Universum har blivit ojämnt

En sak har astronomerna länge varit eniga om: Universum är likformigt och utvidgas lika snabbt åt alla håll. Men nu tyder nya mätningar på att vissa områden av rymden utvidgar sig snabbare än andra, och kanske måste vi därför revidera vår bild av universum.

En sak har astronomerna länge varit eniga om: Universum är likformigt och utvidgas lika snabbt åt alla håll. Men nu tyder nya mätningar på att vissa områden av rymden utvidgar sig snabbare än andra, och kanske måste vi därför revidera vår bild av universum.

Claus Lunau

Tänk på det nyfödda universum som en liten, rund russinbulle. Russinen representerar fröna för galaxhoparna och är jämnt fördelade i hela degen. Under den efterföljande jäsningen utvidgar sig den kosmiska degen med exakt samma hastighet överallt.

Russinen, som nu har blivit till stora galaxhopar, rör sig från varandra i alla riktningar. Men de är fortfarande jämnt fördelade i bollen.

Scenariot beskriver den standardmodell som är grunden för kosmologin, men nu har astronomer med hjälp av rymdteleskopen XMM-Newton och Chandra X-ray Observatory hittat tecken på att degen faktiskt jäser ojämnt.

Med andra ord rör sig galaxhoparna inte från varandra med samma hastighet överallt och är inte jämnt fördelade i universum.

Upptäckten hotar att välta de två pelare som kosmologin vilar på: Att rymden utvidgar sig lika snabbt åt alla håll och att mängden galaxhopar är likadan överallt när universum observeras i till-räckligt stor skala.

© Shutterstock

Som om det inte var nog är ett tredje av fysikens fundamentala antaganden – att naturkrafterna har exakt samma styrka i hela universum – nu också osäkert.
Genom att observera ljuset från fjärran jättegalaxer, de så kallade kvasarerna, har australiensiska astronomer hittat möjliga tecken på att den elektromagne­tiska kraften varierar. Därmed riskerar grunden för allt vi vet om universum att kollapsa.

Explosion startade utvidgningen

Den moderna kosmologin föddes 1929 när den amerikanske astronomen Edwin Hubble upptäckte att universum inte stod stilla, som man hade trott, utan utvidgade sig åt alla håll.

Ju längre bort från Vintergatan en främmande galax var, desto snabbare rörde den sig vidare ut i rymden. Den upptäckten ledde till stora smällen-teorin, som säger att all massa och energi i universum ursprungligen var koncentrerad i en ofattbart liten punkt som exploderade och startade den fortlöpande utvidgningen av universum.

Stora smällen-teorin är fortfarande grunden för kosmologin och i dag råder en bred enighet om att urexplosionen skedde för 13,8 miljarder år sedan.

Galaxhoparna rör sig inte lika snabbt överallt, visar nya röntgenmätningar. Det ger upphov till frågor om hela universum utvidgar sig med samma hastighet. Kanske är den mystiska repellerande kraften, mörk energi, inte densamma i hela universum.

© Planck Collab/ESA

Massan var jämnt fördelad från början

Den kosmiska bakgrundsstrålningen sändes ut bara 380 000 år efter den stora smällen och är ett avtryck av det unga universum. Studier av strålningen visar att massan på den tiden var jämnt fördelad och att universum utvidgade sig i samma tempo i alla riktningar.

© Claus Lunau

TEORIEN: Utvidgningen har samma hastighet överallt

Universum har utvidgat sig likartat sedan skapandet för 13,8 miljarder år sedan. Talrika observationer pekar på att galaxhoparna fortfarande är jämnt fördelade i rymden och att dagens universum fortfarande utvidgar sig med samma hastighet överallt.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

TEORIEN: Den mörka energin är lika kraftig överallt

Tills för fem-sex miljarder år sedan minskade universums utvidgningshastighet eftersom gravitationen motverkade utvidgningen, men sedan ökade utvidgningens hastighet på grund av en okänd repellerande kraft, mörk energi, som enligt teorin är lika kraftig överallt.

© K. Migkas et al. 2020

NY MÅLING: Universums hastighet varierar

Nya röntgenmätningar av galaxhopars rörelser de senaste fem miljarder åren visar att universums utvidgning är ojämn. I de lila och gula områdena är utvidgningshastigheten, Hubblekonstanten, mindre respektive större än universums allmänna hastighet. Det tyder på att den mörka energins styrka varierar.

På 1970-talet visade studier att fördelningen av massa i form av lysande galaxhopar är likformig överallt i universum, oavsett var astronomerna riktar sina teleskop.

Om utvidgningen hade skett i ett jämnt tempo genom hela universums historia skulle attraktionen mellan galaxhoparnas massa ha skapat en ojämn för-delning av massan.

Därför lanserades inflationsteorin av teoretiska fysiker. Enligt teorin ledde en ultrakort utvidgning, snabbare än ljuset, direkt efter universums födelse till en jämn fördelning av massan i universum från början – ungefär som att luften fördelas jämnt i en ballong när man blåser upp den.

Under de senaste tre årtiondena har inflationsteorin blivit mer sannolik då astronomerna gjort precisionsmätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen som sändes ut 380 000 år efter den stora smällen och finns i hela rymden.

Bakgrundsstrålningen är en ögonblicksbild av det unga universum och studier har visat att massan i universum då var jämnt fördelad överallt, och att universum från början utvidgades likformigt åt alla håll.

En mystisk utvidgande kraft

Fram till slutet av 1990-talet menade teoretiker att attraktionen mellan galaxhoparnas massa efter hand skulle sänka universums utvidgningshastighet.

När amerikanska och australiensiska astronomer mätte hastigheten på universums utvidgning långt tillbaka i tiden med hjälp av extremt ljusstarka supernovor gjorde de dock en förbluffande upptäckt: Universums utvidgning accelererar.

Den enorma, tomma rymden mellan galaxhopar tycks vara fylld med repellerande, mörk energi som övervunnit gravitationens försök att dra galaxhoparna mot varandra.

Under universums första sju–åtta miljarder år gjorde galaxhoparnas dragningskraft att utvidgningshastigheten minskade, men för fem–sex miljarder år sedan vann den mörka energin kampen mot gravitationen och hastigheten ökade.

© C. Carreau/ESA

Enligt den ledande teorin om mörk energi kommer den mystiska kraften ur tomma rymden mellan galaxhoparna. Energins styrka är alltid konstant.

Ett tomrum med en given volym innehåller alltid samma mängd mörk energi. Att den mörka energin fick övertaget över gravitationen för fem–sex miljarder år sedan beror på att tomrummet och därmed den mörka energins styrka hela tiden växer i takt med att universum utvidgas.

Enligt fysikens standardteori är naturkrafternas styrka lika stor i hela universum, men nya mätningar av ljuset från fjärran galaxer – kvasarer – tyder på en varierande elektromagnetisk kraft. Kraften tycks vara lite starkare på det södra himlavalvet och lite svagare på norra himlavalvet.

©

TEORIN: Naturkonstant har samma styrka överallt

Finstrukturkonstanten är en naturkonstant som bestämmer styrkan för den elektromagnetiska växelverkan mellan laddade partiklar som protoner och elektroner. Enligt standard-modellen är den lika stark i hela universum.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

NY MÄTNING: Metallatomer avslöjar universums magnetiska poler

Ljuset från fjärran kvasarer passerar gasmoln där metall­atomer absorberar vissa våglängder. Men de absorberade våglängderna är inte de förväntade – universum ser ut att ha en magnetisk nord/syd-axel.

© Shutterstock & M. Kornmesser/ESO

  • 1 Mot norr: Svag elektromagnetism: Observationer tyder på att den elektromagnetiska kraften är lite svagare i fjärran galaxer på det norra himlavalvet.
  • 2 På jorden: Perfekt styrka för liv: I vår del av universum är den elektromagnetiska kraften perfekt för att kom-plexa molekyler, livets bygg-stenar, ska kunna bildas.
  • 3 Mot söder: Stark elektromagnetism: På den södra himlen är elektromagnetismen i fjärran galaxer starkare. Universum ser ut att ha en magnetisk nord/syd-pol.

En naturlig följd är att den mörka energin är lika stark i hela rymden och att universums utvidgning ökar med samma tempo överallt.

Men den hypotesen håller inte om de nya resultaten från rymd-teleskopen XMM-Newton och Chandra X-Ray Observatory visar sig stämma, eftersom observationerna pekar på att rymden har utvidgats med olika hastigheter på olika platser i universum.

Galaxhoparna har olika hastighet

De nya observationerna gjordes av en grupp astronomer ledda av Konstantinos Migkas vid Bonns universitet i Tyskland. Under 191 dagar observerade forskarna rörelserna för 237 galaxhopar med Nasas Chandra X-Ray Observatory, 76 galaxhopar observerades med ESA:s röntgenteleskop XMM-Newton i 35 dagar.

