Astronomerne har været på jagt efter mørkt stof i universet lige siden 1930'erne, hvor de opdagede, at spiralgalakser som Mælkevejen roterer så hurtigt, at stjernerne ville blive slynget ud i alle retninger, hvis ikke de blev fastholdt af tyngdekraften fra en stor, usynlig masse. Den mørke masse i en galakse er seks gange større end massen af alle de lysende stjerner til sammen.

Ganske vist er der en alternativ forklaring på banen – nemlig at tyngdekraftens styrke over store distancer ikke falder så stærkt med stigende afstand som beskrevet i Newtons tyngdelov. I givet fald er stjernernes egen masse stor nok til at holde sammen på en galakse. Men teorien om det mørke stof er sandsynliggjort af talrige astronomiske observationer og udgør en hjørnesten i kosmologien.

For eksempel mener kosmologerne, at klumper af mørk masse fungerede som sædekorn for dannelsen af galakserne i det tidlige univers, hvor det tunge, mørke stof tiltrak skyer af brintgasser, som fødte de første lysende stjerner.

Det store spørgsmål er, hvad den mørke masse består af, og gennem de senere årtier har astronomerne udelukket alle konventionelle muligheder som små stjerner, der lyser så svagt, at vi ikke kan se dem, og almindelige partikler som neutrinoer. I dag er den førende kandidat ukendte partikler, hvis eksistens forudsiges af de moderne fysiske teorier.

Partiklerne kaldes for Wimps – en forkortelse af den engelske betegnelse for "svagt vekselvirkende massive partikler". Der kan for eksempel være tale om partikler, der forudsiges af fysikernes teori om supersymmetri, som går ud på, at enhver atomar byggesten som for eksempel en kvark har en ukendt kraftoverførende partner, mens kraftoverførende partikler som eksempelvis fotoner har ukendte byggesten som makkere. Endnu er ingen Wimps blevet fundet eksperimentelt i acceleratorer, og netop fordi skyggestoffet stort set ikke vekselvirker med almindelige atomer, er partiklerne også usynlige i teleskoper.

Alligevel er der en mulig genvej til at detektere det gådefulde mørke stof. Når to Wimps kolliderer i rummet, tilintetgør de hinanden, og det mørke stof kan på den måde henfalde til almindelige partikler eller stråling, som kan observeres. Det er netop, hvad en ballonbåren detektor og en satellit nu muligvis har gjort.

»De to sæt observationer komplementerer hinanden, og det er svært at finde konventionelle forklaringer. Hvis resultaterne bekræftes i de kommende år, er det stort«, siger Signe Riemer-Sørensen fra Dark Cosmology Centre ved Københavns Universitet.

Det første tegn på henfald af mørkt stof i Mælkevejen blev fundet sidste efterår af den europæiske satellit Pamela (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics). Satellitten observerede et markant overskud af positroner i energiområdet fra 10-100 gigaelektronvolt (GeV) set i forhold til baggrunden af kosmiske elektroner.

Positronen er elektronens positivt ladede antipartikel. Overskuddet af positroner kan ikke forklares ud fra den almindelige dannelsesmekanisme i rummet, hvor der udsendes par af positroner og elektroner, når energirig kosmisk stråling rammer støvpartikler i det interstellare rum.

En mulig konventionel forklaring på fænomenet kan være, at de energirige positroner dannes omkring pulsarer, som er hurtigt roterende neutronstjerner. Pulsarer har ekstremt stærke magnetfelter, som accelererer elektroner til høje energier, og når elektronerne vekselvirker med fotoner i stråling, dannes der par af elektroner og positroner.

»Der er imidlertid ikke fundet pulsarer, som er tæt nok på os til at forklare overskuddet af positroner i vort nabolag i Mælkevejen,« siger Signe Riemer-Sørensen.

På den baggrund vurderer astronomerne bag Pamela, at positronerne sandsynligvis er dannet ud fra Wimps, der henfalder til elektron-positron-par. Pamelas observationer fortsætter indtil udgangen af 2009, og satellitten vil nå at indsamle data nok til, at måleområdet kan udvides op til energier på 300 GeV.

Hvis positronerne dannes ved henfald af relativt lette Wimps, vil astronomerne observere et brat fald i overskuddet af positroner, fordi henfaldsprodukternes masse aldrig kan overstige massen på den mørke partikel, der henfalder. Et skarpt fald i overskuddet af positroner vil derfor være en stærk indikation på, at de overskydende positroner virkelig er dannet via henfald af mørkt stof.

For nylig offentliggjorde en international gruppe af astronomer resultaterne af to ballonflyvninger med detektoren Atic (Advanced Thin Ionization Calorimeter) i tidsskriftet Nature. Atic blev sendt 35 kilometer op over iskappen på Antarktis, og med 99,5 procent af atmosfæren under sig kunne ballonforsøget detektere energirige elektroner, som udsendes fra forskellige kilder i Mælkevejen.

Mængden af elektroner falder, jo mere energi de har, fordi energirige elektroner fra rummet hurtigt bliver tappet for deres kræfter på rejsen mod Jorden. Men i området mellem 300 og 800 GeV steg antallet af elektroner i forhold til baggrundsniveauet, og igen kan overskuddet forklares med henfald af mørkt stof.

Selv om pulsarer også er inde i billedet her, så er Atics data på sin vis mere overbevisende end Pamelas, fordi detektoren har observeret et brat fald i overskuddet af elektroner ved omkring 620 GeV, hvilket kan være bestemt af massen på den Wimp, som henfalder.

I en kommentar i Science vurderede fysikeren Marco Cirelli fra Instituttet for Teoretisk Fysik i Sarclay, at resultaterne er kompatible:

»Pamela ser begyndelsen på stigningen i de elektron-positron-par, som udsendes via henfald af mørkt stof, mens Atic ser hele puklen,« siger han.

Der er dog – som altid – en djævel gemt i detaljerne. For henfaldsprodukternes energiniveauer passer ikke med den supersymmetriske partikel, som er kosmologernes førende Wimp-kandidat. Ifølge den kosmologiske standardmodel er den store zoo af supersymmetriske partikler i løbet af universets historie henfaldet til den letteste supersymmetriske partikel, som kaldes en neutralino.

Problemet er, at henfaldskaskaden fra kollisioner mellem neutralinoer ifølge teorien fører til dannelse af proton-antiproton-par. Det indebærer, at Pamela skulle have set en stigning af antiprotoner i forhold til baggrunden af protoner i Mælkevejen på samme måde, som satellitten så et overskud af positroner i forhold til baggrunden af elektroner – og det skete ikke.

Mere komplicerede udgaver af teorien om supersymmetri opererer imidlertid med skjulte dimensioner, og her kan der være hjælp at hente i de såkaldte Kaluza-Klein partikler, der er gemt i usynlige dimensioner. Når to af dem støder sammen i en skjult dimension, tilintetgør de hinanden, forsvinder fra "den mørke side" og ses i det synlige univers som elektron-positron-par. Scenariet matcher Pamelas observationer.

Men det som især har sendt mange astronomer i ekstase, er at Atics top omkring 620 GeV passer med teorier om henfaldsenergien, når KK-partikler henfalder til elektron-positron-par.

»Det er for tidligt at konkludere, at man med sikkerhed har set henfald af Wimps, men der er tale om meget spændende resultater«, siger Signe Riemer-Sørensen. Det er hun ikke alene om at mene. I sit nytårsnummer udpegede Science jagten på mørkt stof som et af de felter, det er værd at holde særligt øje med i år.