Forudsigelse holdt stik: Nyt skyts til debatten om en af fysikkens største gåder

I 1964 lavede den norske astronom Sjur Refsdal en vild forudsigelse:

Han forestillede sig, at lyset fra en eksploderende stjerne – en supernova – under specifikke omstændigheder kunne sprede sig og tage vidt forskellige veje og omveje gennem rummet.

Dette fænomen mente Refsdal, at man kunne udnytte i jagten på et svar på en af astronomiens allerstørste og mest betændte gåder i øjeblikket; spørgsmålet om, hvor hurtigt universet udvider sig.

I et nyt studie, som er trykt i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Science, viser en international forskergruppe, at Refsdals forudsigelse holdt stik.

»Spørgsmålet om, hvor hurtigt universet udvider sig, er helt grundlæggende for alle vores modeller og hele vores forståelse af universet. Derfor er det et af de største problemer i fysikken, at vi faktisk ikke er sikre på svaret,« siger professor Jens Hjorth, som er en af de mange forfattere til det nye studie.

»Vores studie kommer ikke med et endeligt svar, men vi viser en ny vej, som forhåbentlig vil kunne hjælpe os videre i debatten,« tilføjer han.

Forudså supernova

Det nye studie bygger på undersøgelser af en supernova, som blev opdaget første gang i 2014.

Supernovaen lå gemt bag en såkaldt galaksehob – en samling af galakser – som sørgede for at sprede lyset fra supernovaen i forskellige retninger.

I løbet af 2014 fik astronomerne fire forskellige billeder af supernovaen. Men de forudså også, at det sidste lys fra supernovaen – lyset, som havde taget den længste ’omvej’ på sin rejse ned mod Jorden – først ville ankomme i 2015.

»Da vi opdagede supernovaen i 2014, forudsagde vi, at en supernova igen ville dukke op på et bestemt sted i galaksehoben og på et bestemt tidspunkt i 2015. Og det gjorde den så,« forklarer Jens Hjorth, som er professor ved afdelingen DARK på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

»Det var i virkeligheden lyset fra den samme supernova, som vi så i 2014, men lyset ankom til Jorden med mere end et års forsinkelse, fordi det havde rejst en længere vej hertil.«

Opkaldt efter Refsdal

Da opdagelsen blev gjort i 2014-15, var det første gang nogensinde, at astronomerne fandt en supernova, som blev påvirket af den særlige effekt fra galaksehoben – gravitationslinseeffekten – som spreder lyset, sådan at det ankommer til Jorden på forskellige tidspunkter.

Dengang blev opdagelsen også publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science, og forskerne valgte at kalde supernovaen for ’SN Refsdal’.

»Jeg foreslog dengang, at vi skulle opkalde supernovaen efter Sjur Refsdal, fordi jeg kendte ham, og fordi han var den første, som forudså fænomenet,« fortæller Jens Hjorth, som også berettede om opdagelsen til Videnskab.dk i denne artikel fra 2015.

I det nye studie i Science og et tilhørende studie i Astrophysical Journal er forskerne gået skridtet videre i deres beregninger og undersøgelser af Refsdal-supernovaen. Og mere vigtigt; de udnytter det tidsforskudte lys fra supernovaen til at lave en beregning af, hvor hurtigt universet udvider sig.

Beregner Hubble-konstanten

Når forskere taler om, hvor hurtigt universet udvider sig, taler de normalt om den såkaldte Hubble-konstant – det er nemlig et tal, som afspejler, hvor hurtigt universet udvider sig.

»Det vigtigste resultat er vores måling af Hubble-konstanten. Det er en ny måling, der er uafhængig af tidligere målinger af universets udvidelseshastighed,« fortæller studiets førsteforfatter og drivkraften bag opdagelsen, Patrick Kelly fra University of Minnesota i USA, i en email til Videnskab.dk.

Netop Hubble-konstanten har i årevis vakt stor debat blandt forskerne, for det er uvist, hvad værdien af den helt præcist er.

Hidtil har forskerne primært haft to uafhængige målemetoder til at regne sig frem til Hubble-konstanten:

• Den ene er baseret på supernovaer. Metoden udnytter den såkaldte rødforskydning – et fænomen, som betyder, at lyset fra supernovaen bliver mere og mere rødligt, mens det rejser ned mod os på Jorden – og det kan forskerne udnytte til at beregne Hubble-konstanten.
• Den anden metode er baseret på Den Kosmiske Baggrundsstråling. Denne baggrundsstråling består af mikrobølger fra verdensrummet. Ved at måle på små krusninger – fluktuationer – i strålingen har forskere udregnet Hubble-konstanten.

Betændt strid om Hubble-konstanten

Problemet er, at de to målemetoder når frem til temmelig forskellige resultater.

Målinger af supernovaer peger på, Hubble-konstanten får en værdi på omkring 74, mens målinger baseret på Den Kosmiske Baggrundsstråling indikerer, at den er omkring 68 (enheden er kilometer per sekund per megaparsec - se faktaboks).

»Der er to grupper, som er i strid, og som hver især er helt overbeviste om, at deres egne målinger er korrekte. Det er ligesom, hvis man forsøgte at måle højden på en person, og to grupper nåede frem til to forskellige højder,« siger Juan S. Cruz, som er postdoc og teoretisk fysiker på Syddansk Universitet.

»Begge grupper har udført målingen af højden mange gange og er hver især nået frem til samme resultat hver gang. Så hvem skal man stole på?«

Umiddelbart kan det måske lyde som en lettere ubetydelig måleforskel, som kun forskere kan gå op i. Men i praksis har måleforskellen kæmpe betydning. For eksempel har det den konsekvens, at vi reelt ikke aner, hvor gammelt universet er.

»Der er omkring en milliard års forskel på universets alder, alt efter om man bruger resultatet fra den ene eller den anden målemetode til sin udregning,« fortæller Jens Hjorth.

Hvem støtter det nye studie?

Det er altså denne betændte debat, som det nye studie dumper ind i. Studiet beregninger af Hubble-konstanten når frem til en værdi på 65.

Hvis man er tilhænger af den forsker-lejr, som stoler mest målinger baseret på Den Kosmiske Baggrundsstråling, kan man altså tolke resultatet sådan, at baggrundsstrålings-holdet nu får opbakning fra en helt tredje målemetode.

Men det er vigtigt at understrege, at studiets beregninger er behæftet med stor usikkerhed, påpeger Juan S. Cruz, som ikke har været en del af studiet.

»I studiet beregner de, hvor stor en usikkerhed deres resultat er behæftet med. Overordnet passer resultatet bedst med målinger baseret på kosmisk baggrundsstråling, men usikkerheden er så stor, at det potentielt også kunne passe med supernovagruppens resultater,« siger Juan S. Cruz.

»Så resultatet er vigtigt, men det afgør bestemt ikke striden,« understreger han.

Striden er langt fra afgjort

Forskerne bag studiet er også helt ærlige om, at deres studie ikke løser problemet.

Men de håber, at de i fremtiden kan få flere målinger med samme metode og dermed mindske usikkerheden i resultatet.

»En enkelt måling kan selvfølgelig ikke afgøre sagen. Men hvis vi får flere målinger med samme metode, kan vi få mere sikkerhed omkring resultatet, så på sigt kan metoden måske blive afgørende,« mener Jens Hjorth.

Studiets førsteforfatter Patrick Kelly håber blandt andet, at det bliver muligt at finde flere supernovaer, der minder om Refsdal-supernovaen, med »kommende undersøgelser med Rubin-teleskopet i Chile og rumteleskopet James Webb,« fortæller han.

Det helt store spørgsmålet, som står tilbage, er, hvorfor i alverden der er forskel på målingerne af Hubble-konstanten?

Ukendt fysik på spil?

Forskere har igennem flere år undersøgt, om der skulle være systematiske målefejl i enten den ene eller den anden målemetode. Men indtil videre er der ikke dukket væsentlige problemer op med nogen af de klassiske målemetoder, fortæller Juan S. Cruz.

»Med tiden bliver der lavet flere og flere uafhængige målinger med andre metoder, og de når alle sammen frem til omtrent de samme to resultater. Derfor er en tredje mulighed, som en del forskere efterhånden hælder til, at begge målinger faktisk kan være korrekte,« fortæller han.

»Men for at det skal kunne lade sig gøre, må der være en form for fysik på spil, som vi endnu ikke forstår.«

Han forklarer, at en grundlæggende forskel på de to klassiske målemetoder til Hubble-konstanten er, at den ene er baseret på målinger fra universets spæde barndom, mens den anden stammer fra det ’voksne’ liv.

Den kosmiske baggrundsstråling blev nemlig skabt allerede i de tidligste faser efter Big Bang, mens supernovaer, som bruges til at måle Hubble-konstanten, er blevet skabt langt senere.

Brug for nye modeller?

Derfor arbejder flere forskere – blandt andet Juan S. Cruz og hans kolleger – på at finde ud af, om man kan skrue kosmiske modeller sammen på en sådan måde, at man tager højde for, at værdien af Hubble-konstanten har ændret sig gennem universets historie.

»Det interessante ved det nye studie er, at det er en måling, som stammer fra en senere fase i universets historie, men den har en lav værdi. Det passer bedst med resultaterne fra det tidlige univers (Den Kosmiske Baggrundsstråling, red.), og det gør det ekstra spændende,« fortæller Juan S. Cruz.

Uanset om den nye målemetode i fremtiden kommer til at blive afgørende for debatten om Hubble-konstanten eller ej, har det nye studie nu vist, at Sjur Refsdals forudsigelser holdt stik – man kan faktisk bruge tidsforskudt lys fra en supernova til at beregne Hubble-konstanten.

Den norske astronom kommer imidlertid ikke til at læse studiet. Han døde i 2009.

»Desværre kommer han ikke til at opleve det. Men vi har æret hans navn ved at opkalde supernovaen efter ham,« slutter Jens Hjorth.