Det här vet vi
I nästan hundra år har vi vetat att universum expanderar. Redan på 1920-talet upptäckte den belgiske prästen Georges Lemaître och den amerikanske astronomen Edwin Hubble att galaxer rör sig bort från oss. Genom att mäta ljuset från avlägsna galaxer såg de en så kallad – ljusvågorna sträcks ut precis som ljudet från en ambulans som kör bort från dig blir dovare. Detta var startskottet för idén om Big Bang.
Men fram till slutet av 1990-talet trodde de flesta forskare att denna expansion långsamt saktade ner. Tanken var logisk och vilade på gravitationens fundamentala lagar: all materia i universum, från stjärnor till osynlig , drar i allt annat. Denna kosmiska dragkamp borde fungera som en broms. Man debatterade bara om universum skulle stanna helt och kollapsa i en ”Big Crunch” eller fortsätta expandera i allt långsammare takt för evigt.
År 1998 ändrades allt genom en serie banbrytande observationer av avlägsna supernovor av typ Ia. Dessa specifika stjärnexplosioner är fantastiska verktyg för astronomer eftersom de alltid lyser med nästan exakt samma inneboende styrka. De fungerar som kosmiska ”standardljus”. Om du vet hur starkt en glödlampa faktiskt lyser, kan du räkna ut hur långt bort den är bara genom att se hur svag den ser ut.
När två oberoende forskarlag, ledda av Saul Perlmutter, Brian Schmidt och Adam Riess, analyserade data från dessa supernovor upptäckte de något som verkade helt omöjligt. De mest avlägsna explosionerna var betydligt blekare än vad de borde ha varit om expansionen saktade ner. Det betydde att de var mycket längre bort än väntat. Slutsatsen var oundviklig och chockerande: universums expansion saktar inte ner – den ökar i fart. En okänd kraft trycker universum utåt.
Den accelererande gungan
Föreställ dig att du står i en lekpark och ser ett barn på en gunga. Barnet får en första knuff och börjar svänga fram och tillbaka. Normalt sett, om ingen fortsätter att knuffa, kommer gungan att svänga lägre och lägre tills den stannar på grund av luftmotstånd och friktion. Men tänk dig att du ser gungan plötsligt börja svänga högre och snabbare helt av sig själv, trots att ingen rör den. Det skulle kräva att själva luften eller rymden runt gungan gav den energi på något mystiskt sätt. är den där osynliga ”extrakunffen” som påverkar hela universum på samma sätt.
Sedan upptäckten 1998 har mätningarna bekräftats gång på gång av andra metoder. Vi har studerat den kosmiska bakgrundsstrålningen och hur galaxer klumpar ihop sig i stora strukturer. Alla dessa oberoende spår pekar mot samma sak: universum består till största delen av något som vi inte kan se, som inte är materia, och som har den märkliga egenskapen att det trycker rymden utåt.
1917
Den kosmiska konstanten
Albert Einstein lägger till Lambda () i sina ekvationer för att hålla universum statiskt, något han senare kallade sitt ”största misstag”.
1929
Rymden växer
Edwin Hubble bevisar att universum expanderar genom att observera galaxers .
1998
Den stora chocken
Observationer av avlägsna supernovor visar att universums expansion accelererar, inte saktar ner.
2003
WMAP ger svar
Satellitmätningar av bakgrundsstrålningen bekräftar att utgör cirka 70 % av universum.
2011
Nobelpris i fysik
Upptäckarna av den accelererande expansionen belönas för sin banbrytande insats.
2023
Euclid skjuts upp
ESA skickar upp ett rymdteleskop dedikerat till att kartlägga den mörka delen av universum.
Det här vet vi inte
Trots att dominerar universum, är den fortfarande fysikens största gåta. Vi vet vad den gör, men vi har ingen aning om vad den faktiskt är. Det finns inget i våra laboratorier på jorden som liknar den. Den verkar vara en egenskap hos själva tomrummet – ju mer rymd som skapas mellan galaxerna, desto mer mörk energi finns det, vilket leder till ännu snabbare expansion.
Detta leder till en djupt märklig slutsats: späds inte ut när universum växer. Om du har en liter mörk energi och rymden expanderar så att du får två liter, så har du dubbelt så mycket energi som innan. Detta bryter mot all vår intuition om att energi är något man måste hushålla med. Det är som en bankomat som ger dig mer pengar ju mer du spenderar.
120
storleksordningar är skillnaden mellan vad teorin förutspår och vad vi faktiskt ser – det kallas ofta för den största felräkningen i vetenskapens historia.
