Sjældent er så mange fysikere blevet så skuffede på samme tid, som da det først i 2015 kom frem, at det alligevel ikke var lykkedes at måle signaler fra universets begyndelse – som en forskergruppe ellers havde proklameret at have gjort et år for inden.
Men nu kan vi måske godt begynde at finde festhatte og pomponer frem igen.
Hvis målingerne fra et nyt studie af den danske seniorforsker Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen er korrekte, er signalerne fra Big Bangs begyndelse nemlig nu blevet målt – via det, forskerne kalder B-modes – for første gang nogensinde.
»Der kan jo godt være en naturlig skepsis for, om der er noget, jeg har overset, og man vil altid vente på uafhængige målinger. Men hvis de viser det samme, så er det bevis for, at disse signaler stammer fra Big Bang, og så er det første gang, man har målinger så tæt på begyndelsen,« siger seniorforsker Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, som arbejder ved Institut for Rumforskning og Rumteknologi på DTU Space.
En af de skeptiske forskere er professor Pavel Naselsky fra Niels Bohr Institutet. Han arbejder selv med teoretisk partikelfysik og kosmologi ved Planck-satellit-projektet og føler sig langt fra overbevist om, at der er tale om oprindelige B-modes fra universets begyndelse.
\ Fakta
En 'impact factor' er et mål for, hvor hyppigt artikler i et tidsskrift citeres. Jo hyppigere citation, des større prestige og indflydelse. Man kan diskutere, om citationer er et godt mål for kvalitet, og impact factoren har da også jævnligt været kritiseret. Læs eksempelvis denne artikel fra Scientific American om, hvordan impact factoren kan manipuleres eller denne blog fra the Guardian. Impact factoren varierer desuden på tværs af discipliner, så en høj impact factor i medicin ligger eksempelvis typisk langt over en høj impact factor i astrofysik. Det skyldes, at der bliver citeret i varierende grad inden for de forskellige fag. Tidsskriftet Astronomical Notes, som dette studie er optaget i, er egentlig tysk og hedder Astronomische Nachrichten. Det er et af de ældste astronomiske tidsskrifter i verden. Studiet har gennemgået peer review, hvilket er, når en artikel underlægges fagfællers kritiske syn. Astronomical Notes har en impact factor på 0,922. Til sammenligning har andre astronomiske tidsskrifter såsom Journal of Cosmology and Astroparticle Physics en impact factor på 5,8 og Physical Review D en impact factor på 4,6. Det meget anerkendte tidsskrift Physical Review Letters har en impact factor på 7,512, hvilket må anses for at være meget højt.
»Jeg tror bestemt ikke, der er tale om oprindelige B-modes fra Big Bang, som er associeret til gravitationsbølger [en slags rystelser - dem vender vi tilbage til]. Vi burde have set disse udslag i andre datasæt fra BICEP2/Keck, og det har vi ikke. Jeg er ret skeptisk over for tolkningen af resultaterne,« siger Pavel Naselsky.
Studiet er foreløbig offentliggjort på onlinetjenesten arXiv preprint og er accepteret til udgivelse i tidsskriftet Astronomical Notes (se faktaboks til højre).
Kan være bevis for inflationsteorien
Hvis de nye målinger viser sig at holde stik, er det det første direkte 'bevis', som kan støtte teorien om 'kosmisk inflation'. Det er et fænomen, en faseovergang, der forekom splitsekunder efter universets fødsel – Big Bang – og som fik universet til at udvide sig med enorm hastighed.
Inflationsteorien beskriver med andre ord, hvordan universet voksede efter Big Bang.
Teorien om kosmisk inflation siger også, at den hastige udvidelse af universet betød, at der blev skabt gravitationsbølger, en slags rystelser, allerede i splitsekundet efter Big Bang. Hvis forskerne kan finde tegn på eksistensen af disse gravitationsbølger, bliver det derfor anset som et vigtigt bevis på, at teorien om kosmisk inflation er rigtig.
De B-modes, som Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen har fundet, kan være det bevis, vi har manglet.
Gravitationsbølger laver mønster i strålingen
Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen er nået frem til sine resultater ved at undersøge den kosmiske baggrundsstråling – det vil sige mikrobølger, som kommer fra rummet – i data fra Planck-missionen.
Den kosmiske baggrundstråling kan beskrives som en svag glød fra det store brag, der skabte universet for 13,7 milliarder år siden.
Ved at måle polariseringen af mikrobølgerne kunne han lede efter mønstre – B-modes – som stammer fra gravitationsbølger. Gravitationsbølger fra den kosmiske inflation genererer nemlig et svagt, men karakteristisk 'vridende' mønster i polariseringen, altså svingningen, af den kosmiske baggrundsstråling – kendt som en 'krølle' eller et B-mode-mønster.
Planck blev sendt op i 2009 og virkede til slutningen af 2013, og satellittens hovedformål var at kigge på den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling. DTU Space har været ansvarlig for Planck-satellittens spejlteleskop, og Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen har haft adgang til satellittens datastrøm siden opsendelsen.
