Universets udvidelse er løbet løbsk

Hvor hurtigt udvider universet sig? Det simple spørgsmål har forskerne ikke et enkelt svar på – de har to. Præcise målinger giver hver sit resultat, og den eneste logiske forklaring er, at universet gemmer på uopdagede kræfter.

Hvor hurtigt udvider universet sig? Det simple spørgsmål har forskerne ikke et enkelt svar på – de har to. Præcise målinger giver hver sit resultat, og den eneste logiske forklaring er, at universet gemmer på uopdagede kræfter.

shutterstock

Du kører i bil mellem to byer og prøver at måle, hvor langt der er. Triptælleren på bilens speedometer siger 74, men en opmåling på et kort giver 67,4. Spørgsmålet er, hvor fejlen ligger: Er triptælleren defekt, har du målt forkert – eller er der noget mere grundlæggende galt?

Lige nu står verdens astronomer i et lignende problem.

Det, de forsøger at måle, er bare ikke afstanden mellem to byer, men den hastighed, universet udvider sig med, og her er de kommet frem til to helt forskellige resultater.

Målingerne bag begge resultater er grundigt tjekket for fejl – uden at nogen har kunnet sætte en finger på noget. Men hvis de førende teorier om universets indhold og udvikling stadig skal passe, kan
begge resultater umuligt være rigtige.

Alle astronomer er enige om, at universet har vokseværk, og at det får galakserne til at fjerne sig fra hinanden. Det store spørgsmål er, hvilken hastighed galakserne spredes med.

Den hastighed kaldes hubblekonstanten, og det er den, astronomerne ikke kan blive enige om.

Når forskerne kender hubblekonstanten, kan de regne baglæns, så uenigheden om det ene tal skaber også tvivl om universets alder.

© AIES MEDIALAB/ESA

Planck-teleskopet

Data fra Planck-teleskopet har givet den mest præcise måling af hubblekonstanten.

  • Type: Rumteleskop
  • Drift: 2009-2013
  • Bølgelængde: Fra mikrobølger til det infrarøde spektrum
  • Mission: At måle temperaturforskelle i den kosmiske baggrundsstråling

Hubblekonstanten er svær at måle helt nøjagtigt. Forskellige måder at måle den på har hele tiden givet lidt forskellige resultater, men forskerne regnede med, at bedre målemetoder ville føre dem tættere på den rigtige udvidelseshastighed.

I de seneste år har astronomerne imidlertid udviklet mere præcise metoder, men det har ikke fået resultaterne til at nærme sig hinanden.

Tværtimod har de definitivt delt sig omkring to værdier – 67,4 og 74 km/s – og mange astronomer mener nu, at der sandsynligvis kun er én forklaring: Vores forståelse af universets indhold og kræfter skal revideres.

Stjernedød afslører galaksers fart

Den amerikanske nobelpristager og professor ved Johns Hopkins University Adam Riess har i mere end 20 år arbejdet med at måle hubblekonstanten.

Når en særlig type store stjerner ender deres liv som supernovaer, lyser de med en helt bestemt lysstyrke. Det gør det muligt at måle afstanden til fjerne galakser og deres fart væk fra os.

I 2019 nåede Riess og hans forskerhold frem til en hubblekonstant på 74,0 km/s for hver megaparsec, to galakser er fra hinanden.

En megaparsec (forkortet Mpc) er et længdemål, som astronomerne bruger ved ekstremt store afstande. En megaparsec svarer til cirka 31 milliarder milliarder km.

Hubblekonstanten er et mål for, hvor hurtigt universet udvider sig. Hastigheden kan måles ud fra supernovaer eller variationer i baggrundsstrålingen, men det giver ikke samme resultat.

Metode 1:

74 km/s udvider universet sig med, når astronomerne måler på supernovaer

© KEN IKEDA

Stjerneeksplosioner er målepunkter

Supernovaer af typen Ia lyser op med en kendt lysstyrke. En fordobling af afstanden giver en fjerdedel så meget lys, fordi lyset fordeles over et større areal. Lysstyrken viser derfor, hvor langt stjernen er væk.

© KEN IKEDA

Udvidelse forskyder lysets farver mod rødt

Når en supernova bevæger sig væk fra os, trækkes lysets bølgelængde ud, så lyset bliver mere rødligt. Ved at måle rødforskydningen af lyset kan forskerne regne ud, hvor hurtigt supernovaen fjerner sig fra os.

