Universums utvidgning löper amok

Hur snabbt utvidgar sig universum? Forskarna har inte ett svar på den frågan, utan två. Exakta mätningar ger olika resultat och den enda logiska förklaringen är att universum har oupptäckta krafter.

Hur snabbt utvidgar sig universum? Forskarna har inte ett svar på den frågan, utan två. Exakta mätningar ger olika resultat och den enda logiska förklaringen är att universum har oupptäckta krafter.

shutterstock

Du kör bil mellan två städer och försöker mäta hur långt det är. Trippmätaren i bilen säger 74, men mätning på en karta ger 67,4. Frågan är var felet ligger: Är trippmätaren defekt, har du mätt fel – eller är det något mer grundläggande fel?

Just nu står världens astronomer inför ett liknande problem. Det de försöker mäta är inte avståndet mellan två städer utan den hastighet med vilken universum utvidgas, och de har kommit fram till två helt olika resultat.

Mätningarna bakom båda resultaten har kontrollerats noggrant – utan att någon har kunnat sätta fingret på varför siffrorna åtskiljer sig. Om de ledande teorierna om universums innehåll och utveckling fortfarande ska stämma kan båda resultaten omöjligt vara korrekta.

Alla astronomer är eniga om att universum har växtvärk och att det får galaxerna att röra sig från varandra. Den stora frågan är med vilken hastighet galaxerna sprids ut.

Den hastigheten kallas Hubblekonstanten och det är den som astronomerna inte kan enas om. När forskarna känner till Hubblekonstanten kan de räkna baklänges, vilket gör att oenigheten om den siffran också skapar tvivel kring universums ålder.
.

© AIES MEDIALAB/ESA

Planck-teleskopet

Data från Planck-teleskopet har givit den mest exakta mätningen av Hubblekonstanten.

  • Typ: Rymdteleskop
  • Drift: 2009–2013
  • Våglängd: Från mikrovågor till det infraröda spektrumet
  • Uppdrag: Att mäta temperaturskillnader i den kosmiska bakgrundsstrålningen

Det är svårt att mäta Hubblekonstanten exakt. Olika sätt att mäta den har hela tiden gett lite olika resultat, men forskarna räknade med att bättre mätmetoder skulle föra dem närmare utvidgningens exakta hastighet.

De senaste åren har astronomerna dock utvecklat mer exakta metoder, men det har inte fått resultaten att närma sig varandra.

Tvärtom är det nu definitivt två olika värden – 67,4 och 74 kilometer per sekund – och många astronomer menar nu att det sannolikt bara finns en förklaring: Vår förståelse av universums innehåll och krafter behöver revideras.

Döende stjärnor ger galaxers fart

Adam Riess, Nobelpristagare och professor på Johns Hopkins University, USA, har i över 20 år arbetat med att mäta Hubble-konstanten. När en särskild typ av stora stjärnor slutar sina liv som supernovor lyser de med en exakt ljusstyrka.

Det gör det möjligt att mäta avståndet till fjärran galaxer och hur fort de rör sig bort från oss. 2019 kom Riess och hans team fram till Hubble-konstanten 74,0 kilometer per sekund för varje megaparsec som skiljer mellan två galaxer.

Megaparsec (som förkortas Mpc) är ett längdmått som astronomer använder för att beskriva extremt stora avstånd. En Mpc motsvarar 3,26 miljoner ljusår.

Hubblekonstanten är ett mått på hur snabbt universum utvidgas. Hastigheten kan mätas med supernovor eller variationer i bakgrundsstrålningen – men resultaten överensstämmer inte.

Metod 1:

74 km/s utvidgar sig universum när astronomerna mäter med supernovor

© KEN IKEDA

Stjärnexplosioner är mätpunkter

Supernovor av typen Ia lyser med en känd ljusstyrka. En fördubbling av avståndet ger en fjärdedel så mycket ljus eftersom ljuset fördelas över en större yta. Därmed visar ljusstyrkan avståndet till stjärnan.

© KEN IKEDA

Utvidgning förskjuter ljusets färg mot rött

När en supernova rör sig bort från oss dras ljusets våglängd ut så att ljuset blir mer rödaktigt. Genom att mäta rödförskjutningen kan forskarna räkna ut hur snabbt supernovan rör sig bort från oss.

© KEN IKEDA

Hastighet delat med avstånd ger Hubblekonstanten

Genom att dividera supernovans hastighet bort från oss med avståndet till den kan astronomerna beräkna Hubblekonstanten. Ju fler supernovor man mäter på, desto större blir precisionen.

Mätningen är inte hundra procent exakt, men Riess och hans kolleger vågar säga att Hubblekonstanten måste ligga någonstans mellan 72,6 och 75,4 kilometer per sekund och Mpc.