Dessutom använde forskarna arkivmaterial från den japanska röntgen-satelliten ASCA så att det totala antalet galaxhopar uppgick till 842. Samtliga hopar ligger alla inom fem miljarder ljusår så de uppmätta rörelserna har skett efter att den mörka energin ökade hastigheten på universums utvidgning för fem–sex miljarder år sedan.

För att mäta avståndet till galaxhopar och andra ljuskällor behöver astronomerna känna till deras faktiska, absoluta ljusstyrka. Den kom forskarna i det här fallet fram till genom att mäta temperaturen på de extremt varma molnen av vätgas mellan galaxerna i varje hop.

Ju varmare gaser, desto mer röntgenstrålning avger hopen, och två hopar med samma temperatur och på samma avstånd borde därmed lysa exakt lika kraftigt i röntgenspektrumet.

Den observerade ljusstyrkan från ett objekt faller alltid proportionellt med avståndet till objektet, och därför kunde forskarna mäta avståndet till galaxhoparna genom att jämföra den observerade ljusstyrkan från hopen med dess faktiska ljusstyrka.

842 galaxhopars rörelser avslöjar att universums utvidgning inte är likformig.

Till astronomernas förvåning visade mätningarna två regioner på himlavalvet där röntgenstrålningen från hoparna var 30 procent starkare respektive 30 procent svagare än vad den borde ha varit.

Det tyder på att starkt lysande hopar är närmare Vintergatan än förväntat medan svagt lysande hopar är längre bort. När man jämför observationerna med den generella utvidgningshastigheten blir slutsatsen att utvidgningen går lång-sammare i den region där hoparna är närmare än förväntat och snabbare i den region där galaxhoparna rört sig längre bort.

Kanske är mörk energi ett fält

Den mest troliga förklaringen på skillnaden i hastighet är att den repellerande mörka energins styrka varierar på olika platser i universum.

Förklaringen strider dock med den ledande teorin som hävdar att den mörka energin är konstant och att repelleringen är lika stor överallt. Resultaten överensstämmer bättre med en alternativ teori om att mörk energi är ett okänt repellerande fält som varierar i tid och rum.

Förklaringen kan självklart också vara att de uppseendeväckande resultaten inte håller. En möjlig felkälla kan vara att det bakom det snabbväxande området i rymden ligger en enorm superhop av galaxer med en extra dragningskraft på de snabbt flygande galaxhoparna, men inga observationer tyder på det. Mätningarna av röntgenstrålningen kan också störas av okända stoftmoln i Vintergatan.

Lyckligtvis är bättre mätningar på väg från rysktyska satelliten SRG (Spectrum-Roentgen-Gamma), som inledde sina observationer 2020. Där XMM­-Newton och Chandra bara kan se röntgenstrålning med våglängder ned till en nanometer fångar SRG-satelliten röntgenstrålning med våg-längder på ända ned till 0,2 nanometer, som obehindrat tränger igenom stoftmoln.

Hittills har man bara mätt några hundra galaxhopars rörelser, men SRG ska på fyra år kartlägga 100 000 galaxhopar. Det ökar möjligheten för att upptäcka avvikelser i utvidgningshastigheten.

De nya resultaten som utmanar fysikens mest grundläggande teorier ska testas noggrant de kommande åren. Två rymdteleskop och ett gigantiskt teleskop på jorden ska visa om utvidgningshastigheten och den elektromagnetiska kraften varierar i universum.

© Space research Institute

Röntgensatellit kartlägger 100 000 galaxhopar

Den rysktyska röntgensatelliten SRG ska under fyra år kartlägga 100 000 galaxhopars rörelser. Det ska visa om den repellerande mörka energin skapar variationer i universums utvidgnings­hastighet. Röntgensatelliten togs i bruk 2020 och har redan skapat den första kartan över hela himlavalvet i kortvågig röntgenstrålning.

© S. Corvaja/ESA

Rymdteleskop ser tio miljarder år tillbaka

2022 skickas rymdteleskopet Euclid upp för att kartlägga hur två miljarder galaxer har rört sig på tio miljarder år. Observationer i det synliga och nära infraröda spektrumet täcker den period då den mörka energin har ökat hastigheten på universums utvidgning och kan utröna om energin varierar eller är konstant överallt i universum.

