Hvor hurtigt udvider universet sig?
Spørgsmålet er grundlæggende for vores forståelse af verdensrummet – og forskerne jagter stadig svaret.
gravitationslinser Hubbles lov lysår Big Bang Big Rip kosmiske afstandsstige afstand fantomenergi kvasar hydrogengas sorte huller supernova astronomi rummet rumtid kosmos relativitetsteori Planck-måling mørk energi masseenergi vakuumenergi ekspansion

Observationer af gravitationslinser kan i dag bruges til at få information om massen af galakser og galaksehobe, fordelingen af svagtlysende stjerner, brune dværge og planeter omkring Mælkevejssystemet samt om Universets densitet og afstandsskala. (Foto: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.)

Observationer af gravitationslinser kan i dag bruges til at få information om massen af galakser og galaksehobe, fordelingen af svagtlysende stjerner, brune dværge og planeter omkring Mælkevejssystemet samt om Universets densitet og afstandsskala. (Foto: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.)

Kast et blik på billedet øverst i artiklen. Det ser ikke helt naturligt ud. Det ser lidt ud, som om et eller andet intelligent væsen har organiseret en ring med fire lysstærke punkter i en næsten perfekt firkant.

Historien kort
  • Ved at observere kvasarer i fjerne galakser har astronomer beregnet en ny værdi for universets udvidelse.
  • Målingerne afviger markant fra Planck-satellittens. 
  • Har forskerne fortolket observationerne fra Planck-satellitten forkert?

Men det er noget helt andet. Albert Einstein var en af de første, som forudsagde, at dette fænomen eksisterede, men han fik desværre aldrig glæden af at se det med egne øjne.

Det er en gravitationslinse. Galaksens tyngdekraft bøjer og strækker lyset, som sendes ud fra et ekstremt lysstærkt fænomen langt, langt væk.

Gravitationslinserne kan måske hjælpe os til at forstå en af universets helt grundlæggende hemmeligheder: Nemlig hvor hurtigt det egentlig udvider sig.

Ny og gammel måling ikke ens

For 13,8 milliarder år siden begyndte universet at udvide sig, og det har det gjort lige siden. Det begyndte med The Big Bang.

Hvor hurtigt udvidelsen forgik, og hvor hurtigt den foregår i dag, er grundlæggende for vores verdensforståelse og for Big Bang-teorierne. Nu har forskerne foretaget en ny og ekstrem nøjagtig måling af, hvor hurtigt det egentlig sker. 

Problemet er bare, at den nye måling ikke stemmer overens med andre målinger eller den matematik, som vi bruger til at forstå universet.

»Det indikerer måske noget helt nyt,« fortæller Håkon Dahle til videnskab.dk’s norske søstersite forskning.no

Håkon Dahle er forsker ved Instituttet for teoretisk astrofysik i Oslo.

Projektet bag den nye måling har taget et lidt fjollet navn; HOLiCOW. Det står for HO - som er den matematiske betegnelse for Hubbles lov – og Lenses in COSMOGRAILs Wellspring.

Rødforskydning afslører galaksens position

Den amerikanske astronom Edwin Hubble var den første, som viste verden, at fjerne galakser bevægede sig væk fra os. 

Edwin Hubble var ikke den første, som tænkte tanken, men han har fået æren af at få en af fysikkens konstanter opkaldt efter sig: Hubbles lov.

Han regnede ud, hvor hurtigt galakserne bevæger sig væk ved at se på lyset fra galakser, som befinder sig mange milliarder lysår fra Jorden. Men lyset er rødforskudt, hvilket betyder, at strålingen forskydes mod den røde ende af spektret.

Jo mere rødforskydning, desto længere væk er galaksen. Man kan også bruge rødforskydningen til at beregne, hvor hurtigt galaksen bevæger sig væk fra os.