© KEN IKEDA

Hastighed delt med afstand giver hubblekonstanten

Ved at dividere supernovaens hastighed væk fra os med afstanden til den kan astronomerne beregne hubblekonstanten. Jo flere supernovaer der måles på, desto større bliver præcisionen.

Målingen er ikke hundrede procent præcis, men Riess og hans kolleger tør godt sige, at hubblekonstanten må ligge et sted mellem 72,6 og 75,4 km/s pr. Mpc.

Tallet bakkes op af et andet hold astronomer under ledelse af Sherry Suyu fra Max Planck-instituttet for astrofysik i Tyskland.

De har ikke brugt supernovaer, men kvasarer – kraftigt lysende galaksecentre – til at komme frem til en værdi på cirka 73,3 km/s pr. Mpc.

Andre og mere usikre målinger giver resultater i den samme ende af spektret – de lander på 72-75 km/s pr. Mpc. Men en meget præcis måling, der er foretaget med en anden metode, skiller sig ud med et langt lavere tal.

Målingen er baseret på data fra det europæiske rumteleskop Planck, der var aktivt fra 2009 til 2013. Teleskopet målte den kosmiske baggrundsstråling, eftergløden fra big bang, der blev frigivet, da universet blot var 380.000 år gammelt.

Ved at analysere denne stråling kan astronomerne regne sig frem til, hvordan universet har udvidet sig siden. I 2018 meddelte holdet bag missionen, at hubblekonstanten ifølge deres beregninger er 67,4 km/s pr. Mpc – plus/minus 0,5 km/s pr. Mpc. Det er den hidtil mindste usikkerhed for en måling af konstanten.

Resultatet bakkes op af målinger, hvor astronomer beregner hubblekonstanten ved at se på galaksernes placering i universet. I det tidlige univers var stoffet ikke lige tæt.

Det har betydet, at galakserne ikke er helt jævnt fordelt i dag, og dette mønster i fordelingen af galakserne kan forskerne bruge til at beregne hubblekonstanten.

Ud fra størrelsen og fordelingen af varme og kolde områder kan universets udvidelseshastighed beregnes.

© PLANCK COLL./ESA

Metode 2:

67,4 km/s udvider universet sig med, når astronomerne måler på baggrunds-strålingen

I milliarder af år har hele universet været badet i varmestråling, der stammer fra universets tidlige barndom – den kosmiske baggrundsstråling. Dengang var universet en brandvarm suppe af stof og stråling, men suppen var ikke lige varm overalt – der var ganske små variationer i stoffets tæthed og temperatur. Siden da har universet udvidet sig og er blevet afkølet, men strålingen fra dengang, universet kun
var 380.000 år gammelt, er der stadig.

Planckteleskopet har målt denne restvarme fra big bang med stor præcision. I dag er universets temperatur helt nede på minus 270,42 °C – kun 2,73 grader over det absolutte nulpunkt – men stadig med små variationer. Disse variationer i den kosmiske baggrundsstråling svarer til forskellige tætheder af stoffet i det unge univers, og ud fra det udgangspunkt kan astronomerne beregne, hvor hurtigt universet har udvidet sig siden.

Hvis astronomerne bruger de to sidste målinger til at skrue tiden tilbage til big bang, vil universets alder blive de 13,8 milliarder år, som de fleste forskere hidtil har anslået den til.

Men hvis universet udvider sig en del hurtigere, som Adam Riess’ målinger af supernovaer tyder på, kan det være flere hundrede millioner år yngre.

Usikkerheden om hubblekonstanten påvirker også universets form. De fleste astronomer er enige om, at universet er tæt på at være fladt, men de ved ikke, om det er uendeligt stort eller ej.

