Kosmiskt leende förbryllar forskarna: Universum är klumpigt

Är universum helt jämt och enhetligt fördelat eller finns det klumpar i soppan? I hundra år har astronomerna varit övertygade om det förstnämnda, men nu får fyndet av en extremt lång galaxhop teorin att krackelera.

Är universum helt jämt och enhetligt fördelat eller finns det klumpar i soppan? I hundra år har astronomerna varit övertygade om det förstnämnda, men nu får fyndet av en extremt lång galaxhop teorin att krackelera.

Patrick Gaulme/SDSS/Shutterstock

Vart vi än riktar våra teleskop ser universum ungefär likadant ut, och om vi bara zoomar ut tillräckligt långt är galaxerna jämnt fördelade. Det är ett grundantagande som våra kunskaper om universum vilar på. När den brittiska astronomistudenten Alexia Lopez såg en tunn rad av galaxer som sträckte sig hela vägen från öster till väster på en bild av himlavalvet fick det därför henne att höja på ögonbrynen. Universum såg ut att le mot henne.

Som student på brittiska University of Central Lancashire letade Alexia Lopez efter mönster i fördelningen av galaxer som befinner sig miljardtals ljusår från jorden. När hon zoomade ut och studerade en ännu större del av himlavalvet gick hon från förvåning till ren chock.

Hon hade hittat en absurt stor, nästan symmetrisk båge av galaxer som sträckte sig över 3,3 miljarder ljusår, en av de absolut största strukturer vi hittills upptäckt i universum. Den gigantiska bågen befinner sig omkring 9,2 miljarder ljusår bort, så om vi kunde se den med blotta ögat skulle den sträcka sig lika långt på himlavalvet som 20 fullmånar bredvid varandra.

Upptäckten är anmärkningsvärd, eftersom så stora strukturer strider mot den kosmologiska principen, som beskriver universums uppbyggnad och anger att ingen del av universum ser annorlunda ut än någon annan.

20 fullmånar lång skulle den gigantiska bågen vara om vi kunde se den på himlavalvet med blotta ögat.

Den leende bågen är med andra ord så stor att den egentligen inte borde existera. Den utmanar fysikernas teori om universums utveckling. Kanske är universum inte alls så gammalt som vi har trott.

Materien bör vara jämnt fördelad

I över hundra år har astronomerna arbetat utifrån antagandet att universum är homogent och isotropiskt. Det innebär att materien på det stora taget är jämnt fördelad och att universum ser likadant, oavsett vart vi riktar blicken.

Det kan kanske låta konstigt att fysikerna antar att universum är en likartad massa. Bara genom att betrakta oss själva framgår det tydligt att så inte är fallet.

Enligt den kosmologiska principen är universum på det stora hela homogent. Det innebär att materien är jämnt fördelad och att universum är isotropiskt, det vill säga ser likadant ut vart vi än ser.

© Shutterstock

Som människor har vi högre densitet än luften omkring oss och vi bor i en del av universum där materia har samlats till en stenplanet omgiven av vakuum. Den kretsar i sin tur kring ett annat klotformigt objekt med hög densitet: solen.

Solsystemet ingår i en galax, som är en av miljardtals ansamlingar av stjärnor i universum. Därför verkar det inte som om materien faktiskt är jämnt fördelad i universum.

Trots det anger den kosmologiska principen att densiteten i en del av universum inte bör vara större än någon annanstans. Om man bara zoomar ut tillräckligt mycket är materien jämnt fördelad och klumpar inte ihop sig.

Fysikerna förenklade universum

I vår galax Vintergatan finns det mellan 100 och 400 miljarder stjärnor, av vilka många har planeter i omloppsbana. Vintergatan är bara en av ett par biljoner galaxer i det synliga universum. Galaxerna kretsar runt varandra i galaxhopar, som i sin tur kan vara samlade i superhopar.

Den kosmologiska principen lämnar visserligen utrymme för stora galaxhopar, men om materien ska kunna vara jämnt fördelad finns det en gräns för hur stora strukturerna kan vara. Med hjälp av avancerad matematik kan den gränsen beräknas till 1,2 miljarder ljusår, vilket motsvarar 11 000 miljarder miljarder kilometer. Den gigantiska båge som Alexia Lopez har upptäckt är emellertid nästan tre gånger större än så.

Om den kosmologiska principen inte håller behöver forskarna tänka om hela den kosmologiska standardmodellen, som är baserad på Einsteins allmänna relativitetsteori från år 1915.

Relativitetsteorin anger att gravitationen kan förstås som en krökning av rumtiden, som orsakas av den materia – eller mer generellt den energi – som finns runtom i universum.

Einsteins ekvationer är oerhört svåra att sätta sig in i, men på 1920- och 1930-talet lyckades fysikerna Aleksandr Friedmann, Georges Lemaître, Howard P. Robertson och Arthur G. Walker räkna ut hur relativitetsteorin kan användas för att beskriva hela universum och dess utveckling.