Håkan Dahle fortæller, hvad der er vigtigst at forstå ved rødforskydning:

»Rødforskydningen af lyset fra en fjern galakse fortæller, hvor meget universet har udvidet sig i tidsrummet fra lyset blev sendt ud, til vi kan se det her på Jorden.«

Hvis du gerne vil have en nærmere forklaring på rødforskydning-fænomenet, så se nedenstående video:

Rødforskydning forklaret. (Video: Litfor Studios/YouTube)

Galakserne i bolledejen

Men mærkværdigt nok lader det til, at alle fjerne galakser er på vej væk fra os. Betyder det, at Jorden er universets centrum?

Egentlig ikke, mener den britiske astronom Brian Cox. Ifølge Brian Cox kan universet sammenlignes med en bolledej fuld af rosiner. Rosinerne er galakser, og når dejen hæver, bliver afstanden mellem rosinerne tilsvarende større.

Udvidelsen sker hurtigere i takt med, at man bevæger sig længere og længere væk fra Jorden, solsystemet og vores galakse.

Hastigheden er beregnet til at være cirka 67 kilometer i sekundet pr. megaparsec. 

Megaparsec

Megaparsec – inden for astronomi en million parsec.

Afstande til galakser og galaksehobe måles i Mpc. 1 Mpc svarer til 3,262 millioner lysår.

I udvalgte dele af galaksehobe udvælges volumener af kubikmegaparsec (Mpc3), og antallet af galakser bestemmes.

Derefter ekstrapoleres der, så det samlede antal galakser i galaksehoben bestemmes.

Megaparsec, der lyder som noget fra Star Wars, er en afstandsmåling til virkelig store afstande i verdensrummet. En megaparsec svarer til 3,262 millioner lysår.

Det betyder, at udvidelsen øges med cirka 67 kilometer per sekund for hver megaparsec, man bevæger sig væk fra Jorden. Denne afstandsøgning er konstant og ens overalt i verdensrummet, så vidt vi ved.

Men hastigheden er ikke den samme, hver gang den bliver målt, som du kan se her på wikipedia-siden for Hubbles lov.

Unøjagtigheder

Et af de største problemer er at finde en pålidelig målemetode, forklarer Håkon Dahle.

Hvis man skal beregne, hvor hurtigt universet udvider sig, skal man vide to ting: Meget forenklet forklaret; hvor langt væk en galakse er, og hvilken hastighed den bevæger sig med.

Vi kan finde hastigheden ved hjælp af rødforskydningen, men afstanden er det straks sværere med. 

Der findes egentlig ikke en måde at måle afstanden direkte og nøjagtigt til galakser, som ligger mange millioner lysår væk.

Cepheider

Cepheider er en gruppe af lysstærke, variable stjerner, som er opkaldt efter δ Cephei i stjernebilledet Cepheus, og som har stor betydning ved afstandsbestemmelser i universet.

For en given cepheidestjerne måles variationsperioden og den største tilsyneladende lysstyrke, og afstanden kan så beregnes, fordi cepheider med samme periode altid har samme største absolutte lysstyrke.

Sidder stjernen i en fjern galakse, har man samtidig bestemt dennes afstand. 

Håkon Dahle forklarer, at man først er nødt til at finde et referencepunkt i en galakse, som man kan tage udgangspunkt i. Referencepunktet kan så levere en 'standardlyskilde', som er baseret på kendte og specielle stjernetyper, som forskerne kender lysstyrken på fra tidligere.

Den kosmiske afstandsstige

Ved at sammenligne den standardiserede lyskilde med lysstyrken fra den samme type stjerne, som man måler i en fjerntliggende galakse, er det muligt at beregne, hvor langt væk den er.

Når man har et referencepunkt, kan man bruge det til at beregne afstanden til galakser og fænomener, som endda ligger endnu længere væk. 

Problemet er bare, at det er baseret på flere trin, og det kaldes den kosmiske afstandsstige.

»Du ser på noget, som er langt borte for at finde ud af, hvor langt der er til noget, som er endnu længere væk. Hvis målingerne indeholder unøjagtigheder, vil de akkumulere, hver gang du beregner det,« forklarer Håkon Dahle.

Det er let at se, at resultatet ikke bliver helt så nøjagtigt, som man kunne håbe.

