Galaksehobe blåstempler Einsteins Relativitetsteori
Kosmologer i Danmark har brugt fjerne galaksehobe til at sætte Einsteins relativitetsteori på den ultimative prøve. Teorien består med glans.

Lyset fra centret af fjerne galaksehobe bliver rødforskudt efterhånden som det bevæger sig ud gennem hoben. Rødforskydningens størrelse er i perfekt overensstemmelse med Einsteins Relativitetsteori. (Foto: NASA, ESA, E. Jullo (Jet Propulsion Laboratory), P. Natarajan (Yale University), and J.-P. Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, CNRS, France))

Den Generelle Relativitetsteori, der blev fremsat af den berømte fysiker Albert Einstein for godt 100 år siden, får nu et kæmpe rygstød, efter at danske kosmologer har analyseret nye observationer af galaksehobe.

Studiet viser, at lys, der strømmer gennem gigantiske galaksehobes tyngdefelter, opfører sig nøjagtigt, som teorien forudsiger. Resultaterne er så hårdtslående, at de netop er blevet publiceret i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature. 

»Vi kan konstatere, at Einsteins Generelle Relativitetsteori holder på meget store skalaer i universet. Det er stort, for hidtil har man kun kunnet bekræfte teorien ved at studere lysets adfærd inden for vores eget solsystem,« pointerer postdoc Radek Wojtak fra Dark Cosmology Centret på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet. Han er hovedmanden bag studiet.

Solens tyngdefelt rødforskyder lyset

Einsteins Generelle Relativitetsteori siger, at alle planeter, stjerner, galakser og hobe, krummer rummet omkring sig. Krumningerne er objekternes tyngdefelter, der ikke kun trækker i andre objekter, men også påvirker lys.

Radek Wojtak har testet Einsteins Relativitetsteori ved hjælp af en metode, der allerede blev udtænkt tilbage i 1960’erne. Mange astronomer har forsøgt at gennemførte den test, men har hidtil kun haft succes med at udføre den på det lys, vi modtager fra Solen. På større afstande er forsøgene hver gang strandet på, at man ikke har haft tilstrækkeligt gode teleskoper til at kunne se en effekt.

Fakta

Den Generelle Relativitetsteori lægger spillereglerne for, hvordan tingene opfører sig i universet.

Den kosmologiske model siger noget om indholdet i universet, altså mængden af almindelige partikler, mørkt stof, og mørk energi.

Testen går ud på at bekræfte et fænomen kaldet ’gravitationel rødforskydning’, der ifølge relativitetsteorien opstår, når lys trænger ud igennem et tyngdefelt fra et tungt objekt, som eksempelvis en galaksehob.

Det koster lyset energi at møve sig ud gennem tyngdefeltet. Bedriften kan sammenlignes med at man står på bunden af en dyb brønd og forsøger at kravle op af den. Det ville ikke kun koste et almindeligt menneske blod, sved og tårer - det rammer også lys ved at give det en lavere frekvens og en større bølgelængde. Lyset bliver kort sagt skubbet mod den rødere og mere energifattige del af det elektromagnetiske spektrum. Det bliver rødforskudt.

Lyset fra galaksehobes centrum skal op ad bakke

Den rødforskydning har man forlængst målt for vores egen sol. Fordelen ved Solen er nemlig, at man kender dens lys særdeles godt og demed forholdvist let kan finde ud af, om dens lys virkeligt bliver rødforskudt, som teorien påstår. Disse målinger lavede man allerede helt tilbage i 1960’erne, og det viste sig, at det svarede præcist til, hvad Den Generelle Relativitetsteori forudsagde, endda med uhyre små usikkerheder helt ned til en 100.000 del.

Radek Wojtak har i sit studie spejdet meget længere ud i verdensrummet, helt ud til nogle af universets fjerne galaksehobe, der befinder sig flere millioner lysår herfra.

