Nobelprismodtager: Sådan fandt jeg ud af, hvor hurtigt universet udvider sig

For den amerikanske astrofysiker Saul Perlmutter kom det som en kæmpe overraskelse, da det første gang lykkedes ham at lave målinger af universets udvidelse.

Han troede først, at der måtte være fejl i målingerne. Sammen med sin forskergruppe tjekkede han sine data igen og igen for at se, om der var noget, de havde overset. Men månederne gik, og de blev ved med at få samme resultat: Universet så ud til at udvide sig med voksende hastighed.

»Vi forventede, at vi skulle måle, hvor meget universets udvidelse var blevet bremset på grund af tyngdekraften. Men i stedet opdagede vi, at universet udvider sig med stigende hast,« siger Saul Perlmutter, som i 2011 fik nobelprisen for sin opdagelse.

At universet konstant udvider sig – og fjerne galakser rejser længere og længere bort fra os – kan være temmelig svært at begribe for en gennemsnitlig beboer på planeten Jorden.

Videnskab.dk har derfor sat Saul Perlmutter stævne for at få ham til at forklare, hvordan man overhovedet kan vide, at universet udvider sig.

Kigger på oldgamle stjerneeksplosioner

Lad os begynde med at fastslå, at selv verdens kraftigste teleskoper ikke er i nærheden af at kunne se nogen ’ende’ på universet eller lave direkte observationer af universets vokseværk.

For at kunne se universets udvidelse benytter Saul Perlmutter og hans kolleger sig af et særligt trick: De kigger på stjerner, som eksploderede for op til flere milliarder år siden.

Dermed har lyset fra stjerneeksplosionen – kaldet en supernova – rejst igennem rummet fra fjerne egne af universet, alt imens dinosaurer, neandertalere og vikinger er opstået og forsvundet igen på vores egen planet.

Til sidst er lyset blevet observeret af et moderne teleskop, og Saul Perlmutter og hans kolleger har studeret og analyseret lysets styrke og farver.

»De fjerneste supernovaer ser meget svage ud nu, og vi mener, at lyset har rejst hen mod os i mere end 10 milliarder år. Det er altså et lille stykke af historien, som fortæller, at denne her stjerne eksploderede og lyste op i nogle uger. Og derefter har fotonerne (lyspartikler, red.) rejst imod os igennem 10 milliarder år, og nu ser vi dem så. Hvilket er ret fantastisk,« siger Saul Perlmutter til Videnskab.dk.

Tricket er type 1a supernovaer

Det er imidlertid ikke en hvilken som helst supernova, som duer til at måle universets udvidelse. Der skal en bestemt slags til – en type 1a supernova – som er kendetegnet ved, at en kompakt stjerne eksploderer.

Det smarte ved type 1a supernovaer er nemlig, at de altid lyser op på næsten fuldstændig samme måde, forklarer Saul Perlmutter.

»De eksploderer, de lyser op i nogle uger og de opnår deres højeste lysstyrke, og derefter svinder de hen. Denne her højeste lysstyrke ser meget ens ud hver eneste gang for de type 1a supernovaer, som vi kender afstanden til. Så det betyder, at man kan bruge lysstyrken fra andre supernovaer, som er meget længere borte, som en indikator på, hvor langt væk herfra eksplosionen foregik,« forklarer Saul Perlmutter, som er professor ved det amerikanske Berkeley Center for Cosmological Physics.

Med andre ord sladrer lysstyrken på en type 1a supernova altså om, hvor stor afstand der er fra Jorden og til det sted i universet, hvor supernova-eksplosionen foregik. Og eftersom vi kender lysets hastighed, kan forskerne regne ud, hvor lang tid det har taget lyset at tilbagelægge denne afstand.

»Det betyder, at for hver af disse supernova-eksplosioner af type 1a, vil lysstyrken kunne fortælle dig, hvornår eksplosionen foregik. Man kan sige 'Denne her supernova er ret lysstærk – det er måske en million år siden, den eksploderede. Men den anden supernova herovre er ret svag – det er formentlig to milliarder år siden, dén eksploderede',« forklarer Saul Perlmutter.

Lysets farve sladrer om udvidelsen

På den måde har Saul Perlmutter og andre astrofysikere brugt målinger af lysstyrken på type 1a supernovaer til at sætte årstal på en masse gamle stjerneeksplosioner. Og dermed har de fået flere og flere nedslagspunkter i universets historie, som kan give informationer om, hvordan universet har ændret sig.

»Og det er godt. For det betyder, at vi kan undersøge, hvordan universet har udvidet sig gennem tiden,« fortæller Saul Perlmutter.