Og nu vender vi tilbage til gravitationslinserne, der kan bruges til at foretage enkle og relativt nøjagtige målinger af afstande – og dermed Hubblekonstanten – hvis man skal tro den store, internationale forskergruppe, der står bag den nye måling.

Bøjet lys

Gravitationslinserne er alle forskellige; de afhænger nemlig af, hvordan selve galaksen er formet, præcis på samme måde som forskellige kameralinser fokuserer lys efter, hvordan de er udformet.

gravitationslinser Hubbles lov lysår Big Bang Big Rip kosmiske afstandsstige afstand fantomenergi kvasar hydrogengas sorte huller supernova astronomi rummet rumtid kosmos relativitetsteori Planck-måling mørk energi masseenergi vakuumenergi ekspansion

Her ses kvasaren HE0435-1223. Den gravitationelle linseeffekt betyder, at signalet fra kvasaren har flere veje til Jorden. [Foto: ESA,/Hubble, Nasa, Suyu et al.)

Vi kan bruge HE0435-1223 som eksempel. Det ser ud, som om fire forskellige stjerner ligger i en firkant i en galakse, men det, vi egentlig kan se, er en kvasar. En kvasar består af et kæmpestort sort hul med en omkringliggende skive af gas, der gradvist falder ind i det sorte hul. 

Kvasarer lyser ofte stærkere end det samlede lys af alle stjernerne i deres værtsgalakse. Kvasarer er nogle af de mest lysstærke objekter i universet og nogle af de fjerneste objekter, som vi kan observere. 

Denne kvasar ligger mange milliarder lysår væk fra Jorden, og mellem os og kvasaren ligger en galakse. Galaksen er mange tusindvis af lysår bred og består af flere milliarder stjerner.

Lyset fra kvasaren bruger titusinder af år på at rejse gennem galaksen, og lyset bliver bøjet på grund af galaksens eget gravitationsfelt. 

Se videoklippet nedenunder, hvor forskerne forsøger at give et godt billede af, hvad der faktisk sker:

Animation – kraftig gravitationslinse. (Video: Royal Astronomical Society/YouTube)

Den ene galakse er ekstremt langt væk, men den bagvedliggende kvasar er meget, meget længere væk. De fleste kvasarer, som vi kender, er cirka 12 milliarder år gamle; næsten lige så gamle som selve universet.

Så hvordan bruger man det til at kalkulere Hubblekonstanten?

gravitationslinser Hubbles lov lysår Big Bang Big Rip kosmiske afstandsstige afstand fantomenergi kvasar hydrogengas sorte huller supernova astronomi rummet rumtid kosmos relativitetsteori Planck-måling mørk energi masseenergi vakuumenergi ekspansion

Forskellige gravitationslinser. (Foto: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al)

Lyset pulserer

»Det, der er helt afgørende, for at forskerne skal kunne bruge gravitationslinserne, er, at lyset fra kvasarerne varierer,« forklarer Håkon Dahle.

Kvasaren består sandsynligvis af et supermassivt hul med en masse omkringliggende materiale - en ekstremt ung galakse.

Det sorte hul kan ikke selv udsende noget lys, men gasskiven bliver opvarmet på grund af gnidning mellem de gaspartikler, der er på vej ind i det sorte hul. Gassen i skiven begynder at lyse, fordi den bliver så varm, og et eller andet i samspillet mellem skiven og det sorte hul gør, at strålingen varierer.

gravitationslinser Hubbles lov lysår Big Bang Big Rip kosmiske afstandsstige afstand fantomenergi kvasar hydrogengas sorte huller supernova astronomi rummet rumtid kosmos relativitetsteori Planck-måling mørk energi masseenergi vakuumenergi ekspansion

Illustration af et sort hul med masse, der er to milliarder gange så stor som Solens, tiltrækker hydrogengas med så stor en fart, at den begynder at gløde. Denne kvasar ULAS J1120+0641 er blandt de fjerneste objekter, som vi kan observere. Vi ser den, som den var 770 millioner år efter Big Bang, for 13 milliarder år siden. Så lang tid har lyset brugt på at nå frem til os. (Illustration: ESO/M. Kornmesser, Creative Commons.)