Fordelingen af stof og energi giver universet en bestemt krumning. Det kan enten være lukket, åbent eller fladt. De fleste astronomer mener, at universet er næsten fladt, men en gruppe forskere har for nylig argumenteret for, at universet er lukket.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

1. Lukket univers

Høj densitet gør universet lukket
Hvis den gennemsnitlige mængde af stof og energi – densiteten – i universet er høj, krummer det indad som en kugle. Forskerne kalder universet lukket, fordi to lysstråler, der sendes afsted parallelt, nærmer sig hinanden. I en trekant er summen af vinklerne over 180 grader.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

2. Åbent univers

Lav densitet gør universet åbent
Hvis densiteten er lav, krummer universet udad som en sadel. Det kaldes et åbent univers, fordi to lysstråler, der sendes afsted parallelt, vil fjerne sig fra hinanden i det uendelige. I det åbne univers er vinkelsummen for en trekant mindre end 180 grader.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

3. Fladt univers

Helt bestemt densitet gør universet fladt
Hvis densiteten har en helt bestemt værdi, krummer universet slet ikke på den største skala. Det er fladt som en pandekage – blot i tre dimensioner. To parallelle lysstråler forbliver parallelle i det uendelige, og summen af vinklerne i en trekant er altid 180 grader.

I en videnskabelig artikel i tidsskriftet Nature Astronomy fra november 2019 argumenterer tre fysikere nu for, at Planckteleskopets må­linger tyder på et lukket univers.

Det vil sige, at universet krummer indad som en kugle og har en endelig udstrækning. Teorien løser ikke hubbleproblemet, nærmere tværtimod. Et krumt, lukket univers ville betyde, at hubblekonstanten var endnu lavere, end hvad holdet bag Planckteleskopet regnede sig frem til.

Universets manual skal revideres

Når forskere måler en bestemt fysisk størrelse som hastigheden af universets udvidelse, skal resultatet være det samme hver gang – det må ikke afhænge af målemetoden.

Får forskerne forskellige resultater, er enten målingerne eller nogle af fysikkens grundlæggende antagelser forkerte.

Astronomen Adam Riess har målt hubblekonstanten ved hjælp af supernovaer.

© HOLGER MOTZKAU

"Uoverensstemmelsen har nu nået et punkt, der er helt umuligt at afvise som en tilfældighed."

Adam Riess, professor i astronomi

Astronomerne har gjort sig alverdens anstrengelser for at redegøre for alle forhold, der kunne give fejl i målingerne, men alle beregninger virker bundsolide – både dem, der viser en hubblekonstant tæt på 67 km/s pr. Mpc, og dem, der viser tæt på 74 km/s pr. Mpc.

Ingen kan pege på fejl i analyserne. Kosmologien står med andre ord i en krise, men forskere er ofte glade for videnskabelige kriser, for vejen ud af dem kan føre til ny grundlæggende viden.

Adam Riess kalder forskellen i hubblemålingerne for den mest spændende udvikling inden for kosmologien i årtier og konkluderer:

“Uoverensstemmelsen er vokset og har nu nået et punkt, der er helt umuligt at afvise som en tilfældighed.”

Hvis alle målingerne er korrekte, må forskellen skyldes, at vi ikke helt har forstået universets spilleregler.

Som Sherlock Holmes sagde: “Når man har udelukket det umulige, må det, som er tilbage, være sandheden, uanset hvor usandsynligt det er.”

Astronomerne kan derfor blive nødt til at rette i den manual for universet, som de har udviklet igennem årtier, og forslag til løsninger af hubbleproblemet er allerede dukket op.

Fælles for dem er, at de beskriver et univers, der er mere indviklet, end forskerne troede.

Astronomernes kosmologiske standardmodel – den såkaldte -CDM-model – har indtil nu kunnet forklare, hvorfor vores univers ser ud, som det gør, og modellen er grundlaget for alle målinger af universets udvidelse.

CDM står for Cold Dark Matter, koldt mørkt stof. Mørkt stof kaldes sådan, fordi det ikke udsender nogen form for stråling. Med koldt mener fysikerne, at det bevæger sig meget langsommere end lys.

λ, det græske bogstav lambda, står for mørk energi – en form for energi, der findes overalt i universet og skubber det større og større. Det forslag, der har fået størst opmærksomhed, har netop at gøre med den mørke energi.

I den simpleste model for universet antager astronomerne, at den mørke energi altid har været den samme – at hver kubikmeter af rummet altid har indeholdt en bestemt mængde mørk energi.

Den mørke energi får universet til at udvide sig hurtigere og hurtigere, fordi der bliver mere og mere rum og dermed også mere mørk energi. Men hvis den mørke energi bliver stærkere i sig selv, vil udvidelsen accelerere yderligere.

Det kan forklare, at forskellige målemetoder giver forskellige resultater. Den lave værdi af hubblekonstanten, der er beregnet ved hjælp af baggrundsstrålingen, er nemlig baseret på en antagelse om, at den mørke energi er konstant.