Mikrobølger fra Mælkevejen forstyrrer signalet
\ Fakta
Gravitationsbølger er tyngdebølger, som udbreder sig med lysets hastighed, og som ifølge Einsteins generelle relativitetsteori udsendes af et varierende tyngdefelt. I marts 2014 annoncerede forskere fra det såkaldte BICEP2-samarbejde, at de havde målt signaler fra gravitationsbølger, som stammer helt tilbage det det første splitsekund efter universets fødsel. BICEP2 er et måleinstrument, som er placeret på Sydpolen. BICEP2-forskerne kaldte selv deres data for 'den rygende pistol', som viser, at den såkaldte inflationsteori holder stik. Siden blev BICEP2's målinger skudt i sænk. Det viste sig, at forskerne i første omgang misforstod deres målinger, fordi målingerne blandt andet blev forstyrret af kosmisk støv. Link: http://arxiv.org/abs/1502.00612
Planck-teleskopet er forsynet med et højt udviklet detektor-system, der måler den kosmiske mikrobølgestråling ved ni forskellige frekvenser i intervallet fra 23 GHz til 857 GHz. Med detektorerne kan forskerne bestemme både temperaturen og polariseringen af baggrundsstrålingen.
Problemet er, at det er enormt svært at skelne mellem stråling fra Big Bang og fra vores egen baghave – Mælkevejen – fortæller Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
»Der kommer en masse mikrobølger fra vores eget solsystem, og de skal fjernes, for at vi kan sige noget om bølger fra Big Bang. Det, jeg har gjort, er, at jeg har udviklet en ny metode til at fjerne de signaler, som vi ikke er interesseret i.«
Det første direkte bevis for inflationsteorien?
Metoden, Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen har udviklet, kan bedst sammenlignes med en slags kunstig intelligens, som kan genkende strukturer og mønstre – ligesom din hjerne for eksempel kan genkende et maleri eller et ansigt.
Med disse såkaldte neurale netværk er formålet at genkende baggrundsstråling fra Mælkevejen og filtrere den fra nogle helt utroligt store og brogede datamængder. Derefter kan man lede efter B-mode-mønstre i det resterende datasæt - og det var altså netop, hvad Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen mente at finde.
»Hvis vi er sikre på, at det, vi kigger på, kun stammer fra Big Bang, så kan B-modes kun blive lavet i den faseovergang, som teoretikerne har forudsagt for universet. Dermed har man det første direkte bevis for inflationsteorien,« siger Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
Kan blive et stort gennembrud - eller et flop
DTU-forskeren er forberedt på, at det øvrige astrosamfund vil stille kritiske spørgsmål over for såvel hans metode som resultater. Han har forsøgt at komme de kritiske røster i forkøbet ved selv at efterprøve resultaterne:
»Jeg har lavet forskellige test på det, også af selve de neurale netværk, og jeg har ikke kunnet finde nogle fejl.«
Planck-projektet er et kæmpe stort projekt med mange forskere involveret, og selvom andre grupper arbejder med samme data som Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, er det ikke lykkedes dem at finde de udslag i målinger, som han gør. Det mener han dog, at der er en simpel forklaring på.
»For mig at se, viser de test jeg har lavet, at det er godt nok. Når de andre ikke finder noget signifikant, mener jeg, at det er fordi, min metode er bedre.«
\ Fakta
CMB (Cosmic Microwave Background) blev opdaget i 1964 af de to amerikanske astronomer Penzias og Wilson. De var igang med at undersøge mikrobølgestralingen fra vores egen Mælkevej, men til deres store overraskelse registrerede de et signal, som så ud til at være konstant, uafhængigt af hvor på himlen deres teleskop pegede. De gjorde et meget stort nummer ud af at undersøge, om det kunne stamme fra en nærliggende radiostation, om signalet kunne komme fra vores solsystem, fra Mælkevejen eller endog fra deres eget radioteleskop. De måtte konkludere, at signalet måtte komme fra det ydre rum. De publicerede deres opdagelse i det anerkendte amerikanske tidsskrift Astrophysical Journal i 1965, men havde ikke selv noget bud på, hvor strålingen kom fra. Kilde: Hans Ulrik Nørgaard Nielsen
Ifølge Pavel Naselsky fra NBI er det dog problematisk at bruge Planck-data til denne type målinger, fordi Planck ikke var udviklet til at lede efter oprindelige B-modes fra Big Bang. Desuden, siger han, er der en høj grad af forurening - støj på linjen, om man vil - på de frekvenser, som er blevet målt i det nye studie.
»Vi kan se fra andre eksperimenter, at der er meget forurening i mikrobølgestrålingen. Det kræver helt sikkert flere undersøgelser, før vi kan sige mere om det.«
Kan fortælle os om, hvordan det hele startede
Hvis inflationsteorien er rigtig, kan den for eksempel forklare, hvorfor mikrobølgestrålingen i universet ser så ens ud, fortæller Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
Einsteins relativitetsteori fortæller os, at der ikke er nogle fysiske påvirkninger, der kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Da mikrobølgestrålingen stammer fra ca. 380.000 år efter Big Bang, må objekter, der har haft en chance for at påvirke hinanden, være tættere end 380.000 lysår på hinanden.
På himlen betyder det, at de må være adskilt mindre end én grad. Alligevel ser områder, der er meget længere væk fra hinanden end 1 grad, meget ens ud.
Det er netop dette paradoks, som inflationsteorierne forsøger at finde løsningen på.
I bund og grund er det dog først og fremmest interessant at undersøge mikrobølgestrålingen, fordi den fortæller os noget om, hvordan det hele startede, fortæller Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
»Alle mennesker er fascinerede af, hvordan det hele startede. Næsten alle er enige om, at det startede med eksplosionen, vi kalder Big Bang, for 13,7 milliarder år siden - men hvordan det er foregået derfra, ved vi meget lidt om.«