Det här kallas för ”vakuumkatastrofen”. När kvantfysiker försöker räkna ut hur mycket energi som borde finnas i tomma rymden (tack vare virtuella partiklar som poppar in och ut ur existens), får de ett tal som är gånger större än vad astronomerna mäter. Om teorin hade rätt skulle universum ha slitits isär i en bråkdel av en sekund efter Big Bang. Varför är så otroligt svag, men ändå inte noll?
En annan gåta är det som kallas ”sammanträffandet” (The Coincidence Problem). Under större delen av universums historia var materia (både vanlig och mörk) den dominanta kraften. Men just i den era när vi råkar leva, har tagit över kontrollen. Varför har de två krafterna ungefär samma styrka just nu? Är det bara en slump, eller missar vi något fundamentalt om hur universum fungerar?
Vi vet inte heller om är konstant över tid. Om dess styrka skulle öka i framtiden kan det leda till ett scenario som kallas ”The Big Rip” (Den stora sönderrivningen). Då skulle expansionen till slut bli så våldsam att den sliter isär galaxer, stjärnor, planeter och till och med atomerna själva. Om den däremot minskar skulle gravitationen kunna vinna tillbaka kontrollen.
68,3 %
Andel
av universums totala innehåll är . All materia vi ser är bara en liten dekoration på toppen.
73 km/s
Expansion
per megaparsec är ungefär hur snabbt rymden växer just nu, enligt lokala mätningar.
10^-29 g/cm³
Täthet
är energin per kubikcentimeter – extremt svag lokalt, men enorm på hela rymdens skala.
5 miljarder år
Vändpunkt
sedan började vinna över gravitationen och expansionen tog fart på allvar.
Ljusets fart
Gräns
är vad galaxer långt bort verkar överskrida när rymden mellan oss växer, vilket inte bryter mot fysiken.
Oändlig
Framtid
av expansion väntar om är en konstant egenskap hos rymden.
Myt
och är samma sak.
Sanningen
De är varandras motsatser. fungerar som ett osynligt klister som drar ihop saker, medan trycker isär dem.
Myt
Expansionen gör att galaxerna själva blir större.
Sanningen
Nej, galaxer hålls ihop av sin egen gravitation. Det är bara det tomma rummet mellan galaxhopar som växer.
Myt
är bara en matematisk nödlösning för att rädda teorin.
Sanningen
Även om vi inte förstår den, krävs den för att förklara flera oberoende observationer av både det tidiga och det sena universum.
Matematiken bakom flykten
För att beskriva hur universum växer använder vi Hubbles lag, numera ofta kallad Hubble-Lemaître-lagen. Den visar ett enkelt men fundamentalt samband: ju längre bort en galax befinner sig från oss, desto snabbare verkar den röra sig bort. Detta beror inte på att galaxerna ”flyger” genom rymden, utan på att det skapas mer rymd mellan oss och dem hela tiden.
Hubble-Lemaître-lagen
Vad betyder symbolerna?
- Galaxens hastighet bort från oss (recessionshastighet)
- Hubble-konstanten (expansionstakten i det nuvarande universum)
- Avståndet till galaxen mätt i megaparsec
Räkneexempel
Om vi antar att Hubble-konstanten är 70 km/s per megaparsec, hur snabbt rör sig en galax bort som ligger 100 megaparsec bort?
Galaxen avlägsnar sig med 7 000 kilometer i sekunden.
Skillnaden mellan dessa värden är för stor för att vara ett enkelt mätfel. Det antyder att det kan finnas ”ny fysik” som vi ännu inte har upptäckt. Kanske fanns det en tidig form av precis efter Big Bang som sedan försvann, eller så är mörk energi mer komplicerad än en enkel konstant.
Teorierna
Den kosmologiska konstanten (Lambda)
Stark teoriAlbert Einstein / Standardmodellen (LCDM)
är en inneboende energi i själva rymdens väv. Varje kubikmeter rymd innehåller en exakt bestämd mängd energi som aldrig förändras, oavsett hur universum växer.
För
- +Den absolut enklaste förklaringen rent matematiskt.
- +Stämmer förbluffande väl med nästan alla observationer vi har gjort hittills.
Emot
- −Leder till den gigantiska vakuumkatastrofen ( fel mot kvantfysiken).
- −Ger ingen förklaring till varför energinivån råkar vara precis så låg som den är.
Kvintessens
Möjlig idéRobert Caldwell, Paul Steinhardt
är inte en konstant, utan ett dynamiskt och föränderligt energifält som genomströmmar hela universum, likt ett osynligt hav av energi.
