Kosmisk smil driller forskerne: Universet er klumpet

Er universet helt ensartet overalt, eller er der klumper i suppen? I hundrede år har astronomerne været overbeviste om det første, men fundet af en ekstremt lang galaksehob får nu teorien til at vakle.

Er universet helt ensartet overalt, eller er der klumper i suppen? I hundrede år har astronomerne været overbeviste om det første, men fundet af en ekstremt lang galaksehob får nu teorien til at vakle.

Patrick Gaulme/SDSS/Shutterstock

Uanset hvilken retning vi peger vores teleskoper i, ser universet nogenlunde ens ud, og hvis blot vi zoomer tilstrækkelig langt ud, er galakserne jævnt fordelt over det hele. Det er de grundantagelser, vores viden om universet hviler på, så da den britiske astronomistuderende Alexia Lopez opdagede en tynd stribe af galakser, der strakte sig hele vejen fra øst til vest på et billede af himmelrummet, spærrede hun øjnene op. Det så ud, som om universet smilede til hende.

Som studerende på University of Central Lancashire i Storbritannien var Alexia Lopez i gang med at lede efter mønstre i fordelingen af galakser, der er milliarder af lysår fra Jorden. Og da hun zoomede ud og betragtede et endnu større udsnit af himlen, gik hun fra at være overrasket til at være direkte chokeret.

Hun havde fundet en absurd stor og næsten symmetrisk bue af galakser, der strækker sig over 3,3 milliarder lysår – en af de absolut største strukturer, vi hidtil har opdaget i universet. Den gigantiske bue er cirka 9,2 milliarder lysår herfra, og hvis vi kunne se den med det blotte øje, ville den strække sig lige så langt på himlen som 20 fuldmåner ved siden af hinanden.

Opdagelsen er bemærkelsesværdig, fordi så store strukturer strider imod det kosmologiske princip, der beskriver universets opbygning og dikterer, at ingen dele af universet ser anderledes ud end andre dele.

20 fuldmåner lang ville den gigantiske bue være, hvis vi kunne se den på himlen med det blotte øje.

Den smilende bue er med andre ord så stor, at den ikke burde være der, og det udfordrer fysikernes teori om, hvordan universet har udviklet sig igennem tiden, så måske har universet slet ikke den alder, som vi hidtil har troet.

Stoffet bør være jævnt fordelt

I mere end hundrede år har astronomerne arbejdet ud fra den antagelse, at universet er homogent og isotropisk. Det vil sige, at stoffet er jævnt fordelt på tilstrækkelig store skalaer, og at universet ser ens ud i alle retninger.

Umiddelbart kan det lyde underligt, at fysikerne antager, at universet er en ensartet masse. Vi kan tydeligt se, at det ikke er tilfældet, bare ved at betragte os selv.

Ifølge det kosmologiske princip er universet i den store skala homogent – dvs. at stoffet er jævnt fordelt overalt – og isotropisk – dvs. at det ser ens ud i alle retninger.

© Shutterstock

Som mennesker har vi en højere stoftæthed end luften omkring os, og vi bor et sted i universet, hvor stoffet har samlet sig til en klippeplanet omgivet af tomrum. Den kredser om et andet kugleformet objekt med høj massefylde, nemlig Solen.

Solsystemet er en del af en galakse, som er én blandt milliarder af stjerneansamlinger i universet, så umiddelbart virker det ikke, som om stoffet er jævnt fordelt i universet.

Alligevel siger det kosmologiske princip, at stoftætheden i én del af universet ikke bør være større end i en anden del. Hvis man zoomer tilstrækkeligt ud, vil stoffet være jævnt fordelt og ikke klumpe sig sammen.

Fysikerne forsimplede universet

Vores galakse, Mælkevejen, rummer mellem 100 og 400 milliarder stjerner, hvoraf mange har tilhørende planeter. Og Mælkevejen er blot én af et par billioner galakser i det synlige univers. Galakserne kredser rundt om hinanden i galaksehobe, som igen kan være samlet i superhobe.

Ifølge det kosmologiske princip må der gerne være store hobe af galakser, men når stoffet skal være jævnt fordelt, er der en grænse for, hvor store strukturerne må være. Ved hjælp af avanceret matematik kan grænsen beregnes til 1,2 milliarder lysår, hvilket svarer til 11.000 milliarder milliarder km. Men den gigantiske bue, som Alexia Lopez har opdaget, er næsten tre gange så stor.

Hvis det kosmologiske princip ikke holder, må forskerne gentænke selve den kosmologiske standardmodel, der er baseret på Einsteins almene relativitetsteori fra 1915.

Relativitetsteorien fortæller, at tyngdekraften kan forstås som en krumning af rum-tiden, som forårsages af det stof – eller mere generelt den energi – der er til stede rundtomkring i universet.

Einsteins ligninger er uhyre svære at have med at gøre, men i 1920’erne og 1930’erne lykkedes det alligevel fysikerne Aleksandr Friedmann, Georges Lemaître, Howard P. Robertson og Arthur G. Walker at regne ud, hvordan relativitetsteorien kan bruges til at beskrive hele universet og dets udvikling.