De målinger, der giver den høje værdi, bygger på galaksernes hastighed væk fra os og er ikke afhængige af antagelser om mørk energi.

Hvis den mørke energi ikke er konstant, giver det altså mening, at målemetoderne når frem til hver sit resultat.

Til gengæld får fysikerne sværere ved at forklare, hvad mørk energi overhovedet er for en størrelse, og hvilken mystisk naturkraft der ændrer den med tiden.

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

En anden gådefuld energi, der kun virkede i de første 100.000 år af universets historie og derefter forsvandt sporløst, er også blevet foreslået som forklaring på hubble-uoverensstemmelsen.

Så måske kræver det en ny fundamental naturkraft at forklare, hvorfor universet opfører sig på en måde, som astronomerne ikke havde forventet.

Neutrino får tallene til at stemme

Hvis løsningen på hubbleproblemet ikke er en ny naturkraft, kan det være en gådefuld partikel. Astronomer fra blandt andet Fermilab i USA har peget på en mulig forklaring, der involverer de uanseelige elementarpartikler kaldet neutrinoer.

Selvom de findes overalt og eksempelvis produceres i stort tal i Solen, går de oftest under radaren. Neutrinoer vekselvirker nemlig stort set ikke med andet stof, men er en form for spøgelsespartikler, som går lige igennem alting og er meget svære at måle på.

Netop derfor ved fysikerne ikke ret meget om neutrinoer, og måske gemmer de på hemmeligheder, som kan forklare, hvorfor målinger af hubblekonstanten giver afvigende resultater.

Fysikerne kender til tre forskellige slags neutrinoer, men det er muligt, at der findes en fjerde, som ikke er opdaget endnu.

Hvis denne fjerde neutrino var på spil i det tidlige univers, ville det både have betydning for den kosmiske baggrundsstråling og for den måde, galakserne har fordelt sig på.

I så fald skal de data, der ligger til grund for den lave værdi af hubblekonstanten, analyseres på en ny måde. Det kan give en højere værdi, som ligger tættere på den, der er fundet ud fra supernovaer og kvasarer.

Det nye neutrinoobservatorium Hyper-Kamiokande kan måske levere svaret.

Observatoriet er under opførelse i Japan og består af en vandtank, som skal fyldes med 260 millioner liter ultrarent vand. 40.000 ekstremt følsomme fotodetektorer skal fange spor efter neutrinoer, når de en sjælden gang imellem støder ind i et vandmolekyle – og måske afsløre en ukendt neutrino.

Hvis det er supernovaerne, der driller, kan det store teleskop Vera C. Rubin Observatory, som er under opførelse i Chile, give mere præcise målinger.

Teleskopet bliver færdigt i 2023 og vil kunne opdage langt flere supernovaer, end det hidtil har været muligt. Jo flere supernovaer man kan bestemme afstand og hastighed for, desto nøjagtigere kan hubblekonstanten måles.

I 2022 sendes det europæiske rumteleskop Euclid op for at undersøge, hvordan universet har udvidet sig igennem de seneste ti milliarder år.

Med teleskopet kan astronomerne ikke blot se, hvordan universet udvider sig nu, men hvordan udvidelsen er forløbet igennem universets historie. På den måde vil astronomerne kunne se, om observationerne passer med teorierne for universets udvidelse gennem tiden.

© ATG MEDIALAB/ESA

Euclid-satellitten

Euclid-satellitten skal undersøge, om den mørke energi har ændret sig med tiden.

  • Type: Rumteleskop
  • Opsendelse: 2022
  • Bølgelængder: Synligt lys til nær-infrarødt
  • Mission: Udforskning af mørk energi og mørkt stof gennem måling af universets udvidelse

Om det er en af de nævnte teorier eller en helt tredje, der bringer enigheden blandt astronomerne tilbage, vil de fremtidige målinger vise.

Først når den rigtige model for universet og dets indhold er fundet, kan forskerne udtale sig om universets udvidelseshastighed og alder med overbevisning.

De nye observationer af neutrinoer, mørk energi og supernovaer vil forhåbentlig føre frem til en mere præcis beskrivelse af universet.

Så når du i det tænkte eksempel kører i bil mellem to byer engang i fremtiden, viser triptælleren og en opmåling på kortet den samme afstand.