I første omgang fokuserede han på lyset fra en enkelt hob og fandt, at lyset fra galaksehobenes centre ganske rigtigt bliver rødforskudt, når det passerer ud gennem hobenes enorme tyngdefelt, endda i god overensstemmelse med relativitetsteorien. 

Albert Einstein (14. marts 1879 - 18. april 1955) var en tysk teoretisk fysiker med en omfattende og banebrydende videnskabelig produktion. I dag huskes han især som grundlæggeren af den specielle og den almene relativitetsteori og for sit pacifistiske engagement i politiske og sociale forhold. Han blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1921 for sin beskrivelse af den fotoelektriske effekt. Einstein betragtes som en af det tyvende århundredes vigtigste videnskabsmænd.

Det lys, der udsendes fra hobens kant, blev til gengæld ikke rødforskudt i lige så høj grad. Det giver god mening, da lyset ikke skal bevæge sig gennem hobens tyngdefelt på sin vej ned til os.

Granskede 8000 galaksehobe

Wojtak vidste godt, at hans målinger af den enkelte galaksehob slet ikke var nok til at kunne bekræfte Einsteins Relativitetsteori. En enkelt fuldtræffer kan i princippet være et udtryk for en målefejl. Den forudsagte rødforskydning for den galaksehob er mindre end de måleudsikkerheder, man automatisk får, når man bruger et teleskop.  

Han vidste, at hans resultater først ville være tilstrækkeligt overbevisende, hvis han kunne vise samme effekt for flere tusinde galaksehobe spredt ud over et større område i universet.

Det kan sammenlignes med at man gerne vil kende længden af et bord. Måler man ét bord, vil man ikke opnå en særligt præcis længde, men gentager man samme procedure for 8000 borde af samme slags, vil man i sidste ende kunne minimere måleusikkerheden og ende op med et meget præcist mål.

Wojtak gik derfor i gang med at gentage proceduren for i alt 8.000 galaksehobe, og også her viste det sig, at lyset var rødforskudt på præcis den måde, som relativitetsteorien har forudsagt.

»Sammenfaldet mellem vores observationer og Einsteins teori er dejligt præcist,« pointerer Radek Wojtak.

Gennembrud bekræfter også mørk stof

Fakta

Oprindeligt forventede man, at universet udvider sig langsommere og langsommere. Men man måler, at udvidelsen accelereres. Det vil sige, at der kan være to ting galt. Enten er Einsteins feltligninger forkerte, eller også må vi acceptere, at der er noget, der hedder mørk energi på stor skala.

Det nye studie bekræfter ikke bare relativitetsteorien, men styrker også idéen om, at universet rummer en mængde mystisk mørk stof, der udgør omkring seks gange så meget stof som alle de almindelige partikler, vi kender.

Einsteins Relativitetsteori siger ikke i sig selv noget om eksistensen af mørk stof, men astronomerne har været nødt til at tilføje fænomenet til teoriens supplerende ’liste’ over, hvad universet rummer af stof og kræfter for at kunne redegøre for det faktum, at universet udvider sig med accellerende hast. 

Denne liste kalder astronomerne for ’Den Kosmologiske Model’. Hidtil har astronomerne altså kun kunnet redegøre for den observerede udvidelse af universet ved at koble Einsteins Relativitetsteori og Den Kosmologiske Model sammen. Einsteins Relativitetsteori har altså til forskernes store frustration ikke været bekræftet i sig selv.

Det har plaget forskerne. For så længe Einsteins Relativitetsteori ikke var underbygget, kunne både relativitetsteorien og den kosmologiske model i princippet godt være forkerte. Man kunne være så uheldig, at de to fejl var lige store og modsatrettede, så de ophævede hinanden. Dermed kunne det komme til at se rigtigt ud udadtil, selv om det i bund og grund var forkert.

»Nu hvor vi har bekræftet Einsteins Relativitetsteori på stor skala, så styrker det direkte forestillingen om, at universet rummer en stor mængde mørk stof,« siger han.  

