Spørgsmålet

Jeg har forstået at mørkt stof er blevet postuleret fordi der mangler masse i universets regnskab. Og som jeg tror jeg har forstået, så hælder mange forskere til at det er WIMPs, og forsøger at påvise dem.

Er der gode grunde til (NB: jeg forventer at det er tilfældet) at det mørke stof ikke kan være brune dværge, som vel må være under-observerede? Gas samles i mange størrelser, så rigtigt mange af gasforsamlingerne ender vel med at blive for små til fusion.

Jeg tænker at WIMPs må koncentrere sig om galakser men at de vel ikke behøver at følge det synlige stof helt præcist ved fx galaksesammenstød, og man måske kan se effekter fra tyngdekraft i den sammenhæng som lettere lader sig forklare ved WIMPs end "rigtigt" stof.

Mvh
Kristian

Det korte svar

I princippet kunne mørkt stof godt være brune dværge, men flere observationer viser, at de højst kan udgøre en fuldstændig ubetydelig andel af det mørke stof.

Gå til brevkassen

Baggrundsviden fra encyklopædien

Hvis du ikke kender til mørkt stof, kan du læse lidt om det i encyklopædien her (lidt, fordi jeg faktisk ikke rigtig har fået skrevet artiklen):

Mørkt stof

Det lange svar

Der mangler noget

Det er sandt, at eksistensen af mørkt stof oprindeligt (i 1970'erne) blev postuleret som en forklaring på, at det synlige stof ikke var tilstrækkeligt til at forklare stjernernes bevægelsesmønstre (både rotation og hastighedsfordeling) i galakserne (og faktisk også helt tilbage i 1933, for at forklare galaksernes bevægelse i en galaksehob).

Senere kom flere andre indicier på dets eksistens til, som f.eks.

masserne af galaksehobe målt vha. "gravitational linsning", dvs. massens evne til at krumme rummet og dermed afbøje lys,
fordelingen af "klumper" i den såkaldte kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling,
det faktum, at vi overhovedet har struktur i Universet, hvilket ikke umiddelbart ville være muligt hvis der kun var dét stof vi kan se,
fordelingen af Universets storskalastruktur, inkl. de såkaldte "baryoniske oscillationer", og
målte afstande i Universet.

Der er, og har været, mange kandidater til, hvad mørkt stof egentlig er. Udover de forklaringer der ikke involverer noget mørkt stof, men i stedet involverer andre teorier for tyngdekraften, kan man groft dele kandidaterne op i 1) bittesmå partikler eller felter, og 2) store objekter. Hvor WIMPs hører til den første kategori, hører brune dværge til den sidste.

Brun dværg: Brune dværge kaldes somme tider "fejlslagne stjerner", fordi de er store kugler af gas, som dog ikke er store nok til at starte den kernefusion, der skal til for at få dem til at skinne som stjerner. De gløder dog alligevel svagt i infrarødt lys, fordi tyngdekraftens sammenpresning varmer dem op. Illustration: NASA/JPL-Caltech.

Der er slet ikke nok brune dværge

Som du gætter er der ganske rigtigt gode grunde til at tro, at mørkt stof ikke kan udgøres af brune dværge (eller rettere sagt at størstedelen af det mørke stof ikke kan, for man kan sagtens forestille sig, at der kan være mere end én komponent). Faktisk kan jeg komme i tanke om fire gode grunde:

