Vad är materia?

Vi är omgivna av materia. I själva verket är vi materia. Allt vi upptäcker i universum är också materia. Det är så grundläggande att vi helt enkelt accepterar att allt är gjord av materia. Det är det grundläggande byggstenen i allt: liv på jorden, planeten vi lever på, stjärnorna och galaxerna. Det definieras vanligtvis som allt som har massa och upptar en volym av utrymme.

Materialets byggstenar kallas "atomer" och "molekyler." De är också viktiga. Den fråga vi normalt kan upptäcka kallas "baryonisk" materia. Men det finns en annan typ av materia där ute, som inte kan upptäckas direkt. Men dess inflytande kan. Det kallas mörk materia. 

Normal Matter

Det är lätt att studera normal materia eller "baryonic materia". Det kan delas upp i subatomära partiklar som kallas leptoner (till exempel elektroner) och kvarkar (byggstenarna för protoner och neutroner). Det är dessa som utgör atomer och molekyler som är komponenterna i allt från människor till stjärnor.

Datorillustration av en atommodell som innehåller atomer, protoner, neutroner och elektroner. Dessa är byggstenarna i normal materia. Science Photo Library / Getty Images

Normal materia är lysande, det vill säga den interagerar elektromagnetiskt och gravitationellt med annan materia och med strålning. Det lyser inte nödvändigtvis som om vi tänker på en stjärna som lyser. Det kan avge annan strålning (t.ex. infraröd).

En annan aspekt som kommer upp när materien diskuteras är något som kallas antimateria. Tänk på det som motsatsen till normal materia (eller kanske en spegelbild) av den. Vi hör ofta om det när forskare talar om materia / antimaterialreaktioner som kraftkällor. Grundidén bakom antimateria är att alla partiklar har en antipartikel som har samma massa men motsatt vridning och laddning. När materie och antimateria kolliderar förintar de varandra och skapar ren energi i form av gammastrålar. Den skapandet av energi, om den skulle kunna utnyttjas, skulle ge enorma mängder kraft för alla civilisationer som kan räkna ut hur man gör det på ett säkert sätt.

Mörk materia

Till skillnad från normal materia är mörk materia material som inte är ljus. Det vill säga att den inte interagerar elektromagnetiskt och därför verkar den mörk (dvs att den inte reflekterar eller avger ljus). Den exakta naturen hos mörk materia är inte välkänd, även om dess effekt på andra massor (som galaxer) har noterats av astronomer som Dr. Vera Rubin och andra. Emellertid kan dess närvaro detekteras av den gravitationella effekten den har på normal materia. Till exempel kan dess närvaro begränsa stjärnorna i en galax till exempel.

Mörk materia i universum. Kan det vara tillverkat av WIMP: er? Denna Hyper Suprime-Cam-bild visar ett litet (14 bågs minut med 9,5 bågs minut) av galaxkluster med konturerna av en mörkämneskoncentration och en del av en annan spåras ut med konturlinjer. Subaru Teleskop / National Astronomical Observatory of Japan

För närvarande finns det tre grundläggande möjligheter för "saker" som utgör mörk materia:

• Cold dark matter (CDM): Det finns en kandidat som kallas den svagt samverkande massiva partikeln (WIMP) som kan ligga till grund för kall mörk materia. Forskare vet dock inte mycket om det eller hur det kunde ha bildats tidigt i universums historia. Andra möjligheter för CDM-partiklar inkluderar axioner, men de har aldrig upptäckts. Slutligen finns det MACHO: er (MAssive Compact Halo Objects). De kan förklara den uppmätta massan av mörk materia. Dessa objekt inkluderar svarta hål, antika neutronstjärnor och planetobjekt som alla är icke-lysande (eller nästan så) men som fortfarande innehåller en betydande mängd massa. De skulle bekvämt förklara mörk materia, men det finns ett problem. Det skulle behöva finnas många av dem (mer än man kunde förvänta sig med tanke på vissa galaxers ålder) och deras distribution måste vara otroligt spridd över hela universum för att förklara den mörka materien som astronomer har funnit "där ute." Så, mörk mörk materia förblir ett "pågående arbete."
• Varm mörk materia (WDM): Detta tros vara sammansatt av sterila neutrino. Dessa är partiklar som liknar normala neutrinoer för att de är mycket mer massiva och inte samverkar via den svaga kraften. En annan kandidat för WDM är gravitino. Detta är en teoretisk partikel som skulle existera om teorin om supergravitet - en blandning av allmän relativitet och supersymmetri - får dragkraft. WDM är också en attraktiv kandidat för att förklara mörk materia, men förekomsten av antingen sterila neutrinoer eller gravitinos är i bästa fall spekulativ.
• Hot dark matter (HDM): De partiklar som anses vara heta mörka ämnen finns redan. De kallas "neutrino". De reser med nästan ljusets hastighet och "klumpar sig inte" tillsammans på sätt som vi projicerar mörk materia skulle. Med tanke på att neutrino är nästan masslös, skulle en otrolig mängd av dem behövas för att kompensera mängden mörk materia som är känt att existera. En förklaring är att det finns en ännu oupptäckt typ eller smak av neutrino som skulle kunna likna dem som redan är kända att existera. Men det skulle ha en betydligt större massa (och därmed kanske långsammare hastighet). Men detta skulle förmodligen vara mer lik varm mörk materia.

Sambandet mellan Matter och Strålning

Materie existerar inte exakt utan inflytande i universum och det finns en nyfiken koppling mellan strålning och materia. Den förbindelsen förstod inte väl förrän i början av 1900-talet. Det var då Albert Einstein började tänka på sambandet mellan materia och energi och strålning. Här är vad han kom på: enligt hans relativitetsteori är massa och energi likvärdiga. Om tillräckligt med strålning (ljus) kolliderar med andra fotoner (ett annat ord för ljus "partiklar") med tillräckligt hög energi, kan massa skapas. Denna process är vad forskare studerar i jättelaboratorier med partikelkolliderare. Deras arbete djuper djupt in i materiens hjärta och söker efter de minsta partiklarna som är kända för att existera.

Så även om strålning inte uttryckligen betraktas som materia (den har inte massa eller upptar volym, åtminstone inte på ett väldefinierat sätt), är den kopplad till materien. Detta beror på att strålning skapar materia och materie skapar strålning (som när materia och antimaterial kolliderar).

Mörk energi

Genom att ta saken-strålningsförbindelsen ett steg längre föreslår teoretiker också att en mystisk strålning finns i vårt universum. Det heter mörk energi. Dess natur förstås inte alls. Kanske när mörk materia förstås kommer vi också att förstå arten av mörk energi.

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.