slíkar eindir má nefna fiseindir. Þær svara einungis áreiti tveggja hinna fjögurra grunnkrafta alheimsins: Veika kjarnakraftsins og þyngdarkraftsins. Hluta hulduefnisins vilja menn því eigna fiseindum. En massi þeirra er afar lítill, svo enn vantar talsvert upp á. Því telja menn að til séu eindir sem hafa svipaða eiginleika og fiseindir, það er að þær sjást ekki þegar við lýsum á þær með vasaljósi, en er miklu þyngri. Þær kalla menn drumbeindir (e. Weakly Interacting Massive Particles, WIMP's).


Vísindamenn hafa kortlagt dreifingu hulduefnis á tilteknu svæði á himni. Til þess studdust þeir við myndir frá Hubble sjónaukanum af stórum vetrarbrautaþyrpingum sem verka sem þyngdarlinsur. Þannig má mæla magn hulduefnis.
Rétt er að nefna að hulduefni og hulduorka eiga ekkert sameiginlegt nema að eðli þeirra er okkur að mestu hulin.

Sá fyrsti til að rökstyðja með ábyggilegum gögnum tilvist hulduefnis var svissneski stjörnufræðingurinn Fritz Zwicky (1898–1974). Á fjórða áratug síðustu aldar framkvæmdi hann mælingar á hraða vetrarbrauta í Coma-þyrpingunni. Með hjálp lögmála Newtons má þannig ákvarða massa þyrpingarinnar. Hlutfall massa efnis og ljóssins (ljósafls) sem frá því berst má einnig nota sem mælikvarða á magni sýnilegs efnis á tilteknu svæði í rúminu. Í ljós kom að massinn sem Zwicky mældi var miklu meiri en sá massi sem spá mátti fyrir um með hlutfalli massa og ljóss. Við vitum nokkurn veginn hve hátt þetta hlutfall er fyrir venjulegt efni sem lýsir og með því að mæla þetta hlutfall í öðrum vetrarbrautum má áætla magn hulduefnis. Zwicky taldi því að til að halda þyrpingunni saman væru einhver hulduefni til staðar. Með þessum hætti má líka ákvarða hlutfall venjulegs efnis og hulduefnis í alheimi á stórum kvarða.

Á sama hátt og mæla má hraða vetrarbrauta í vetrarbrautaþyrpingu, má mæla hraða stjarna í vetrarbrautum. Með lögmálum klassískrar eðlisfræði væntum við þess að snúningshraði efnis í vetrarbrautum minnki sem fall af fjarlægð frá miðju vetrarbrautar á svipaðan hátt og kúrfa A gerir á myndinni hér að neðan. Árið 1970 gerðu amerísku stjörnufræðingarnir Vera Rubin (f. 1928) og Kent Ford (f. 1931) mælingar á ljómlínum rafaðs gass í Andrómedu vetrarbrautinni, okkar næsta nágranna. Niðurstöður þeirra rannsókna komu ekki heim og saman við væntingar, en báru við kúrfu B á myndinni hér að neðan. Innan vetrarbrautarinnar hlýtur því að vera meira efni en við sjáum og það efni knýr þennan óvænta snúningshraða efnisins í skífu vetrarbrauta.



Í dag telja vísindamenn fyrir víst að hulduefni sé til, þó nokkuð sé enn á huldu um eðli þess. Ekki hefur tekist að finna þær eindir sem taldar eru ábyrgar fyrir öllum þeim massa sem virðist vanta í alheiminn. Við leitina hafa menn beitt stóra sterkeindahraðli evrópsku rannsóknastöðvarinnar í öreindafræði (CERN) og ýmsum nemum sem grafnir eru djúpt í jörðu.


Sterkeindahraðallinn í CERN.
Frekara lesefni af Vísindavefnum:

• Hvað getið þið sagt mér um fiseindir? eftir JGÞ
• Er til efni sem er ósýnilegt en hefur samt þyngd? eftir Þorstein Vilhjálmsson
• Hvað er hulduorka (dark energy)? eftir Kristján Rúnar Kristjánsson
• Hvernig á alheimurinn eftir að þróast og hvernig mun heimsmyndin breytast við það? eftir Ottó Elíasson

Heimildir og frekara lesefni:

• Bennett, J., M. Donahue, N. Schneider og M. Voit (2010). The Cosmic Perspective, 6. útg. San
  Fransisco: Pearson.
• Carroll, B. W. og D. A. Ostlie (2007). An Introduction to Modern Astrophysics, 2. útg. San Fransisco: Addison Weasley.
• Ryden, B. (2003). Introduction to Cosmology. San Fransisco: Addison Weasley.
• Vefsíða CERN um hulduefni og hulduorku.
• Vefsíða CMDS.
• Vefsíða NASA um hulduefni.
• Hulduefni. Grein á Stjörnufræðivefnum.

Myndir:

• Nifteindastjarna - Sótt 04.08.10
• Kortlögð dreifing hulduefnis - Sótt 04.08.10
• Hraða- og vegalengdargraf - Sótt 04.08.10
• Sterkeindahraðall CERN - Sótt 04.08.10

---

Upphaflega spurningin hljóðaði svo:

Ég var að velta fyrir mér hvað myrk efni (dark matter) er nákvæmlega.

Eftirfarandi spurningum var einnig svarað:

• Hvað er hulduefni?
• Úr hverju er myrkefni, svarta efnið úti í geimnum?