Store opdagelser: Mørk energi
Universet er fyldt med en mærkelig slags energi, der får det til at puste sig op – det udvider sig med stadig større hast. Man er ikke sikker på, hvad denne kosmiske energi er, men i det mindste har man et navn for mysteriet: 'Mørk energi'.

Selvom det mørke stof er usynligt, røber målinger dets eksistens. I galaksehoben Abell 1689, der befinder sig mere end to milliarder lysår væk, er der påvist enorme mængder af mørkt stof, som på fotografiet er angivet med den blå farve. (Foto: Mørkt stof, 2002. NASA, ESA, E. Jullo (Jet Propulsion Laboratory), P. Natarajan (Yale University) og J.-P. Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, CNRS, Frankrig)).

Selvom det mørke stof er usynligt, røber målinger dets eksistens. I galaksehoben Abell 1689, der befinder sig mere end to milliarder lysår væk, er der påvist enorme mængder af mørkt stof, som på fotografiet er angivet med den blå farve. (Foto: Mørkt stof, 2002. NASA, ESA, E. Jullo (Jet Propulsion Laboratory), P. Natarajan (Yale University) og J.-P. Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, CNRS, Frankrig)).
Bringes i samarbejde med 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

 

Navnet optræder for første gang i den videnskabelige litteratur i en artikel fra 1999. I dag er naturen af den mørke energi – dens forklaring ud fra fysisk teori – den måske største af alle videnskabelige gåder.

For at måle universets udvidelseshastighed, som givet ved Hubbles konstant, må man kende afstanden til stjerner eller galakser i ekstremt store afstande fra Jorden.

Det var med dette formål, at internationale forskningsgrupper i 1990'erne studerede de fjerne og meget lysstærke supernovaer.

Som resultat af møjsommeligt indsamlede data nåede forskerne i 1998 frem til et billede af universet, der adskilte sig radikalt fra, hvordan man hidtil havde troet, det så ud.

Universet, fortalte de, har øget sin udvidelseshastighed gennem mindst fem milliarder år, og accelerationen vil formentlig fortsætte i al evighed. 

Mørk energi var en eksotisk form for energi

Den målte tæthed af masse og energi svarede til et rumligt uendeligt univers, hvor kun cirka 30 procent af tætheden skyldes stof, mens de resterende 70 procent måtte skyldes en eksotisk form for energi – den mørke energi.

Forbedrede målinger har siden resulteret i en fordeling på 27,3 procent stof og 72,8 procent energi. De nyeste målinger fra Planck-satellitten giver dog en noget anden fordeling, nemlig 31,7 procent stof og 68,3 procent mørk energi.

Målingerne har desuden ført til en mere præcis værdi for universets alder, der nu er bestemt til 13,8 milliarder år.

LÆS OGSÅ: Planck afslører: Universet er 13,8 milliarder år gammelt

Energiens natur er stadig en gåde

Det nye billede af universet udløste i 2011 Nobelpriser til tre af de ledende forskere inden for studiet af supernovaernes kosmologiske betydning, den amerikansk-australske Brian Schmidt (født 1967) og de to amerikanere Saul Perlmutter (født 1959) og Adam Riess (født 1969).

Ifølge det nye billede består kun 4-5 procent af universet af almindeligt stof i form af grundstoffer og atomare partikler, mens der er langt mere såkaldt mørkt stof, som tegner sig for omkring 85 procent af universets stoflige indhold.

Dette mørke stof er usædvanligt ved ikke at udsende stråling, men dets natur er stadig en gåde.

Mens noget af det mørke stof er kendte dyr i den kosmiske zoologiske have – for eksempel neutrinoer, sorte huller og såkaldt brune dværgstjerner – er en anden og større del af en endnu mere eksotisk art.

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Det eksotiske mørke stof består måske af elementarpartikler, der er forudsagt teoretisk, men endnu ikke er påvist i eksperimenter. En kandidat er den såkaldte neutralino, der imidlertid kun kendes fra teoretiske beregninger.

Fysikerne kendte til ideen om, at tomrummet indeholdt energi

Ikke mindre gådefuld er den mørke energi, som puster universet op og dominerer dets samlede indhold af stof og energi (Husk på, at energi og stof er ækvivalente via Einsteins E = mc2).

Forskerne kunne kun forklare observationerne af supernovaer ud fra antagelsen om en kosmisk frastødende kraft overalt i rummet. Men hvad er denne mørke kraft eller energi for noget?

