I mørket mellem universets galakser er der tomt.

Næsten.

Tynde skyer af brintgasser svæver rundt her, men de er ikke til at se, selv ikke med de stærkeste teleskoper i verden. Skyerne er så tynde, at der kun er få atomer i et volumen på flere kubikmeter.

Men skyerne spreder sig over mange milliarder kilometer, og hvis al deres masse lægges sammen, fås et helt særligt tal – faktisk et tal, der får et 24 år gammelt regnestykke til at gå op.

Omkring halvdelen af alt almindeligt, synligt stof – stjerner, planeter, støv, gasser – har undveget forskernes teleskoper, siden det i 1997 blev beregnet, hvor meget vi burde kunne observere.

Indtil nu: For massen i brintskyerne svarede præcis til den manglende masse.

Og nu vender astronomerne blikket mod universets mørke energi, som udgør hele 68 procent af alting.

Med 5000 specialdesignede lysledere på et teleskop i USA begynder indsamlingen af lys fra 35 millioner galakser, og resultaterne kan løse den største gåde i den moderne kosmologi.

© SHUTTERSTOCK & KEN IKEDA MADSEN

Det meste af universet er mørkt

Ifølge kosmologiens standardmodel består universet af tre hovedingredienser: mørk energi, mørkt stof og almindeligt stof.

Almindeligt stof, som er det stof, vi kan observere, udgør kun 4,9 procent.

Forskere har lavet adskillige afvigende målinger af universets udvidelseshastighed, og de skyldes måske, at der er noget ved det usynlige univers – mørk energi (68,3 procent) eller mørkt stof (26,8 procent) – som fysikerne ikke forstår godt nok.

Radioglimt afslører gemte gasser

Alt, hvad vi kan se, røre og lugte, består af atomart stof – de atomer og molekyler, vi til daglig kalder grundstofferne.

Det samme gælder i resten af universet, men derude er det sværere at finde håndfaste beviser på, at stofferne er til stede.

I årtier har forskerne prøvet at kortlægge alt det atomare stof i universet.

De ca. 200 milliarder kendte galakser indeholder 14 procent af den synlige masse, der ifølge astronomiske regnemodeller bør findes derude.

Derudover har astronomerne fundet gasskyer mellem galakserne i galaksehobene samt gasskyer mellem hobene.

Men stadig har op mod 50 procent af den synlige masse siden 1997 stædigt gemt sig for teleskopernes objektiver.

Astronomer har længe haft en mistanke om, at massen var skjult i flere millioner grader varme og ekstremt tynde skyer af brintgasser, der findes i store lommer af tomrum mellem galaksehobene.

Men deres teleskoper kunne ikke se gasserne.

På grund af varmen er brintatomerne skilt ad: Protonen i atomkernen og den enlige elektron er løsrevet fra hinanden som et såkaldt plasma.

Det gør brintatomerne usynlige, fordi det splittede atom ikke længere kan optage og udsende lys.

Men de fritflyvende elektroner kan alligevel påvirke lys, som passerer igennem brintskyerne. Når lysets bølger bevæger sig gennem brintplasma, spredes bølgerne af de frie elektroner på samme måde som lys, der brydes af en prisme.

Med dén viden i hånden analyserede forskere fra USA og Australien de såkaldte hurtige radioglimt.

Astronomer er ikke sikre på, hvor glimtene kommer fra, men den førende teori er, at de stammer fra neutronstjerner med særlig stærke magnetfelter kaldet magnetarer.

Glimtene, som varer få milliontedele af et sekund, kan udsende lige så meget energi, som Solen udstråler på 80 år.

Det synlige univers er et kosmisk spindelvæv. De stærkt lysende prikker repræsenterer galaksehobe. De praktisk talt usynlige brintgasser er fundet i de mørke områder mellem trådene i spindelvævet.

© The Millennium Simulation Project

Forskerne har observeret de energirige glimt, som når frem til Jorden i form af radiobølger, ved hjælp af 36 koordinerede radioteleskoper i Australien kaldet Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP).

Radiobølger med lange bølgelængder brydes kraftigere af de frie elektroner end radiobølger med korte bølgelængder og forsinkes derfor mest. Dén forskel har ASKAP-teleskoperne registreret.

Tidsforskydningen mellem glimtenes bølgelængder samt afstanden til deres kilde kan bruges til at udregne massen af de glohede brintskyer, som radiobølgerne har passeret, og resultatet af dén udregning blev et ægte heureka-øjeblik for forskerne: Det svarede netop til den masse, som havde været umulig at påvise siden 1997.

© NOIRLab/KPNO/NSF/AURA/P. Marenfeld

Teleskop skal finde mørk energi i galaksebevægelser

5000 lysledere indsamler lys fra 35 millioner galakser og finder ud af deres hastighed over 11 milliarder år. Det vil vise, om mørk energi er konstant eller varierende, og dermed give et fingerpeg om, hvad energien består af.

Synsfelt svarer til 38 gange fuldmånens

Lyset, som indfanges af teleskopets fire meter store hovedspejl, fokuseres op på instrumentet kaldet DESI øverst i teleskopet. DESI opfanger lyset fra 5000 galakser i forskellige afstande i tid og rum inden for et område, som svarer til 38 gange en fuldmånes areal på himlen.

© DESI Collaboration

Galaksernes lys fanges af 5000 lysledere

Lyset fra galakserne rammer et “flueøje” med 5000 lysledere, som på forhånd er indstillet på galaksernes positioner. Lyslederne kan vendes og drejes med robotmotorer, og derfor kan DESI på få minutter gøres klar til at observere et nyt område på himlen.