För
- +Kan förklara varför blev dominant just vid den här tidpunkten i universums historia.
- +Ger en naturlig koppling till andra typer av fält inom partikelfysiken.
Emot
- −Kräver att vi introducerar en helt ny grundläggande naturkraft och ett nytt fält.
- −Hittills har inga experiment visat att faktiskt förändras över tid.
Modifierad gravitation (f(R) gravitation)
SpekulationDiverse teoretiska fysiker
existerar inte. Istället är det Einsteins allmänna relativitetsteori som behöver korrigeras när vi tittar på galaktiska avstånd. Gravitationen kanske ändrar karaktär när den blir extremt svag.
För
- +Löser problemet utan att behöva uppfinna mystiska, osynliga substanser.
- +Kan potentiellt förena gravitationen med andra krafter i en större teori.
Emot
- −Einsteins teori har klarat alla tester i vårt eget solsystem med extrem precision.
- −Mycket svårt att bygga en modell som stämmer med både supernovor och galaxhopar samtidigt.
Holografisk mörk energi
SpekulationSträngteoretiker
är en effekt av att vårt universum i själva verket är en sorts projektion (ett hologram) från en lägre dimension. Energitätheten styrs av universums yta snarare än dess volym.
För
- +Kopplar ihop kosmologi med avancerad strängteori och kvantinformation.
- +Kan ge en naturlig förklaring till varför energitätheten är så låg.
Emot
- −Extremt komplicerad matematik som är mycket svår att bekräfta med dagens teleskop.
- −Många varianter av teorin har redan uteslutits av observationer från Planck-satelliten.
Hur kan vi ta reda på det?
För att lösa gåtan måste vi mäta universum mer exakt än någonsin tidigare. Vi behöver veta exakt hur snabbt expansionen har förändrats under varje miljon år av universums historia. Om vi ser minsta lilla avvikelse i styrka, faller Einsteins gamla idé om den kosmologiska konstanten och vi behöver en helt ny fysik.
Just nu pågår flera gigantiska projekt runt om i världen. Genom att kartlägga miljontals galaxer i 3D kan forskare se hur universums stora struktur har vuxit fram. motverkar nämligen bildandet av stora galaxhopar – den fungerar som en osynlig kraft som försöker slita isär galaxerna innan de hinner klumpa ihop sig på grund av sin gravitation.
Euclid-teleskopet
Ett rymdteleskop från den europeiska rymdstyrelsen ESA som skapades specifikt för att studera den ”mörka sektorn” av universum.
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument)
Ett instrument monterat på ett teleskop i Arizona som mäter ljuset från 40 miljoner galaxer för att se hur expansionen sett ut genom historien.
Vera C. Rubin-observatoriet
Ett revolutionerande nytt teleskop i Chile som kommer att fotografera hela den synliga himlen var tredje natt och hitta miljontals nya supernovor varje år.
Nancy Grace Roman Space Telescope
NASA:s kommande flaggskepp som ska studera med en precision som Hubble-teleskopet aldrig kunde nå.
Vi letar också efter svar i mikrokosmos. Vissa forskare försöker mäta extremt svaga krafter i laboratorier på jorden för att se om har någon effekt på atomnivå. Svaret på universums största mysterium kan alltså finnas antingen i de största teleskopen eller i de minsta partikeldetektorerna.
Vad tycker du?
Vad tycker du?
Om fortsätter att accelerera expansionen tills varje galax är helt ensam i ett oändligt, kallt mörker, hur påverkar det din syn på mänsklighetens plats i historien?
Det finns inget rätt eller fel svar.
Vi lever i en unik tidsålder. Om några hundra miljarder år kommer expansionen ha gått så långt att inga andra galaxer utanför vår lokala grupp kommer att vara synliga från Vintergatan. Framtida astronomer på andra planeter skulle då tro att de var helt ensamma i ett tomt universum. Vi har den enorma turen att leva just nu, när kosmos fortfarande är fullt av ljus och visar upp sin historia för oss.
Vissa finner tanken på ett oändligt växande universum skrämmande, medan andra ser det som en symbol för oändlig frihet och utveckling. Kanske är mysteriet med en påminnelse om att universum inte är skapat för att vara lättbegripligt för oss, utan att vi själva måste kämpa för varje liten bit av förståelse.
Vad tror du själv? Är en fundamental del av naturen som vi bara inte förstått än, eller är det ett tecken på att vi helt har missuppfattat hur gravitation och rymd fungerar? Oavsett svaret är jakten på lösningen ett av de största äventyren i mänsklighetens historia.
.jpeg?width=1400)