Videoen nedenunder viser, hvordan lysglimtene ser ud i et teleskop ved meget høj hastighed. Egentlig varer glimtene i flere timer, uger eller måneder. Forskerne har overvåget gravitationslinserne siden starten af 2000-tallet for at få målinger, der er gode nok.

Kvasar lysglimt. (Video:Royal Astronomical Society/YouTube) 

 

Det er egentlig bare et enkelt glimt af den oprindelige kvasar, men fordi lyset bliver afbøjet på forskelllige måder, har signalet fra kvasaren flere veje til Jorden – nogle længere end andre.

Hvis forskerne udregner, hvordan lyset bliver bøjet i gravitationslinserne, får man en geometrisk figur, der starter i kvasaren, og som slutter hos os. Denne figur kan groft forklares som en firkant, hvor alle sider er lige lange og parvis parallelle: En rombe.

Blandt andet ved hjælp af datamodeller kan man udregne nøjagtigt, hvordan lyset bliver afbøjet i gravitationslinserne. Så finder man figurens vinkler.

»Vi kan finde frem til vinklerne, men vi ved stadig ikke, hvor langt der er mellem kvasaren og Jorden,« forklarer Håkon Dahle.

Det er hér, lysglimtene kommer ind i billedet. Lyset rejser med lyshastigheden, og når det samme glimt ses flere gange, kan forskerne bruge tidsforskellen mellem lysglimtene i det store regnestykke til at udregne en ganske nøjagtig afstand til kvasaren.

Forskerne ved allerede, hvor meget rødforskydning der er i lyset fra kvasaren, så de ved, hvor hurtigt kvasaren bevæger sig væk fra os.

Med denne information kan forskerne foretage en meget nøjagtig beregning af Hubblekonstanten – uden at være nødt til at ty til den kosmiske afstandsstige.

Stemmer ikke overens

Men hér sker der noget mærkværdigt. En af de bedste målinger, som vi har af Hubblekonstanten, blev foretaget for for nogle år siden ved hjælp af en anden målemetode: Nemlig ved at undersøge den kosmiske baggrundsstråling med Planck-satelitten.

Baggrundsstrålingen stammer helt fra universets fødsel og er noget af den ældste stråling, som vi er i stand til at måle.

Universets ekspansion burde være ens overalt, men Planck-målingen stemmer ikke overens med gravitationsmålingen.

Planck-målingen viste, at hastigheden var cirka 67 kilometer per sekund per megasec, men den nye måling viser ifølge Astronomy Magazine cirka 72 kilometer per sekund per megasec.

Det bekræfter en anden tilsvarende måling, som blev foretaget med Hubble-teleskopet i 2016.

Det lyder måske ikke som den store forskel, men det dækker måske over noget, som vi ikke helt forstår. Målingerne er nemlig så nøjagtige, at de burde være ens, ifølge de teorier som vi bruger til at forstå universet.

Noget ukendt eller noget kendt

»Det store spørgsmål er, om det er en statistisk usikkerhed i målingerne, eller om vi har brug for at tilføje noget til de modeller, vi benytter til at forstå universet,« udtaler Håkon Dahle.

Hubblekonstanten hænger nemlig sammen med rigtig meget i universet. Den fortæller noget om, hvad der skete i forbindelse med Big Bang, og den fortæller noget om universets fremtidige udvikling. Hvis vi mangler brikker i det store puslespil, vil vi ikke være i stand til at forstå, hvorfor ekspansionen opfører sig, som den gør.

Og der er fortsat meget, som vi ikke ved.

»For cirka 20 år siden opdagede man, at ekspansionen sker hurtigere, end den gjorde for flere milliarder år siden. Men præcis hvorfor, ved vi endnu ikke.

Så ikke nok med at universet udvider sig, det sker altså også hurtigere og hurtigere. Det betyder, at Hubblekonstanten egentlig ikke er konstant. Den ville være anderledes, hvis vi havde kunne måle den for flere milliarder år siden.

Det lyder måske mærkeligt, fordi vi jo faktisk ser flere milliarder år tilbage i fortiden, når vi ser på kvasarer og galakser, som er så langt væk fra Jorden.