Kabler sender lys fra ledere til spektrometre

Et 50 m langt kabel sender lyset ned til ti såkaldte spektrometre, som måler lysets styrke og dets bølgelængder. Jo længere væk en galakse er, jo svagere lyser den, og jo mere er bølgelængderne udstrakt pga. universets udvidelse. Derfor er lyset fra de fjerneste galakser rødere.

© DESI Collaboration

Bølgelængder viser universets udvidelse

Analysen af bølgelængder viser også hastigheden af udvidelsen, for jo mere bølgelængderne er udstrakt, siden lyset fra en galakse blev udsendt, jo hurtigere er rummet vokset. Dermed kan det afgøres, om den mørke energis styrke har været konstant i universets historie.

Flueøje jagter mørk energi

Forskere i hele verden har jublet over, at den manglende masse endelig er fundet. Men jubelen er hurtigt blevet til arbejdsiver: Nu er det tid til at kortlægge resten af universet.

26,8 procent af universets masse er såkaldt mørkt stof.

Stoffet er aldrig observeret direkte, men astronomerne ved, at det findes.

Galaksehobene roterer så hurtigt, at galakserne ville blive slynget ud i alle retninger, hvis ikke en mørk usynlig masse ved dens tyngdekraft holdt dem fast i deres baner.

Almindeligt stof og mørkt stof tiltrækker hinanden via tyngdekraften og har kørt parløb siden universets barndom, hvor klumper af mørkt stof tiltrak de brintgasser, som fødte de første galakser.

Uden mørkt stof ville galakserne altså ikke eksistere i dag.

Mørkt stof udgør 85 procent af den samlede masse i galakser og galaksehobe, mens alt, hvad vi kan se, kun rummer 15 procent af massen.

Universets største puslespilsbrik er dog mørk energi.

Længe mente astronomerne, at universets udvidelse måtte begynde at bremse op, fordi tyngekraften med tiden ville standse universets udvidelse og “hive” alting sammen mod hinanden igen.

Men i 1998 gjorde to forskerhold, som modtog Nobelprisen i fysik for deres fund, en revolutionerende opdagelse.

Hvis universets udvidelse langsomt var ved at blive standset af tyngdekraften, ville fjerne supernovaer bevæge sig langsommere og langsommere væk fra os.

Men i stedet viste observationer, at de fjerne supernovaer bevægede sig hurtigere og hurtigere. Universets udvidelse var ved at accelerere. Og kraften, som accelererer udvidelsen, kaldte forskerne mørk energi.

Endnu mere forbløffende konkluderede de samme forskere, at energien udgør 68,3 procent af universet.

Ifølge Einsteins relativitetsteori svarer energi til masse. Kort fortalt betyder teorien, at masse kan omdannes til energi og omvendt.

Når træ brænder, bliver dets masse fx omdannet til energi. Og når forskere i forsøg har omdannet to fotoner, som ikke har nogen masse, til en elektron og en positron, er fotonernes energi omdannet til masse.

Det er med andre ord for astrofysikere underordnet, at vi taler om mørk “energi” – kraften svarer samtidig til 68,3 procent af universets masse. Men vi aner ikke, hvad den frastødende kraft er, og hvordan den virker.

Heldigvis står et nyt instrument klar til at undersøge den mørke energi. Det hedder Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).

Frem til 2025 skal DESI kortlægge 35 millioner galaksers bevægelser gennem de seneste 11 milliarder år. DESI’s “objektiv” er et såkaldt flueøje, som består af 5000 optiske fibre.

Teleskopet retter sig mod ét område ad gangen, hvor forskerne fra tidligere observationer ved, at der findes galakser, som kan observeres.

For hvert område justeres alle 5000 fibre individuelt, så hver fiber i princippet kan observere en galakse hver. Hvert område, som de 5000 fibre observerer, fylder et område på himlen, som er 38 gange større end fuldmånen.

På den måde kan DESI opfange lys fra ca. 5000 nye galakser hvert 20. minut. Lysmålingerne bliver sendt fra flueøjet ned til en række såkaldte spektrografer, der måler lysets forskellige bølgelængder – og dermed farver.

Jo mere lyset er blevet rødere, jo mere er lyset blevet udstrakt på vej hertil fra fjerne galakser.

Omfanget af lysets udstrækning viser forskerne to ting: Hvor langt væk galakserne er fra os, og hvor hurtigt galakserne bevæger sig væk fra os.

Sådan kan forskerne tage det første skridt til at afdække den mørke energi, nemlig at fastlægge, om den er konstant, eller om den varierer.

Hidtidige studier tyder på, at den er konstant, så et tomrum med et givent volumen altid indeholder samme mængde mørk energi.

Da den mørke energi for fem-seks milliarder år siden speedede universets udvidelse op, skyldtes det således, at tomrummet hele tiden vokser som følge af universets udvidelse.

Men i de seneste år har kosmologer også lavet enkelte omdiskuterede observationer, der kan pege i den anden retning: at den mørke energi varierer og “skruede op” for styrken, da universets udvidelse begyndte at accelerere.

Hvis mørk energi er konstant, skabes den af virtuelle partikler, som bliver skabt og forsvinder igen stort set med det samme.

Men hvis energien varierer, kan den måske bestå af ukendte kraftpartikler.

Hvis forskerne kan løse den gåde, vil det være den største revolution i kosmologien i mere end 20 år – og et gigantisk skridt i retning af at forstå al universets masse.