Selvom den mørke energi først blev en kosmologisk realitet i 1998, var fysikerne ikke ubekendt med ideen om, at det tomme rum er fyldt med energi.

Et helt tomt rum vil altid indeholde stråling

Spørger man kvantemekanikken, vil den svare, at et atom eller et lignende simpelt fysisk system ikke kan have energien nul, men at det i den laveste energitilstand altid vil have en 'nulpunktsenergi'.

Man troede oprindeligt, at dette fænomen var begrænset til materielle systemer som for eksempel molekyler, men i 1950'erne blev det anerkendt, at også ren elektromagnetisk stråling har en nulpunktsenergi.

I et helt tomt rum vil der altid være stråling og derfor også energi, hvilket blev vist eksperimentelt i den såkaldte Casimir-effekt, opkaldt efter den hollandske fysiker Hendrik Casimir (1909-2000), der havde forudsagt effekten i 1948.

Hverken Casimir eller andre mente i første omgang, at det kvantefysiske vakuum havde kosmologisk relevans. Først omkring tyve år senere foreslog enkelte fysikere, at kosmologien havde brug for et vakuum som beskrevet af kvantemekanikken.

Einstein infører en »foreløbig ubekendt universel konstant«

Men vi må en tur tilbage til 1917, da Einstein på basis af sin generelle relativitetsteori formulerede de ligninger for universet, der stadig anerkendes som fundamentet i den kosmologiske teori.

I sin oprindelige model af et endeligt univers fyldt med stof var Einstein nødt til at indføre en frastødende kosmisk kraft, da hans univers ellers ville falde sammen under tyngdens virkning.

Denne kraft, der kun var mærkbar over meget store afstande, afhang af en ny 'kosmologisk konstant', der altid betegnes med det græske bogstav lambda (λ eller Λ). Einstein selv betegnede den i 1917 som en »foreløbig ubekendt universel konstant«.

Den kosmologiske konstant udtrykte kosmisk udvidelseskraft

Den fysiske betydning af konstanten var ikke ganske klar, men Einstein mente, den var nødvendig for at forklare universets stabilitet. Da det i 1930 viste sig, at universet udvider sig, skrottede Einstein og de fleste andre forskere den kosmologiske konstant som en fejltagelse.

Der var dog enkelte fysikere, der holdt fast ved Λ–konstanten og opfattede den som en nødvendig del af kosmologien. Det gjaldt især belgieren Georges Lemaître (1894-1966), der i 1931 havde indført ideen om et Big Bang-univers.

Universet pustes op af en sær form for energi, der formentlig stammer fra kvanteprocesser i det tomme rum. Da den tyske astrofysiker Wolfgang Priester (1924-2005) lavede sin tegning i 1984, var den mørke energi endnu ikke påvist

Han forklarede i et foredrag i 1933, at den kosmologiske konstant udtrykte en kosmisk udvidelseskraft i det tomme rum.

 

Stoftætheden er større end hos almindeligt stof i universet

Det fysiske vakuum kan tilskrives en energitæthed, der netop er proportional med den kosmologiske Λ–konstant, og som giver anledning til en spænding eller et 'negativt tryk', der får universet til at accelerere.

Selvom hverken Lemaître eller andre kendte værdien for den kosmologiske konstant, bortset fra at den måtte være meget lille, anslog han ud fra Einsteins formel E = mc2, at vakuumenergien måtte svare til en stoftæthed af størrelsesordenen 10-27 g/cm3

Det er jo et meget lille tal, men alligevel er det mere end 1.000 gange større end den gennemsnitlige tæthed af almindeligt stof i universet. Lemaîtres teori blev ignoreret af samtiden og kom først til at spille en rolle mange år senere.

 

Ingen data syntes at tale for konstanten

Omkring 1970 havde man altså to former for vakuumenergi, den ene stammende fra den kosmologiske konstant og den anden fra den kvantemekaniske teori for det tomme rum.

Det blev nu endelig foreslået, at der var tale om to versioner af samme energi, det vil sige, at Λ-konstanten kunne forstås ud fra kvantefysikken. Problemet var imidlertid, at det var højst uklart, om Λ overhovedet eksisterede.

Den giver sig kun til kende på en kosmologisk målestok, og ingen astronomiske data syntes klart at tale til fordel for konstanten. Sådanne data fremkom først med studiet af supernovaer i 1998, der afslørede et univers blæst op af en mørk energi.