Bedriften var imidlertid kun mulig, fordi de fire fysikere betragtede universet som en jævn suppe af partikler. Kun ved at ignorere, at stoffet rent faktisk klumper sig sammen, kunne de udvikle en model for universet.

Det kosmologiske princip gjorde simpelthen Einsteins ligninger lettere at arbejde med, men rent intuitivt giver det også god mening, at universets udvidelse må have fordelt stoffet nogenlunde jævnt overalt.

“Buen er så stor, at den er svær at forklare med vores nuværende teorier.” Astrofysiker Alexia Lopez, University of Central Lancashire

Lige siden har astrofysikerne taget udgangspunkt i denne forholdsvis simple model for universet, men problemet er, at de efterhånden har fundet adskillige strukturer, der lader til at bryde med det kosmologiske princip.

3D-kort afslører store strukturer

De enorme samlinger af galakser bliver kun synlige, når store dele af universet kortlægges i tre dimensioner. Den mest omfattende kortlægning er Sloan Digital Sky Survey, der er resultatet af to årtiers dataindsamling ved hjælp af et teleskop i New Mexico i USA.

Det enorme katalog over millioner af galakser og kvasarer – kraftigt lysende galaksekerner – kan alverdens astronomer dykke ned i, og det er ikke mindst her, de har fundet nogle af de største strukturer i det synlige univers.

Allerede i 2003 kunne kortlægningen afsløre en 1,37 milliarder lysår lang “mur” af galakser, der nu kaldes Sloan Great Wall – en række af superhobe cirka en milliard lysår herfra.

Hvis Sloan Great Wall blot havde været en enlig svale, kunne det kosmologiske princip godt have overlevet, men efterhånden er der fundet en håndfuld strukturer af galakser eller kvasarer med en endnu større udstrækning, herunder den smilende bue, der også blev lokaliseret ved hjælp af data fra Sloan Digital Sky Survey.

© Shutterstock

Magnesium røbede den gigantiske bue

En ny metode til at lokalisere fjerne galakser gjorde det muligt for Alexia Lopez at finde den gigantiske bue på himlen. Galakserne er så langt væk, at de knap kan ses i almindelige teleskoper, men lyset fra tusindvis af endnu fjernere galakser, kvasarer, gjorde det muligt at lokalisere dem.

Kvasarer udsender lys

Fjerne kvasarer, stærkt lysende galaksekerner, sender kraftigt lys ud i uni­verset, også i retning af Jorden. Lyset udsendes i alle mulige bølgelængder.

Magnesium absorberer lyset

I gassen i og omkring galakserne mellem kvasarerne og Jorden er der magnesium, der absorberer lys fra kvasarerne ved to bestemte bølgelængder.

Bølgelængder afslører galakserne

Lopez lokaliserede de ellers usynlige galakser i den gigantiske bue ved at kigge på, hvor magnesium-bølgelængderne manglede i lyset fra kvasarerne.

Kæmpestrukturerne tyder altså på, at den kosmologiske standardmodel trænger til en overhaling, og fysikerne har flere bud på, hvordan den eventuelt kan forbedres.

Nogle forsøger at udvikle en uhomogen kosmologi og kigger på, hvordan det påvirker universets udvikling, hvis man medregner dets strukturer. Måske vil de største strukturer ikke være noget problem i sådan en model for universet.

Andre arbejder med en teori om, at tyngdekraften over meget lange afstande virker på en anden måde end beskrevet af Einstein og dermed skaber et ujævnt univers.

En tredje angrebsvinkel er den mørke energi, en hypotetisk form for energi i selve det tomme rum, der får universet til at udvide sig stadig hurtigere. Mørk energi er en integreret del af den kosmologiske standardmodel og beskrives som konstant. Men ifølge nogle forskere varierer den måske i tid eller rum – eller også er den hypotetiske energi slet ikke nødvendig for at beskrive universet.

En ny kosmologi kan ændre på beregningerne af universets udvidelse og dermed måske vores datering af det. Det kan betyde, at universet slet ikke er de 13,8 milliarder år gammelt, som standardmodellen fortæller os.

Endnu er kosmologerne dog ikke klar til at afskrive det kosmologiske princip. Inden de skrotter den velprøvede teori, efterspørger de et mere præcist kort over det synlige univers. Det skal vise flere detaljer af de store strukturer, der allerede er lokaliseret, og afsløre, om der er flere derude.

Her er der heldigvis håb forude, for allerede i december 2023 starter en helt ny og meget omfattende kortlægning af universet ved hjælp af det store, nyopførte Vera C. Rubin Observatory i Chile. Teleskopet vil give astronomerne langt mere detaljerede billeder af mere end halvdelen af himmelrummet, og de vil desuden kunne se meget længere tilbage i tiden.

Den grundige kortlægning vil vise, om det stadig giver mening at betragte universet som en jævn suppe, eller om der er klumper i suppen. Hvis nattehimlen – i den store skala – ikke er ens, uanset hvilken planet vi står på, og hvilken retning vi kigger i, er det tid til en ny model for universet.