Den största delen av vårt universum är dolt i det fördolda. Även om vi inte kan se eller röra det, säger de flesta astronomer att majoriteten av kosmos består av mörk materia och mörk energi. Men vad är detta mystiska, osynliga material som omger oss? Och vad är skillnaden mellan mörk energi och mörk materia? I korthet bromsar mörk materia universums expansion, medan mörk energi snabbar upp den.

Den mörka materian fungerar som en attraktionskraft – ett slags kosmiskt cement som håller ihop vårt universum. Detta beror på att mörk materia visserligen interagerar med gravitationen, men att den inte reflekterar, absorberar eller avger ljus. Samtidigt är mörk energi en repellerande kraft – ett slags antigravitation – som driver universums ständigt accelererande expansion.

Den mörka energin är den mycket mer dominerande kraften av de två och står för ungefär 68 procent av universums totala massa och energi. Den mörka materian utgör 27 procent. Och resten – ynka 5 procent – är all den vanliga materia som vi ser och interagerar med varje dag.

Den mörka materian kan inte fotograferas, men forskare kan upptäcka den och kartlägga den genom att mäta gravitationslinser. Dess fördelning visas här i den blå överlagringen av den inre regionen av Abell 1689, en galaxhop som ligger 2,2 miljarder ljusår bort. (Credit: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS)

Mörk materia

På 1930-talet studerade den schweiziskfödde astronomen Fritz Zwicky bilder av de cirka 1 000 galaxer som ingår i Coma-klustret – och han upptäckte något konstigt med deras beteende. Galaxerna rörde sig så snabbt att de helt enkelt borde flyga isär. Han spekulerade i att någon form av “mörk materia” höll ihop dem.

Tio årtionden senare fann astronomerna Vera Rubin och Kent Ford ett liknande fenomen när de studerade enskilda galaxers rotationshastigheter. Stjärnorna i en galaxs ytterkant borde cirkulera långsammare än stjärnorna nära centrum. Det är så planeterna i vårt solsystem kretsar kring varandra. I stället märkte de att stjärnorna i en galaxs utkant kretsar lika snabbt – eller snabbare – än stjärnorna närmare inpå. Rubin och Ford hade funnit fler bevis för att någon osynlig form av materia tydligen håller ihop universum.

“Till och med stjärnor i utkanten kretsar med hög hastighet”, förklarade Rubin en gång i tiden i en intervju med Discover. “Det måste finnas mycket massa för att få stjärnorna att kretsa så snabbt, men vi kan inte se den. Vi kallar denna osynliga massa för mörk materia.”

Astronomer har nu många andra bevis som tyder på att mörk materia är verklig. Faktum är att existensen av mörk materia är så allmänt accepterad att den är en del av den så kallade standardmodellen för kosmologi, som utgör grunden för hur forskarna förstår universums födelse och utveckling. Utan den kan vi inte förklara hur vi kom hit.

En vidsträckt bild av lokaluniversumet, som sträcker sig över hundratals miljoner ljusår, avslöjar kosmos klumpiga och nätliknande struktur, med strängar av galaxer och enorma tomrum. Vintergatan är bara en av många punkter som utgör superklustret Virgo. I stället för att bara vara tomma, passiva utrymmen kan tomrummen innehålla ledtrådar för att förstå den mörka materian, den mörka energin och den galaktiska utvecklingen. (Credit: Andrew Z. Colvin)

Men denna höga status sätter press på kosmologerna att hitta definitiva bevis för att mörk materia existerar och att deras modell av universum är korrekt. I årtionden har fysiker över hela världen använt alltmer högteknologiska instrument för att försöka upptäcka mörk materia. Hittills har de inte hittat några tecken på den.

Läs mer: Fysiker börjar leta efter den lättaste mörka materian

Mörk energi

Astronomer har vetat att vårt universum expanderar i ungefär ett sekel nu. Teleskopobservationer har visat att de flesta galaxer rör sig bort från varandra, vilket innebär att galaxerna låg närmare varandra i ett avlägset förflutet. Som ett resultat av detta hopade sig bevisen för Big Bang. Astronomerna antog dock att den kombinerade gravitationen från alla kosmos stjärnor och galaxer borde bromsa universums expansion. Kanske skulle det till och med en dag kollapsa tillbaka in i sig självt i en Big Crunch.

Denna föreställning kastades dock bort i slutet av 1990-talet när två grupper av astronomer upptäckte något som inte stämde. Forskare som studerade supernovor i de mest avlägsna galaxerna upptäckte att avlägsna galaxer rörde sig bort från oss snabbare än närliggande galaxer. Universum expanderade inte bara – expansionen gick snabbare.

(Credit: Roen Kelly/Discover)

“Min egen reaktion är någonstans mellan förvåning och förskräckelse”, berättade astronomen Brian Schmidt, som ledde en av de två grupperna, för New York Times 1998. “Förvåning, eftersom jag helt enkelt inte förväntade mig det här resultatet, och förskräckelse eftersom jag vet att det troligen inte kommer att tros av majoriteten av astronomer – som liksom jag själv är extremt skeptiska till det oväntade.”

Men i stället för att motbevisa det har efterföljande observationer bara gjort bevisen för mörk energi mer robusta. Faktum är att vissa framstående kritiker av mörk materia fortfarande accepterar existensen av mörk energi.

Läs mer:

Detta betyder inte att forskarna vet vad mörk energi är. Långt därifrån. Men de kan beskriva dess roll i universum, tack vare Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Einstein kände inte till mörk energi, men hans ekvationer föreslog att nya rum kan uppstå. Och han inkluderade också en fudgefaktor i relativitetsteorin som kallas den kosmologiska konstanten, som han lade till – och senare ångrade – för att hindra universum från att kollapsa inåt. Den här idén gör det möjligt för rymden i sig att ha energi. Forskarna har dock fortfarande aldrig sett denna kraft på jorden.

En del teoretiska fysiker tror att det finns en hel mörk värld av partiklar och krafter där ute som bara väntar på att upptäckas. Oavsett vad mörk energi och mörk materia består av verkar de spela dragkamp med vårt universum – både hålla ihop det och dra isär det.