– Här ser vi Vintergatan och Andromedagalaxen och fullt med små klumpar av mörk materia. Det är i dem dvärgalaxerna finns, säger Azadeh Fattahi, och visar en bild från sin dator.

Azadeh Fattahi är Wallenberg Academy Fellow och forskar vid Oskar Klein Center vid Stockholms universitet. Här arbetar hon med att förstå en av universums gåtor – mörk materia.

Huvuddelen av all materia i universum, ungefär 80 procent, är nämligen något vi inte vet vad det är. Vi kallar den mörk materia eftersom den varken sänder ut eller absorberar ljus. 

Trots att mörk materia är osynlig för oss kan vi se tecken på att den existerar. Stjärnor och galaxer skulle till exempel inte röra sig som de gör, om de inte påverkades av gravitationskraften från mörk materia.

Ger svar om mörk materia

Enligt dagens teorier ansamlas mörk materia i strukturer som kallas halos. De fungerar som ett osynligt ramverk där stjärnor och galaxer kan bildas och varje galax ligger inbäddad av en halo av mörk materia.

Azadeh Fattahis forskning handlar om att förstå mörk materia med hjälp av universums minsta galaxer, dvärggalaxer. Eftersom dvärggalaxer är relativt enkla system och dessutom innehåller en hög andel mörk materia, är de viktiga verktyg för att studera den mörka materians egenskaper.

På senare år har allt fler dvärgalaxer upptäckts med teleskop, men det är fortfarande svårt att förstå hur de bildas och utvecklas. Azadeh Fattahi utvecklar detaljerade datorsimuleringar som följer universums utveckling från Big Bang fram till idag, för att se hur dvärggalaxer växer fram.

– Dvärgalaxer fungerar som ett laboratorium där vi kan studera hur mörk materia beter sig. Vi kan ge mörk materia olika egenskaper i simuleringarna och se hur det påverkar galaxerna, säger hon.

Genom att jämföra simuleringarna med observationer av dvärggalaxer kan forskarna testa vilka modeller för mörk materia som stämmer bäst med verkligheten. Simuleringarna kan också användas för att förklara observationer och förutsäga vad framtida teleskop bör kunna upptäcka. 

Kräver hög detaljnivå

För att studera hur dvärggalaxer bildas behöver man ta hänsyn både till universums storskaliga utveckling och till småskaliga processer inne i enskilda galaxer. Azadeh Fattahi använder därför en modell som bygger på att simulera ett stort område i universum relativt odetaljerat, för att få med den kosmiska miljön. Därefter zoomar forskarna in på ett mindre område, till exempel en enskild dvärggalax, och ökar detaljnivån. Där omfattar modellen alla kända fysikaliska förlopp kring galaxbildning: som stjärnbildning, supernovor och svarta hål.

–  Att simulera hela universum med samma höga upplösning skulle kräva långt mer datorkraft än vad som är möjligt idag. Även med de superdatorer vi använder tar varje simulering flera veckor. 

Dvärggalaxer kan innehålla tusen gånger mer mörk materia än synlig materia.

När vi träffas har Azadeh Fattahi just publicerat de första resultaten från simuleringar med gruppens modell för galaxbildning. Hon är entusiastisk över fynden.

– Det finns så mycket spännande att gå vidare med! Vi ser att dvärggalaxerna är väldigt känsliga för förhållandena i det tidiga universum. Samtidigt ser vi saker vi vill förbättra i nästa simulering både vad gäller galaxbildning och hur vi beskriver mörk materia.

En utmaning i arbetet är att de fysikaliska processerna kring galaxbildning inte är helt kända, berättar Azadeh Fattahi.

– Om simuleringen inte matchar observationen kan det vara svårt att veta om det beror på våra antaganden om mörk materia eller på osäkerheter i fysiken om galaxbildning. Det funderar jag mycket på när jag utformar våra försök och tolkar resultaten.

Ofta brukar man tala om tre modeller för mörk materia: kall, varm och självinteragerande. Att undersöka dem närmare är ett av målen med forskningen.

– Inom fyra år hoppas jag att vi har simuleringar som undersöker alla tre modeller för mörk materia och att vi kan förutsäga vilka signaturer de bör ge upphov till i kommande observationer.

Forskningen är i hög grad är ett lagarbete, betonar Azedah Fattahi. Grundmodellen som används i simuleringarna är utvecklad av en samarbetspartner vid University of Hawaii och forskargruppen samarbetar också med forskare i Storbritannien och Tyskland.

Mamma visade stjärnbilder

Azadeh Fattahi är född och uppvuxen i Iran, i närheten av Teheran. Hennes intresse för astronomi väcktes redan som barn.

– Min mamma brukade peka ut stjärnbilder och planeter på himlen och gav mig böcker om stjärnor och galaxer att läsa.

Intresset höll i sig och hon studerade fysik på Sharif University of Technology i Teheran och doktorerade sedan i astronomi vid University of Victoria i Kanada. Därefter var hon postdoktor och sedan forskare vid Durham University i Storbritannien, innan hon flyttade sin forskning till Stockholms universitet. 

När hon inte arbetar brukar Azadeh Fattahi gå på gruppträning eller gym, hon dansar tango och tycker om böcker. 

– Att sitta på ett café och läsa är en av mina favoritaktiviteter på helgerna.

Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström