Hvilken hastighed udvider universet sig med?

En af de mest vidunderlige, overraskende og måske angstprovokerende erfaringer om vores univers blev gjort for godt 100 år siden.

Endnu inden vi vidste, at der eksisterede noget som helst udenfor vores egen galakse, Mælkevejen, målte astronomen Vesto Slipher hastigheden af nogle mystiske ’tåger’, som senere skulle vise sig at være fjerne galakser.

I modsætning til den gængse opfattelse på dét tidspunkt — at universet i det store hele skulle være ’stabilt’, eller statisk — viste målingerne, at de fleste af tågerne fjernede sig fra os.

Og da man få år senere fandt ud af at måle deres afstande og opdagede, at de lå langt udenfor Mælkevejen, gik det op for os, at selve universet er i færd med at udvide sig.

Men hvor hurtigt? De to gængse metoder til at måle hastigheden giver præcise, men forskellige, resultater.

Om uoverensstemmelsen skyldes fejl, måleusikkerheder eller ny, eksotisk fysik, ved vi endnu ikke.

Men nye måder at måle udvidelsen på kan måske hjælpe med at løse gåden, og her kommer en dansk astrofysik-studerende ind i billedet.

De første målinger af hastigheden

En af hovedpersonerne bag erkendelsen af, at universet udvider sig, var den amerikanske astronom Edwin Hubble.

Han gav derfor navn til den lovmæssighed, der beskriver sammenhængen mellem afstanden til en galakse og dens fart væk fra os.

Farten er proportional med afstanden, så hvis én galakse ligger dobbelt så langt væk som en anden galakse, fjerner den sig dobbelt så hurtigt.

Tallet, som bestemmer denne proportionalitet, skrives H₀ og kaldes Hubble-konstanten.

Hubble var dog langt fra alene, og observationerne blev gjort sideløbende med teoretiske beregninger baseret på Einsteins relativitetsteori, der dengang var helt ny.

Disse beregninger, som blandt andet blev foretaget af den belgiske præst og astronom Georges Lemaître, viste, at selve rummet ikke nødvendigvis var en statisk størrelse, men var i stand til at udvide sig og trække sig sammen.

Hubbles lov er ikke bare Hubbles

Derfor vedtog Den Internationale Astronomiske Union efter en afstemning i 2018 at omdøbe Hubble-loven til Hubble–Lemaître-loven.

Personligt stemte jeg dog blankt, da jeg synes, at hvis loven virkelig skulle omdøbes, burde den kaldes Slipher–Friedmann–Wirtz–Lundmark–Lemaître–Hubble–de Sitter–Humason-loven, eller noget i den retning.

Hubble-konstanten fortæller os ikke bare, hvor hurtigt universet udvider sig, men indgår i flere kosmologiske ligninger. For eksempel fortæller den os også, hvor gammelt universet er.

Præcision giver problemer

Med den teknologi, de havde for 100 år siden, kunne Hubble og vennerne kun se de nærmeste galakser, og den værdi, de fandt for udvidelseshastigheden, var derfor fejlbehæftet og alt for stor.

Næsten 10 gange for stor faktisk med en værdi for Hubble-konstanten i omegnen af 500 km/s/Mpc (se faktaboksen for en forklaring af denne besynderlige enhed).

Fra cirka 1960 og mange år frem lå de målte værdier omkring 50–100 km/s/Mpc (med til tider ophedede kontroverser mellem astronomer).

Efter at man i 1990’erne fandt ud af at bruge supernovaer — eksploderende stjerner, der kan ses på enorme afstande — landede H₀ efterhånden omkring de 70 km/s/Mpc.

Uenigheden vokser

I begyndelsen af 00’erne fik vi så en ny måde at måle udvidelsen på.

Det viste sig nemlig, at man også kan udlede H₀ ved at analysere universets såkaldte ’mikrobølge-baggrundsstråling’, som stammer helt tilbage fra kort efter universets fødsel.

Denne metode er helt uafhængig af den første metode, og er der noget, fysikere elsker, så er det uafhængige metoder til at opnå samme resultat, fordi vi så kan være endnu mere sikre på resultatet.

Helt sikker kan man aldrig være i fysik, men hvis uafhængige metoder giver samme resultat, tror vi mere og mere på det.

De to metoder gav godt nok lidt forskellige værdier. Men alle målinger er jo behæftet med usikkerheder, og i starten var usikkerhederne så store, at de to resultater alligevel stemte nogenlunde overens.

Efterhånden som målingerne blev mere og mere præcise, viste der sig dog et problem:

• Ved at måle galaksernes afstande og hastigheder ved hjælp af supernovaer, fås i dag 73,04 ± 1,04 km/s/Mpc.
• Men ved at analysere baggrundsstrålingen fås 67,40 ± 0,50 km/s.

Begge værdier kan simpelthen ikke være rigtige.

Det svarer til, at du og din ven måler højden af Rundetårn på hver jeres måde:

• Du måler én mursten med en lineal, tæller antallet af mursten, og ganger op.
• Din ven måler tårnets skygge og vinklen til Sole, og udregner højden heraf.