Bedriften möjliggjordes emellertid av att de fyra fysikerna valde att betrakta universum som en slät soppa av partiklar. Bara genom att bortse från att materien faktiskt klumpar ihop sig kunde de utveckla en modell för universum.

Den kosmologiska principen gjorde helt enkelt Einsteins ekvationer enklare att arbeta med, men rent intuitivt framstår det också som rimligt att universums expansion bör ha fördelat materien relativt jämnt.

”Bågen är så stor att den är svår att förklara med våra nuvarande teorier.” Astrofysikern Alexia Lopez, University of Central Lancashire

Sedan dess har astrofysikerna utgått från denna relativt enkla modell för universum. Problemet är dock att de med tiden har hittat flera strukturer som tycks bryta mot den kosmologiska principen.

3D-karta avslöjar stora strukturer

De enorma ansamlingarna av galaxer blir synliga först när stora delar av universum kartläggs i tre dimensioner. Den mest omfattande kartläggningen av detta slag är Sloan Digital Sky Survey, som är resultatet av två årtionden av datainsamling med hjälp av ett teleskop i den amerikanska delstaten New Mexico.

I denna enorma katalog över miljontals galaxer och kvasarer – starkt lysande galaxkärnor – kan astronomer överallt i världen dyka ner. Det är inte minst där de har hittat några av det synliga universums största strukturer.

Redan år 2003 kunde kartläggningen avslöja en 1,37 miljarder ljusår lång ”mur” av galaxer, Stora Sloanmuren, en rad superhopar omkring en miljard ljusår härifrån.

Om Stora Sloanmuren hade varit ett unikum skulle den kosmologiska principen mycket väl ha kunnat överleva upptäckten, men med tiden har man hittat en handfull strukturer av galaxer eller kvasarer som är ännu större, däribland den leende bågen, som också den hittades med hjälp av data från Sloan Digital Sky Survey.

© Shutterstock

Magnesium avslöjade den gigantiska bågen

En ny metod för lokalisering av avlägsna galaxer gjorde det möjligt för Alexia Lopez att hitta den gigantiska bågen på himlavalvet. Galaxerna ligger så långt bort att de knappt syns med vanliga teleskop, men ljuset från tusentals ännu mer avlägset belägna galaxer, kvasarer, gjorde det möjligt att hitta dem.

Kvasarer avger ljus

Avlägset belägna kvasarer, starkt lysande galaxkärnor, avger ljus i universum, även i riktning mot jorden. Detta ljus avges i alla möjliga våglängder.

Magnesium absorberar ljuset

I gas i och kring galaxerna mellan kvasarerna och jorden finns magnesium, som absorberar ljus från kvasarerna i två specifika våglängder.

Våglängder avslöjar galaxerna

Lopez lokaliserade de i övrigt osynliga galaxerna i den gigantiska bågen genom att titta på var magnesiumvåglängderna saknades i ljuset från kvasarerna.

Jättestrukturerna tyder alltså på att den kosmologiska standardmodellen behöver en översyn, och fysikerna har flera bud på hur den skulle kunna förbättras.

Vissa försöker utveckla en heterogen kosmologi och tittar på hur universums utveckling påverkas av att man räknar med dessa strukturer. Kanske kommer de största strukturerna inte att vara något problem i en sådan modell.

Andra arbetar med en teori om att gravitationen över mycket långa avstånd fungerar på ett annat sätt än det som Einstein beskrev och på så vis skapar ett ojämnt universum.

En tredje infallsvinkel är den mörka energin, en hypotetisk form av energi i rymden, som får universum att expandera allt snabbare. Mörk energi är en integrerad del av den kosmologiska standardmodellen och beskrivs som konstant. Enligt vissa forskare varierar den emellertid kanske i antingen tid eller rum – eller så behövs den hypotetiska energin inte för att beskriva universum.

En ny kosmologi kan förändra beräkningarna av universums expansion och därmed kanske även vår datering av det. Det kan innebära att universum inte alls är 13,8 miljarder år gammalt, som standardmodellen anger.

För närvarande är emellertid kosmologerna inte beredda att avskriva den kosmologiska principen. Innan de skrotar den väl beprövade teorin vill de se en mer exakt karta över det synliga universum. Den behöver visa ytterligare detaljer av de stora strukturer som redan har hittats och visa om det finns fler där ute.

Här finns det lyckligtvis hopp, för redan i december 2023 inleds en ny, mycket omfattande kartläggning av universum med hjälp av det stora, nybyggda Vera C. Rubin Observatory i Chile. Teleskopet där kommer att ge astronomerna betydligt mer detaljerade bilder av himlavalvets övre hälft och de kommer dessutom att kunna se mycket längre tillbaka i tiden.

En grundlig kartläggning kommer att visa om det fortfarande är rimligt att betrakta universum som en slät soppa eller om det finns klumpar i den. Om natthimlen – i det stora perspektivet – inte är likadan oavsett vilken planet vi befinner oss på och åt vilket håll vi tittar, då är det dags för en ny modell för universum.