© L. Calçada/ESO

Jätteteleskop mäter elektromagnetisk kraft

Extremely Large Telescope, som inleder sina observationer 2025, kan mäta ytterst små skillnader i de våglängder av ljuset som absorberas av metallatomer i intergalaktiska gasmoln. Det ska visa om den elektromagnetiska kraften faktiskt varierar.

Naturkonstanten är inte konstant

Kanske är det inte bara den mystiska mörka energin som varierar i styrka i olika delar av rymden. Detsamma kan också gälla den bäst undersökta naturkraften av alla: Elektro-magnetismen.

Det första tecknet på att naturkonstanten kanske inte är så konstant fick au­straliensiske astronomen John Webb på University of New South Wales när han 1999 observerade ljuset från universums ljusstarkaste galaxer, kvasarer, som kan ses ända tillbaka till universums barndom.

Ljuset är så kraftigt att kvasaren överstrålar flera hundra vanliga galaxer. Webb använde det tio meter stora Keck-teleskopet på Hawaii, USA, för att observera hur kvasarers ljus samspelar med metallatomer i intergalaktiska gasmoln som det passerar igenom på sin långa resa genom rymden.

Han kunde knappt tro sina ögon när järn och magnesium i molnen absorberade andra våglängder av ljuset än vad metallatomer absorberar i laboratorieförsök på jorden.

Resultaten kunde bara förklaras om den så kallade finstrukturkonstanten var en aning mindre tidigare i universums historia då ljuset passerade genom gasmolnen.

Konstanten bestämmer styrkan på den elektromagnetiska kraften mellan elektriskt laddade partiklar som protoner och elektroner, och det är en central del av fysiken att naturkraftens styrka alltid har varit densamma överallt i universum.

Först trodde Webb att det handlade om ett mätfel, men ingen kunde hitta felet.

99,9937 är sannolikheten för att universum har en magnetisk nord/syd-axel.

Nästa steg för att eliminera felkällor var att göra motsvarande mätningar med Chiles Very Large Telescope som består av fyra sammankopplade 8,2 meter stora teleskop. Den australiensiske forskaren blev återigen förbluffad.

Den elektromagnetiska kraften långt ute i rymden var den här gången inte svagare utan lite starkare än på jorden.

Det ledde Webb fram till teorin att den elektromagnetiska kraften inte bara varierat under olika epoker av universums historia utan också att den varierar mellan det norra och södra himlavalvet.

Keck-teleskopet observerar just den norra delen från 20 grader nord på Hawaii medan VLT ser södra delen från 25 grader syd i Chile.

Elektromagnetisk nord/syd-axel

Under det senaste årtiondet har John Webb bekräftat sina tidigare resultat genom att mäta ljuset från flera hundra kvasarer – senast en kvasar på det norra himlavalvet som är 13 miljarder ljusår bort och alltså sände ut sitt ljus när universum bara var 800 miljoner år gammalt.

Facit är fortfarande att den elektromagnetiska kraften är en aning svagare i fjärran områden av det norra himlavalvet och en aning starkare i fjärran områden av det södra himlavalvet längs en nord/syd-axel genom universum.

Sannolikheten för att detta förbluffande fenomen inte är en slump är nu 99,9937 procent – nära guldstandarden 99,9994 procent som fysiker och astronomer ska nå innan observationer erkänns som en upptäckt.

Genombrottet kan komma 2025 när nya Extremely Large Telescope i Chile ska börja undersöka himlen. Med en 39,3 meter stor spegel kan det enorma teleskopet mäta små förskjutningar i våglängderna för det absorberade ljuset från kvasarer med mycket större precision än dagens teleskop.

Finstrukturkonstantens uppmätta avvikelser långt ute i rymden är bara sex miljondelar åt varje håll. Och det är tur – om den elektromagnetiska kraften skulle vara blott några få procent svagare än i Vintergatan skulle positivt laddade atomkärnor inte kunna hålla kvar sitt moln av negativa elektroner och bilda atomer och de komplexa molekyler som är grunden för liv.

Om kraften hade varit några få procent starkare skulle stjärnorna inte kunna producera kol – livets viktigaste byggsten.

I över 50 år har astronomer varit säkra på att universum alltid är likformigt överallt. Teorierna faller om både den välkända elektromagnetiska kraften och den mystiska mörka energin varierar i tid och rum.

Liksom när Edwin Hubble insåg att rymden inte är statisk kan upptäckten bana väg för en djupare förståelse av de krafter som formar universum.