For at se udvidelsen studerer forskerne farven på lyset fra supernovaeksplosionen. Lys kan som bekendt opfattes som bølger, der rejser gennem rummet - og farven på lyset afhænger af, hvor stor lysets bølgelængde er. Blåt lys har korte bølgelængder, mens rødt lys har de længste bølgelængder, vores øjne kan opfatte.

»Lys, som kommer fra en supernova, der eksploderer, er mest blåt.«

»Mens lyset rejser hen imod os gennem universet, udvider universet sig. Det betyder, at de blå fotoner (lyspartikler, red.) fra supernovaeksplosionen også udvider sig. De bliver strakt og strakt, præcis ligesom universet bliver strakt. Og jo mere fotonerne bliver strakt ud, des mere røde kommer de til at se ud,« siger Saul Perlmutter og tilføjer:

»På det tidspunkt, hvor lyset når ned til os på Jorden, skal vi bare se på, hvor rød supernovaen ser ud nu. For det fortæller os, hvor meget universet er blevet strakt ud i tiden, siden lige netop denne supernova-eksplosion skete.«

Rivaler konkurrerede om at komme først

Saul Perlmutters forskergruppe og en rivaliserende forskergruppe - ledet af australske Brian Schmidt - kunne første gang offentliggøre deres målinger af universets udvidelse i 1998.

Begge hold havde brugt type 1a supernovaer til at måle universets vokseværk og var nået frem til samme uventede konklusion; at universet udvider sig med voksende hastighed.

»Jeg tror, at resten af forskersamfundet meget bedre kunne tro vores resultater, da de vidste, at to forskergrupper - som ville have elsket at modbevise hinanden – faktisk fik præcis det samme svar,« fortæller Saul Perlmutter.

Siden da er der også kommet andre metoder på banen til at måle universets udvidelse.

Saul Perlmutter fortæller blandt andet, at man i dag kan måle universets udvidelse med 'akustiske baryoniske svingninger'. Kort fortalt går metoden ud på at kortlægge, hvordan galakser har været fordelt i universet gennem tiden – og dermed kan man få informationer om universets udvidelse, forklarer han.

»Indtil videre passer de få målinger, som er blevet lavet med denne teknik, rigtig godt sammen med resultaterne fra supernova-teknikken. Så vi tror, at det vi måler, er korrekt,« siger Saul Perlmutter.

»Det revolutionerede vores måde at tænke på«

»Vi ved stadig ikke hvorfor. Det er det næste store mysterium i vor tid.«

Nobelprismodtager Saul Perlmutter om, hvorfor universets udvidelse accelererer

Opdagelsen af, at universet udvider sig med stigende hastighed, har i den grad rystet fysikerne i deres grundvold – eller som den danske astrofysiker Steen H. Hansen udtrykte det, da Saul Perlmutter og to andre forskere fik nobelprisen:

»Deres forskning har revolutioneret vores måde at tænke på.«

Viden om universets udvidelse førte blandt andet til teorien om 'mørk energi' – en mystisk form for energi, som forskerne i dag mener, at størstedelen af universet består af.

Hvad mørk energi præcis er, ved forskerne stadig ikke, men man kan beskrive mørk energi som noget, der virker modsat af tyngdekraften - det spreder alting i universet og får alt til at fjerne sig fra hinanden.

»Man har været nødt til at indføre mørk energi i ligningen for at forklare, at universet udvidelse accelereres. Men at udvidelsen sker med accelererende hastighed, er komplet uventet - som at vende et stykke papir fra sort til hvidt. Den indsigt kan være meget svær at tro på for de fleste. Men det at de amerikanske forskere er nået frem til de samme observationer med to uafhængige projekter, fjerner den største tvivl,« fortalte Steen H. Hansen, da nobelprisen for universets accelererende udvidelse blev givet i 2011.

Det næste mysterium i vor tid

Saul Perlmutter påpeger imidlertid, at der også findes et alternativ til teorien om mørk energi – nemlig at vi i stedet reviderer Einsteins relativitetsteori og vores forståelse af tyngdekraften.

»Men i øjeblikket vil jeg sige, at det vil være endnu mere overraskende, hvis Einsteins relativitetsteori viste sig at være forkert, end at der findes en ny form for energi, som gennemtrænger hele universet,« siger Saul Perlmutter.

Han tilføjer: »Men det er stadig muligt.«

Dermed er det altså stadig ikke lykkedes at løse gåden om, hvordan det kan lade sig gøre, at universet udvider sig med stigende hastighed.

»Vi ved stadig ikke hvorfor. Det er det næste store mysterium i vor tid,« slutter Saul Perlmutter.