Han ska genomskåda det osynliga

Tommi Tenkanen forskar vid Queen Mary University i London och säger att Europa har varit världsledande i praktisk kosmologi redan i över tio år. – Vi lär oss säkert mer när den europeiska kosmologimissionens satellit skjuts upp 2020, säger han. Bild: Cata Portin

Kosmologerna vet inte vad mörk materia är, bara att den bör existera. Tommi Tenkanen har kommit på ett sätt att testa den mörka materiens egenskaper.

Vi börjar på fast mark, med allt synligt omkring oss, inklusive himlakropparna. Allt detta är vanlig materia som utgörs av atomer. Men utöver den här vanliga materien finns något som kallas mörk materia.

– Vi vet inte vad det är. Vi vet bara att det måste existera, och att det finns minst fem gånger så mycket mörk materia som vanlig materia, säger Tommi Tenkanen som forskar i kosmologi eller läran om universums uppkomst, utveckling och dess storskaliga strukturer.

Tenkanen disputerade före jul vid Helsingfors universitet med en avhandling i teoretisk fysik där han visar hur man experimentellt kunde testa den mörka materiens egenskaper. Men först får han förklara varför det "måste finnas" mörk materia.

– Standardmodellen i partikelfysik förklarar den vanliga materiens byggstenar och deras växelverkan här på jorden. Men tittar vi längre bort i universum ser vi till exempel att stjärnorna kretsar kring galaxernas centra på ett sätt som inte stämmer överens med modellen. Det stöder teorin om den mörka materiens existens, och den stöds också av otaliga andra fenomen vi kan observera, som kosmisk bakgrundsstrålning, säger Tenkanen.

Därför sluter sig kosmologerna till att galaxerna bör bestå av både vanlig och mörk materia. Tenkanen betonar att mörk materia bara är en benämning för en okänd materiekomponent som har tyngd och gravitationskraft, men som inte växelverkar med ljus eller elektromagnetisk strålning.

– Begreppet mörk materia är egentligen missvisande för materien är inte mörk utan genomskinlig. Den är osynlig och ogripbar.

Kanske som neutriner

Neutrinerna är osynliga och ogripbara partiklar, men ändå vanlig materia. Tusentals miljarder neutriner sveper ständigt genom våra kroppar för att de är så svagt växelverkande med vanlig materia. Mörk materia kanske fungerar ungefär likadant. Flera laboratorier med partikelacceleratorer som Large Hadron Collider i Cern försöker hitta eller producera mörk materia.

– Large Hadron Collider får partiklar att kollidera oupphörligen. Det skapar nya partiklar, och kanske bildas en del mörk materia också, säger Tenkanen.

I sin avhandling testar han modeller som kan förklara varför ingen ännu hittat mörk materia. Orsaken kan vara att den mörka materien växelverkar oerhört svagt med vanlig materia. Däremot har den mörka materien en självväxelverkan, annars skulle den inte påverka gravitationen i galaxerna.

Tenkanen har studerat den mörka materiens roll för "Big bang", som inträffade strax efter den kosmiska inflationen. Denna var ett sekundlångt initialskede av hypersnabb expansion då bland annat de lättaste grundämnena bildades.

– Vid Big bang var universum som en oerhört tätt packad och mycket het partikelgröt, säger Tenkanen.

Då ska partiklarna ha reagerat på ett sätt som partikelfysikens modeller kan förutse.

– Den kosmiska inflationen skapade villkor för hur partikelgröten skulle komma att reagera. I vissa av partikelfysikens modeller som inbegriper mörk materia lämnar den kosmiska inflationen ett spår som påverkar den mörka materiens egenskaper, säger Tenkanen.

Aktuellt tema

Under den kosmiska inflationen var den mörka materien i något slags växelverkan med den vanliga materien eller partikelgröten. När universum fortsatte expandera och antog strukturer, med stjärnor, galaxer och mörk materia, hade inflationsskedet satt sina spår i den mörka materien.

– Vi har funnit ett samband mellan den kosmiska inflationen och den mörka materiens egenskaper, säger Tenkanen.

Vilket är ditt bidrag till det här fyndet?

– Man kunde kalla det en prognos. Om man lyckas definiera precis hur många bråkdelssekunder efter nolltidpunkten som den kosmiska inflationen inträffade kan min prognos säga hurdan den mörka materiens självväxelverkan är. Utifrån det kan man definiera den mörka materiens förmåga att bygga upp universums storskaliga strukturer.

Om den mörka materiens självväxelverkan är stark kolliderar partiklarna med varandra. Om en sådan växelverkan saknades skulle de gå tvärt igenom varandra. Tenkanen vill forska vidare kring det här.

– Jag vill ännu noggrannare räkna ut hur energetisk den mörka materien är, alltså hur mycket den rör sig i relation till sin massa, och jag vill få en klarare bild av hur den har påverkat uppkomsten av universums storskaliga strukturer.

Ämnet är aktuellt. Europeiska rymdorganisationens kosmologiska mission Euclid ska utforska mörk materia, mörk energi och universums strukturer från och med 2020.

PROFIL

Tommi Tenkanen

Ålder: 27.

Utbildning: Tog studenten vid gymnasiet i Vederlax, filosofie doktor (teoretisk fysik) vid Helsingfors universitet.

Jobbar: Som postdoktorsforskare vid Queen Mary University of London sedan oktober.

Karriärmål: Hoppas på en fast tjänst som biträdande professor eller universitetslektor efter postdoktorstjänsten.

Forskningsdröm på tio års sikt: Jag hoppas innerligt att Large Hadron Collider kommer att hitta något nytt för fysiken. Vad som helst nytt vore otroligt fint.

På fritiden: Undersöker London, läser, idrottar, föreningsaktiv.