Men ifølge de gældende teorier er ekspansionen den samme, uanset hvor i universet man befinder sig. For at kunne forklare den accelererende ekspansion med den matematik, som vi bruger i dag, er vi nødt til at indføre et eller andet, som driver den. Og det er, hvad vi i dag kalder mørk energi.

Energi i vakuumet

Mørk energi er fortsat en hypotese, og ingen har endnu været i stand til at bevise, at den faktisk eksisterer, eller hvilken form den har. Men det mest accepterede forslag er, at der i helt tomme rum findes et meget lavt kvantemekanisk fænomen kaldet 'vakuum-energien' –  med andre ord 'energien af tomt rum'. 

Vakuumenergi er ikke teoretisk. Vi ved, at denne energi eksisterer, og at den kan måles.

Her følger en vældig god video om vakuumenergi:

Mørk energi er fortsat en hypotese, men det mest accepterede forslag er, at der i helt tomme rum findes et meget lavt kvantemekanisk fænomen kaldet ’vakuum-energien’ -  med andre ord ’energien af tomt rum’. Vakuumenergi er ikke teoretisk. Vi ved, at denne energi eksisterer, og at den kan måles. (Video: Veritasium/YouTube)

Vakuumenergi er knyttet til kvantefysiske principper. Den mest grundlæggende model, vi har for at forstå universet, siger, at vakuumenergien og den mørke energi er én og samme ting. Denne type mørke energi kaldes også den kosmiske konstant.

Håkon Dahle forklarer, at hypotesen stemmer godt overens med de allerfleste målinger af eksempelvis Hubblekonstanten, men ikke med de seneste målinger.

Så vidt, vi ved, er vakuumenergien ens overalt og til alle tider gennem universets historie.

Siden denne energi driver den accelererende ekspansion, betyder det, at også Hubblekonstanten bør være ens, uanset om vi måler den med objekter langt, langt væk eller lidt nærmere os.

Men hvis målingerne faktisk viser forskelle, betyder det, at den mørke energi ikke opfører sig, som vi tror.

Men der findes adskillige alternative forklaringer.

Fantomenergi

Ét forlag lyder, at mørk energi er noget helt andet – nemlig fantomenergi.

Den vil også eksistere i et vakuum, men denne teoretiske energi opfører sig yderst mærkværdigt. I stedet for at være konstant som vakuumenergien, øges den i takt med, at universet udvider sig.

Og dét kan forklare, hvorfor Hubblekonstanten har forskellige værdier, fordi den mørke energi faktisk opfører sig anderledes i forskellige tidsperioder i universets historie. Ekspansionen er ikke ens overalt.

Denne teori har nogle ubehagelige konsekvenser. Den siger nemlig, at ekspansionshastigheden vil stige til en uendelig hastighed flere milliarder år ud i fremtiden.

Det betyder, at al masse, alle molekyler og alle atomer til sidst vil blive revet fra hinanden – et mareridtsscenarie, der kaldes The Big Rip – Den Store Sønderrivelse.

»Det er en unaturlig model, og vi har heller ikke noget godt teoretisk grundlag for at forklare, hvor denne fantomenergi skulle komme fra,« fortæller Håkon Dahle.

Behov for flere målinger

Men det er bare ét enkelt alternativ. Måske er der nye og uopdagede elementærpartikler, som ændrer det, vi tror, vi ved, om universets første dage. 

Det vil forandre forudsætningerne for det univers, som vi lever i nu, og det er netop noget af det, som man leder efter i partikelacceleratorer rundt omkring i verden.

Men for virkelig at finde ud af om vores grundlæggende teorier stemmer, skal vi have gode målinger af Hubblekonstanten. Og så er der kun en ting at gøre: Flere målinger.

»Ved hjælp af bedre teleskoper og mere observation af gravitionslinserne kan vi få endnu mere præcise beregninger af Hubblekonstanten,« slutter Håkon Dahle.

©forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark

Videnskab.dk Podcast

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

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima 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.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om den 'sure' skildpadde her.