Tänk på allt som finns i universum. Jätteutrymmeugnar som vår sol. Gasjättar, bredvid vilken vår planet bara är en dvärg. Rader av asteroider som tävlar genom tomt utrymme. Avlägsna stjärnor tusentals ljusår bort. Allt detta är mindre än 5% av universumets massa. Var är resten? Detta är fortfarande ett mysterium. Vårt gigantiska universum kunde ha bildats med partiklar av mörk materia som vi inte ens hade haft möjlighet att observera. Forskare försöker bevisa sin existens och med dem förekomsten av "mörka stjärnor".
Det finns ett element som kan utgöra så mycket som 25% av universum. Vi kan inte känna eller se det. Det interagerar inte med ljus. Det består inte ens av de byggstenar vi är vana vid - elektroner och protoner inuti atomer som utgör allt materia.
Detta är "mörk materia", och forskare har försökt förstå vad det är i decennier. Den teoretiska astrofysiker Katherine Freese är en av dem som jagar efter dessa mystiska livstenar. För trettio år sedan ledde hennes teori om ett osynligt lim som hjälpte till att forma universum till konstruktion av underjordiska partikelacceleratorer över hela jorden, liksom maskinerna på CERN. Vad letar de efter? Dessa partiklar kallas wimps (WIMPs), och enligt Freese kunde stjärnor gjorda av detta spöklika material ha hjälpt kosmos att bilda miljarder år sedan.
Wimps (svagt samverkande massiva partiklar) är stora partiklar som inte interagerar med elektromagnetiska krafter. Detta gör dem "mörka" - de kan inte observeras med hjälp av elektromagnetiska sensorer som människor har använt för att undersöka universumet under de senaste hundra åren.
Men tack vare teorin om supersymmetri - vilket innebär att varje känd partikel har en "antimateriaekvivalent" - finns det ett gap i vår nuvarande partikelatlas, och WIMPS kan fylla detta gap perfekt. De finns överallt, men de lämnar inga spår eftersom de är ovilliga att interagera med de vanliga partiklarna runt dem.
”Tja, om vi tar alla föremål i vårt dagliga liv - din kropp, stolen den sitter på, luften den andas, väggarna runt oss, lägg till planeterna, lägg till stjärnorna - allt detta är gjord av atomer som vi förstår, men allt detta atomämne utgör endast 5% av vårt universum - fem procent! Därför finns det ytterligare 95% som vi måste förstå. Och det är här som mörk materia och mörk energi kommer in. När de passerar dig - miljarder partiklar varje sekund - märker du inte det, eftersom den svaga interaktionen är verkligen svag, händer ingenting."
Kampanjvideo:
Hur hittar du det du inte har något sätt att se?
”En bra analogi för mörk materia är vind. Vi ser det inte, det är osynligt, och ändå är vi säkra på att det finns för att bladen raslar. Samma sak är fallet med mörk materia. Vi ser att det drar ihop saker … det är materia, vilket betyder att det känner allvar. Hon kramar sig ihop och drar ihop saker. Vi vet att det finns av detta skäl, men vi vet inte vad det består av."
Om wimps finns - och Freese är säker på att de gör det - borde de ha dykt upp strax efter Big Bang.
Freese utforskade denna teori med andra astrofysiker Paolo Gondolo vid Utah och Doug Spoliar vid Stockholms universitet i Sverige. De sökte efter de första "mörka stjärnorna" som bildades i universums tidiga dagar.
Trots deras namn bländade dessa forntida stjärnor - de levde vid förintelsen av mörk materia. Och några av dem kunde leva i de yttersta hörnen av universum och strålande strålande.
"Mörka stjärnor började med samma massor som solen, men kunde bli större och större tills de blev en massa av miljoner solar och miljarder gånger ljusare."
”Det nästa stora teleskopet, James Webb Space Telescope, en förlängning av det berömda Hubble Space Telescope, kommer att kunna hitta mörka stjärnor. Genom att göra detta kommer vi inte bara att hitta en helt ny typ av stjärnor, som redan är förvånande i sig, utan vi kommer också att bevisa att de lever av WIMP: er. Så problemet kommer att lösas av sig själv."
Och det kan spela slutet för en av de svåraste utmaningarna i modern vetenskap. Forskare har försökt lösa problemet med mörk materia sedan 1930-talet, men antydningar av dess existens dök upp länge innan det.
"När människor studerade solens rörelse och planeterna runt dem insåg de att de centrala planeterna rör sig ganska snabbt, men ju längre från centrum, desto långsammare rörelse," säger Freese.
"Så de tänkte, okej, det här är Newtons lagar, vi känner dem, det är naturlagarna. Låt oss titta på större strukturer - galaxer och galaxklyngar."
”Men det är inte vad de hittade: de fann att när du rör dig från centrum av galaxen, allt rör sig med samma hastighet. Det var ganska konstigt."
Freese tror att stjärnorna och planeterna vi ser på natthimlen är kulminationen på en lång reaktionskedja som började med dessa svagt samverkande partiklar. Och hon säger att utan partiklar av mörk materia kunde universum inte ha blivit vad det är. "De strukturer vi lever i, galaxer och galaxkluster, kunde inte ha bildats om mörk materia inte hade bildat den kosmiska banan vi lever i."
"Det vill säga, först bildade mörk materia, och sedan vanliga atomer, neutroner och protoner, och så vidare, tillsammans med mörk materia, bildade protogalaxier, vilket ledde till uppkomsten av galaxer, planeter och stjärnor. Men för att börja bilda denna struktur behövs mörk materia."
ILYA KHEL