Alle de ovennævnte observationelle indikationer giver det konsistente resultat, at det mørke stof udgør omkring 1/4 af alt stof/energi i Universet. Samtidig ved vi (fra visse af de ovenstående observationer, men også fra f.eks. estimater af, hvor mange af de forskellige grundstoffer der blev skabt ved Big Bang), at det normale, "lyse" stof (de såkaldte baryoner), kun udgør 5% af stoffet. Selv hvis alt almindeligt stof var lavet af brune dværge (hvilket det jo tydeligvis ikke er), ville der aldrig kunne være nok til at forklare observationerne.
Brune dværge lyser ikke meget ved synlige bølgelængder, men kan ses ved deres infrarøde lys, og også f.eks. vha. radiobølger. De lyser ikke kraftigt, og kan derfor ikke ses på store afstande, men i vores lokale nabolag, hvor vi kan se dem, har vi et ret godt overblik over, hvor mange der er ift. hvor mange stjerner der er, nemlig cirka 1 brun dværg for hver 4 tungere stjerne. Hvis man så tæller den samlede masse op, kan man se, at selvom der er mange, udgør de en forsvindende lille del af den samlede masse.
Selv om brune dværge er små, kan de med deres tyngdekraft godt afbøje, fokusere og forstærke lyset fra bagvedliggende stjerner, som de måtte kredse om. Det er ikke meget, men alligevel målbart gennem en teknik der hedder "mikro-linsning". Observationer viser dog, at der slet ikke er nok til at udgøre en signifikant mængde mørkt stof.
Mørkt stof findes ikke kun inde i galakserne, men også mellem galakserne. Eftersom brune dværge skabes ved de samme processer som stjerner — dvs. ved gravitationelt kollaps af de tætteste områder inde i de store gasskyer — burde der altså også være fuld af almindelig stjerner mellem galakserne (med mindre du kan finde på en mekanisme, der filtrerer de brune dværge fra og spytter dem ud af galakserne).

Derfor tror vi ikke, at mørkt stof kan være lavet af brune dværge, i hvert fald ikke i nævneværdig grad.

Fordeling af stjerner og brune dværges masser: Den grønne linje viser, hvor mange stjerner med en givet masse, der dannes, for hver stjerne som Solen (dvs. linjen skærer punktet [1,1]). Kun hvis massen er over knap 0.08 Solmasser, bliver det til en egentlig stjerne; lettere objekter kan ikke starte kerneproceesser, og bliver derfor til brune dværge. Kurven er beregnet med en såkaldt "initial mass function" fra Chabrier (2005). Kredit: Peter Laursen.

Kan man skille mørkt og almindeligt stof ad?

Nærmere end at sige, at "WIMPs koncentrerer sig om galakser", ville jeg hellere sige, at det er omvendt. Galakserne, eller den del af dem vi kan se, er lavet af gas (baryoner) som er samlet vha. tyngdekraften, men fordi der er 5-6 gange så meget mørkt stof som baryoner, er dynamikken domineret af det mørke stof. Det er det mørke stof — uanset om det er WIMPs eller noget andet — der vha. sin tyngdekraft overvandt Universets udvidelse kort efter Big Bang, og baryonerne der fulgte med.

Men det er rigtigt, at mørkt stof og baryoner ikke behøves at følges helt præcist, og netop dette forhold hjælper os faktisk med at observere og forstå det mørke stof. Et prominent eksempel på dette er den såkaldte Bullet Cluster, som ses på billedet her.

Et andet eksempel er, at galaksernes gas og stjerner har en udbredelse, som typisk er mindre end 1/10 af den halo af mørkt stof, som de ligger i. For eksempel er Mælkevejens lysende skive ca. 100.000 lysår tværsover, mens de mørke stof har en diameter på noget i retning af 1,3 millioner lysår. Grunden er, at baryoner kan støde sammen og fortættes, mens mørkt stof har svært ved at samle sig i samme grad.

Denne adskillelse er ikke noget argument mod brune dværge, og fortæller os ikke, at det mørke stof nødvendigvis er WIMPs. Men det fortæller os, at det mørke stof må udgøres af noget, der ikke støder sammen med sig selv eller med almindeligt stof.

Bullet Cluster består af to galaksehobe, der hver vejer flere hundrede billioner gange så meget som vores Sol. For omkring 150 millioner år siden (plus den tid det tog lyset at nå ned til os) smadrede de sammen i et gigantisk kolission med over 1000 km/s!
I sådan et sammenstød tørner gassen indeni og mellem galakserne sammen, bremses op og opvarmes til 100 millioner grader, hvilket får det til at udsende røntgenstråler, vist her med rødt. Stjernerne, derimod, og de fleste af galakserne passerer lige forbi hinanden og fortsætter på den anden side. Det kan man se ved de primært gul-orange farver. Med blå vises — vha. teknikken "gravitationel linsning" — hvor massen er koncentreret, hvilket er cirka samme sted som galakserne.
Billedet viset, hvordan det mørke stof (og stjernerne) er blevet separeret fra gassen. Dette er svært at forklare med alternative teorier for tyngdekraft, og passer i stedet bedre med, at der bare er noget stof vi ikke kan se. Kredit: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe/ESO WFI.

Kan mørkt stof være brune dværge?