I er begge ekstremt omhyggelige og ved, at jeres måleusikkerhed er max en halv meter.

Men du får 40 meter, og din ven får 43 meter…

Hvorfor er resultaterne forskellige?

Hvad er så årsagen til denne ’Hubble trouble’?

Vi ved det ikke, og det er ingen overdrivelse at sige, at det er et af de største problemer, hvis ikke det største problem, i moderne kosmologi.

Er de forskellige forskerhold for optimistiske med hensyn til deres måleusikkerheder? Er der ukendte, systematiske fejl, som de slet ikke har taget højde for?

Absolut ikke, hvis man spørger forskerholdene selv.

Kan nogle af universets bestanddele, som påvirker udvidelsen, have nogle egenskaber, vi ikke kender til?

Ligger vi mon et særligt sted i universet, sådan at vores position påvirker målingerne? Har vi misforstået relativitetsteorien, den moderne kosmologis fundament?

Eller kan vi være så heldige, at årsagen skal findes i helt ny og eksotisk fysik, som man naturligt nok ikke har kunnet tage højde for?

Måske er der brug for en ny fysik

Det skorter ikke på mulige kandidater til ny fysik: Den mørke energi, som menes at dominere universet med cirka 2/3 af al energi, antages normalt at have en konstant værdi, men kunne måske undergå en ukendt udvikling.

Eller der kunne findes en anden form for mørk energi i det tidlige univers, som nu er henfaldet til en anden form for energi, ligesom visse radioaktive partikler henfalder til andre.

Mørkt stof, som udgør det meste af den sidste tredjedel af universets energi, antages normalt ikke at kunne interagere med andet stof.

Men de kunne måske tænkes alligevel at koble til de undselige neutrinoer (bittesmå partikler, som stort set ikke vekselvirker med noget som helst) kort efter Big Bang.

Eller der kunne være en helt ny og ukendt komponent af energi, eksempelvis en slags stråling, som ikke kan ses.

Ligesom rummet kan krumme omkring tunge legemer som for eksempel sorte huller, kunne man også forestille sig, at hele universet har en overordnet, 'indre' krumning, som påvirker udvidelsen.

Vi kender endnu ikke årsagen, og derfor er det stadig vigtigt at undersøge nye måder at måle H₀ på.

Jo flere metoder des bedre

Heldigvis er der flere metoder til at måle hastigheden på universets udvidelse:

Værdier af H₀ – inklusive deres usikkerheder - er fået fra tidsforsinkelser i lyssignaler fra kvasarer, tyngdebølger fra kolliderende kompakte objekter, radiobølger fra såkaldte ’kortvarige radioglimt’, samt stjerner, som er ved at løbe tør for brændstof.

Disse fire metoder er dog baseret på temmelig sparsom data, og derfor vil en hver ny metode til at begrænse H₀ være kærkommen.

Men for ganske nylig fik vi en ny metode, som har potentiale til at hjælpe til med at løse problemet:

På Cosmic Dawn Center (DAWN), som er et grundforskningscenter på Niels Bohr Instituttet og DTU Space, forsker vi mest i galakser.

Men min kollega Albert Sneppen, som er ph.d.-studerende på DAWN, har en forkærlighed for nogle underfundige fænomener, som kaldes kilonovaer, og hans forskning har vist sig at gemme på en ny måle-metode.

Eksploderende stjerner eksploderer igen

En kilonova er resultatet af to kompakte objekter — enten to neutronstjerner, eller også en neutronstjerne og et sort hul — som støder sammen og eksploderer.

Disse kompakte objekter er i sig selv resultatet af en supernova-eksplosion, men somme tider sker det altså, at de eksploderer nok en gang.

I et par videnskabelige artikler, som Albert Sneppen udgav for nylig, viser han, hvordan kilonova-eksplosionener for det første er bemærkelsesværdigt symmetriske, og for det andet kan beskrives med én enkelt temperatur.

Selv om det måske ikke lyder, som om det har noget med universets udvidelse at gøre, viser det sig, at disse forhold gør os i stand til at beregne, hvor meget lys kilonovaerne udsender.

Ved at sammenligne kilonovaens lysstyrke med, hvor meget lys vores teleskoper opfanger, kan man så beregne, hvor langt væk kilonovaen er (se faktaboks).

Hermed får vi altså en ny og uafhængig metode til at beregne afstandene til de galakser, som indeholder kilonovaer.

Og ovenikøbet er denne metode potentielt mere nøjagtig. Du kan læse mere om denne opdagelse i denne pressemeddelelse fra DAWN.

Det er en trøst, at de forskellige metoder trods alt er nogenlunde enige og ikke giver værdier i øst og vest.

Men det er alligevel lidt træls, at vi ikke kender den præcise værdi for H₀, og det er foruroligende, at vi ved, at der er et eller andet, vi har misforstået.

Peter Laursen er tilknyttet grundforskningscenteret ’Cosmic Dawn Center’, som er støttet af Danmarks Grundforskningsfond.