Mørk energi har fanden skabt

Fakta

De data, Radek Wojtak har studeret fra de mange galaksehobe, er frit tilgængelige på internettet. Alle og enhver kan downloade dem og efterprøve hans analyser. (Links til de to kataloger er at finde i referenceboksen under artiklen.)

Forestillingen om den mørke energi samt det mørke stof har mange kosmologer haft svært ved at æde. Begge dele gør nemlig relativitetsteoriens ligninger utroligt svære at regne på. Flere teoretikere har taget sagen i egen hånd og har forsøgt at opstille alternative gravitationsteorier, der kan redegøre for udvidelsen uden at være tvunget til at indføre de to mystiske fænomener. 

Det fortæller lektor Steen H. Hansen fra Dark Cosmology Centret, der sammen med professor Jens Hjorth også er medforfatter på Radek Wojtaks studie. 

Indtil i dag fandtes der essentielt Einsteins Relativitetsteori samt to forskellige klasser af alternative gravitationsmodeller, hvoraf den ene klasse går uden om mørkt stof, mens den anden undgår mørk energi.

»Det Radek viser er, at klassen af teorier, der sniger uden om mørkt stof, ikke er i overensstemmelse med observationer,« siger han.

Sonde skal studere flere galaksehobe

Kampen står nu mellem Einsteins Relativitetsteori og en alternativ teori fra den klasse af modeller, der forsøger at undslippe den mørke energi. Denne klasse har forskerne givet den mundrette betegnelse 'F(R)'. 

Om Einsteins Relativitetsteori vinder den kamp kan tidligst blive afgjort efter 2019, hvor det europæiske rumagentur ESA har planer om at opsende rumsonden Euclid. ESAs Science Programme Committee beslutter, om de vil føre planen ud i livet på et møde i næste uge. Sonden skal studere endnu flere galaksehobe, sådan som Radek Wojtaks har gjort det, blot med større præcision. 

»Disse data vil formentlig gøre det muligt at slagte enten F(R) eller Den Generelle Relativitetsteori. Jeg tror mest på, at relativitetsteorien vinder, men hvis man er ligeglad med, at F(R) er en grim teori, der rummer mange besværlige led som er svære at regne på, så er den sådan set også et godt bud,« slutter han.

Rumsonde skal indsamle flere data 

Kosmologerne har hidtil haft relativitetsteorien samt to klasser af alternative teorier at vælge mellem. 

  1. Einsteins Generelle Relativitetsteori
  2. Klasse 1: Teorien ’F(R)’, den er opfundet for at vi kan slippe af med mørk energi.
  3. Klasse 2: TeVeS, der er en forkortelse for Tensor Vector Skalar Theory, som er opfundet for at slippe af med mørkt stof.

»Det, vores målinger viser, er at Generel Relativitetsteori er i perfekt overensstemmelse med målingerne, mens TEVES-teorien er forkert. Vi kan dog endnu ikke vise, at den tredje teori, F(R), er forkert. Vi mangler 10 til 20 gange mere data for at kunne afgøre kampen mellem Einsteins Relativitetsteori eller F(R) på stor skala,« siger Radek Wojtak.

Neutrinoer med overlyshastighed spiller ingen rolle

I sidste uge publicerede Nature en opsigtsvækkende artikel om neutrinoer, der bevæger sig med overlyshastighed. Nogle forskere udtalte efterfølgende, at dette resultat udfordrede relativitetsteorien.

Men det mener Steen H. Hansen er noget sludder.

»Jeg ved godt, at der var nogle mennesker, der fremsatte den påstand, men det er fordi de ikke ved nok om relativitetsteorien,« siger lektor Steen H. Hansen skælmsk og fortsætter:

»En af de smukke ting ved den nye observation er, at den er ligeglad med, hvor langt væk strukturerne ligger, og hvor hurtigt neutrinoerne bevæger sig. De kunne for den sags skyld bevæge sig med 10 gange lysets hastighed. Vores resultat viser alligevel at forudsigelserne af relativitetsteorien er i overensstemmelse med direkte observationer,« siger han.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.