 

Det nye verdensbillede kunne ses som en fortolkning

De fleste astronomer og fysikere tøvede ikke med at identificere den mørke energi med den vakuumenergi, der skyldes Λ-konstanten.

Ja, de fortolkede de nye observationer som en 'opdagelse' af den størrelse, som Einstein havde kasseret, og som i så lang tid havde været ude i kulden.

Omvendt kunne det nye verdensbillede ses som en bekræftelse af den fortolkning, som Lemaître havde foreslået 65 år tidligere.

 

Den værste forudsigelse i videnskabshistorien

Den nye kosmologi, der udkrystalliserede sig i årene efter 1998, var baseret på ideerne om mørkt stof og den mørke Λ–energi. Dette er stadig det foretrukne grundlag for kosmologien, endda et slags paradigme om man vil.

Men da hverken det mørke stof eller den mørke energi er godt forstået, er det et paradigme, der i nogen grad hviler på uvidenhed snarere end på viden.

Et af de store problemer i dag er at forstå værdien af den kosmologiske konstant ud fra den kvantefysiske teori for det tomme rum.

Einstein lever! Opdagelsen i 1998 af, at universets udvidelse sker stedse hurtigere, og at der derfor må findes en kosmisk udvidelseskraft, bliver normalt forklaret ud fra den kosmologiske konstant, Einstein indførte i sine ligninger i 1917. (Foto: Forside af Science, nr. 282, 1998. Trykt med tilladelse fra AAAS og kunstneren John Kascht.)

Astronomiske data antyder en Λ-energitæthed på 10-29 g/cm3, mens kvanteteorien resulterer i en tæthed for vakuumenergien, der er kolossalt meget større: Forholdet mellem den teoretisk forventede og den observerede værdi er intet mindre end den gigantiske faktor 10120

Intet under, at fysikere taler om den værste forudsigelse nogensinde i videnskabshistorien. De har søgt at løse problemet gennem mere end 30 år, men stadig uden et tilfredsstillende svar.

 

Hvis universets rumfang fordobles, bliver mængden af stof uforandret

Almindelig energi er bevaret, således at den ikke ændres, når universet bliver større. Med voksende rumfang vil energien forblive den samme, mens tætheden af energi bliver mindre.

Vakuum- eller Λ–energien er højst usædvanlig ved, at det er energitætheden og ikke energien selv, der forbliver konstant. Hvis universets rumfang fordobles, bliver mængden af stof uforandret.

Derimod bliver der dobbelt så meget mørk energi til at puste universet op og derved skabe yderligere mørk energi og så videre.

Med andre ord, den mørke energi sørger for, at den kosmiske udvidelse går amok, så universet i en fjern fremtid vil være helt domineret af denne mærkelige energiform.

 

Den mørke energi er ikke direkte påvist

Da alle galakser fjerner sig stedse hurtigere fra hinanden, vil vi – eller vores Mælkevej – engang være alene i det synlige univers.

Ingen tror længere på muligheden af et 'big crunch', hvor universet engang vil trække sig sammen som følge af, at gravitationen vinder tovtrækningen med den frastødende kosmiske kraft. Der er ingen endestation for universet, bortset fra den evige tomhed.

Den sære mørke energi som givet ved den kosmologiske konstant er ikke direkte påvist. Den kosmologiske konstant er den mest anerkendte hypotese til forklaring af astronomiske observationer, men ikke den eneste hypotese.

 

Fremtidsscenariet er ikke rart

Der er adskillige alternativer til Λ-energien, som fører til andre fremtidsscenarier for universet. Et af dem er 'kvintessens', der hentyder til Aristoteles' femte element, som ifølge den græske tænker fandtes overalt i rummet uden for Jorden.

En anden hypotese er 'fantomenergi', der som den kosmologiske konstant er en frastødende kosmisk kraft. Men fantomenergien vil vokse mod uendelig i løbet af en endelig tid, og da rive hele universet i stumper og stykker i et 'big rip'.

Fremtidsscenariet er ikke rart, men det er scenariet for den mørke Λ-energi heller ikke.

Vi kan så trøste os med, at den mørke energi trods alt er en teoretisk konstruktion og ikke et empirisk faktum. Det kan ikke udelukkes, at den mørke Λ-energi en dag vil lide samme triste skæbne som den verdensæter, fysikere troede på i tiden før Einstein.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

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


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.