Har vi opdaget eller opfundet mørk energi?

Vores forståelse af universet er ved at smuldre.

Den førende model for universet er grundlæggende den samme som den Einstein lavede i 1917 på baggrund af sin generelle relativitetsteori.

Modellen bygger på den vigtige antagelse om, at fordelingen af stof i universet statistisk set er ens.

Det kan du læse mere om i den første del at denne to-delte artikel.

Problemet med antagelsen er, at observationer af universet passer dårligere og dårligere med Einsteins model. Derfor er vi blevet nødt til at indføre mystiske substanser i universet for at få teori og observationer til at passe sammen.

Det har blandt andet ført til opfindelsen af 'mørk energi'. Men måske skulle vi i stedet skrotte nogle af Einsteins antagelser?

Antityngdekraft og accelereret udvidelse

Det er faktisk kun de seneste godt 20 år, mørk energi har været en del af vores model for universet.

Mørk energi blev indført omkring år 2000, da observationer af supernovaer – eksploderende stjerner – viste, at universet udvider sig hurtigere og hurtigere.

Et univers med almindeligt stof udvider sig langsommere og langsommere eller trækker sig sammen.

For at få et univers, der har en accelereret udvidelse, skal vi bruge en substans med en form for antityngdekraft. Det er netop, hvad mørk energi har.

Det store fokus i kosmologi har de seneste 20 år været at lære om mørk energi, så vi kan finde ud af, hvad det egentlig er for noget.

Præcise observationer giver... fejl?

Men alt imens er der opstået et nyt problem: Vores observationer er i dag uhyre præcise. Det forårsager, at når vi fortolker forskellige typer af observationer med vores model for universet, får vi modstridende resultater.

I sådanne situationer er der kun to muligheder: Enten er der fejl i observationerne, ellers er der noget galt med teorien.

Førstnævnte tror de fleste kosmologer ikke længere så meget på, fordi dygtige astronomer uden succes har brugt over et årti på at forsøge at finde fejl i observationerne.

Tilbage er der så at ændre på teorien. Det gør mange lystigt ved at finde på flere mystiske substanser. Det er eksempelvis nye udgaver af mørk energi, der kan få teorien til at passe med observationerne.

Denne strategi har indtil videre ikke virket specielt overbevisende for andre end dem, der står bag den.

Hvad gør man så?

Måske er der brug for noget mere radikalt – et opgør med nogle af de antagelser, Einstein introducerede for over 100 år siden?

Og så er vi tilbage ved Einsteins beskrivelse at universets indhold som en helt ensartet fordeling af stof, som et glas vand.

Det er en super-nyttig antagelse, at vi kan beskrive universets indhold på den måde. Det gør håndteringen af Einsteins ligning uhyre meget mere simpel, end hvis vi skulle til at medtage strukturer – såsom stjerner, planeter og så videre – i højresiden af Einsteins ligning (som du bliver introduceret for i første artikel).

Men antagelsen er fundamentalt forkert.

Selvom universets indhold på meget store skalaer ser helt ensartet ud, viser en detaljeret undersøgelse af Einsteins ligning, at strukturerne på mindre skala rent faktisk påvirker universets udvidelse. Denne påvirkning kaldes 'kosmisk tilbagevirkning'.

Vi har længe vidst, at universets udvidelse påvirker dannelsen af strukturer i universet. Nu viser det sig så, at strukturerne også virker tilbage på universets udvidelse.

Strukturer som galaksehobe, der findes på ’mindre’ skalaer, kan påvirke den måde, universet udvider sig på – selv på helt store skalaer, hvor strukturerne er udvisket, og universet ser helt ens ud alle vegne.

Strukturerne kan endda få det til at se ud, som om universet udvider sig hurtigere og hurtigere. Strukturerne kan dermed give lige netop den effekt, vi omkring år 2000 indførte den mystiske mørke energi for at »forklare«.

Universet på en computer

Kosmisk tilbagevirkning kan forklare mørk energi og de modstridende observationer, vi ser i kosmologi i dag – i hvert fald i princippet.

Men der er langt fra, at noget i princippet kan være forklaringen, til at vide, at det rent faktisk er forklaringen.

Det ville derfor være nyttigt at kunne forudsige den kosmiske tilbagevirkning for universet. Det vil sige, at kunne lave modeller til at udregne, hvor stor den kosmiske tilbagevirkning ’burde’ være i vores univers.

Sådanne udregninger kræver, at vi laver simuleringer af universet på vores computere – eller rettere på supercomputere. Problemet er dog, at selv de bedste simuleringer af universet, vi har i dag, ikke kan bruges til at forudsige den kosmiske tilbagevirkning.

Vi kan simpelthen ikke lave modeller, der er realistiske nok.

Men hvad gør vi så?

De vigtige observationer

Et vigtigt forskningsområde inden for kosmologi er den, der handler om at identificere, hvordan kosmisk tilbagevirkning påvirker observationer.

Det er især interessant at finde ud af, hvordan vi kan bruge observationer til at be- eller afkræfte, om mørk energi eksisterer.

For få år siden identificerede jeg faktisk et signal, der entydigt vil afsløre, om vi lever i det ene eller andet type univers.

Jeg har senere brugt signalet til at udvikle en metode til at afsløre, om vi lever i et univers, hvor der både er kosmisk tilbagevirkning og mørk energi.

Når vi ser på de bedste simuleringer for universet, vi kan lave i dag, og på vores astronomiske observationer, er der nemlig en del, det tyder på, at denne kombination af kosmisk tilbagevirkning og mørk energi kunne være den rigtige.

Vi har allerede svaret... om 100 år

Der vil dog gå mindst et par årtier og måske op til 100 år, inden det vil lykkes os at måle signalet tilstrækkeligt præcist til at give et svar.

Derfor gælder det nu om at udvikle endnu flere metoder, der kan hjælpe os på vej til svaret.

Men selv hvis det lykkes, er vi ikke i mål endnu.

En af mine kolleger fra Finland og jeg har nemlig vist, at det ikke nødvendigvis kun er de astronomisk store strukturer, der påvirker vores observationer (via kosmisk tilbagevirkning). Selv små strukturer som enkeltpartikler gør måske også.

Forskningen på dette område er helt ny, og derfor har vi brug for mere forskningen, før vi kan sige med nogenlunde sikkerhed, hvilken effekt små strukturer har på vores forståelse af universet.

Og hvem ved, måske er det effekterne fra disse små strukturer, der ender med at afsløre, hvad mørk energi – og mørkt stof, for den sags skyld – i virkeligheden er. Det vil kun fremtiden vise!