Siffran får stöd av ett annat team av astronomer under ledning av Sherry Suyu på Max Planck-institutet för astrofysik i Tyskland.

De har inte använt supernovor utan kvasarer – extremt ljusstarka galaxkärnor – för att komma fram till cirka 73,3 kilometer per sekund och Mpc.

Andra och mer osäkra mätningar ger resultat i samma del av spektrumet – de landar på 72–75 kilometer per sekund och Mpc. En mycket exakt mätning som har gjorts med en annan metod urskiljer sig dock med en betydligt lägre siffra.

Mätningen bygger på data från rymdteleskopet Planck, som var aktivt mellan 2009 och 2013. Teleskopet mätte den kosmiska bakgrundsstrålningen, efterglöden från stora smällen, som frigjordes när universum bara var 380 000 år gammalt.

Genom att analysera denna strålning kan astronomerna beräkna hur universum har utvidgat sig sedan dess. 2018 meddelade teamet bakom uppgiften att deras beräkningar visar att Hubble-konstanten är 67,4 kilometer per sekund och Mpc plus/minus 0,5 kilometer per sekund och Mpc. Det är den hittills minsta osäkerheten för en mätning av konstanten.

Resultatet får stöd av mätningar där astronomer beräknar Hubblekonstanten genom att se på galaxernas placering i universum.

I det tidiga universum var materian inte lika tät. Det betyder att galaxerna inte är helt jämnt fördelade i dag och med detta mönster i fördelningen av galaxer kan Hubblekonstanten beräknas.

Utifrån storleken och fördelningen av varma och kalla områden kan universums utvidgningshastighet beräknas.

© PLANCK COLL./ESA

Metod 2:

67,4 km/s utvidgar sig universum när astronomerna mäter med bakgrunds-strålningen
I miljardtals år har hela universum badat i värmestrålning som kommer från universums tidiga barndom – den kosmiska bakgrundsstrålningen. På den tiden var universum en brännhet soppa av materia och strålning, men soppan var inte lika varm överallt – det fanns små variationer i materians densitet och temperatur. Sedan dess har universum utvidgats och kylts ned, men strålningen från den tid då universum bara var 380 000 år gammalt finns kvar.

Planckteleskopet har mätt restvärme från stora smällen med stor precision. Temperaturen i universum är i dag så låg som minus 270,42 – endast 2,73 grader över absoluta nollpunkten – men fortfarande med små variationer. Dessa variationer i kosmisk bakgrundsstrålning motsvarar olika densiteter för materian i det unga universum och utifrån den utgångspunkten kan astronomerna beräkna hur snabbt universum har utvidgats.

Om astronomerna använder de två senaste mätningarna för att vrida klockan tillbaka till stora smällen skulle universums ålder bli de 13,8 miljarder år som de flesta forskare hittills uppskattat det till.

Men om universum utvidgas snabbare, vilket Adam Riess mätningar av supernovor tyder på, kan det vara flera hundra miljoner år yngre.

Osäkerheten kring Hubblekonstanten påverkar också universums form. De flesta astronomer är eniga om att universum är i princip platt, men de vet inte om det är oändligt stort.

Fördelningen av materia och energi ger universum en särskild böjning. Det kan antingen vara slutet, öppet eller plant. De flesta astronomer hävdar att universum är nästan platt, men en grupp forskare har nyligen argumenterat för att universum är slutet.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

1. Slutet universum

Hög densitet gör universum slutet
Om den genomsnittliga mängden materia och energi – densiteten – i universum är hög, böjs det inåt som en kula. Forskarna kallar universum slutet eftersom två ljusstrålar som skickas iväg parallellt närmar sig varandra. I en triangel är summan av vinklarna över 180 grader.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

2. öppet universum

Låg densitet gör universum öppet
Om densiteten är låg böjs universum utåt som en sadel. Det kallas för ett öppet universum eftersom två ljusstrålar som skickas iväg parallellt kommer att röra sig ifrån varandra i det oändliga. I det öppna universum är vinkelsumman för en triangel mindre än 180 grader.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

3. Platt universum

Exakt densitet gör universum platt
Om densiteten har ett exakt värde böjs universum inte alls på den största skalan. Det är i stället platt som en pannkaka – dock bara i tre dimensioner. Två parallella ljusstrålar kommer att förbli parallella i det oändliga och summan av vinklarna i en triangel är alltid 180 grader.

I en vetenskaplig artikel i tidskriften Nature Astronomy från november 2019 argumenterar tre fysiker för att Planckteleskopets mätningar tyder på ett slutet universum – det vill säga att universum böjs inåt som en kula och är ändligt.

Teorin löser inte Hubbleproblemet, snarare tvärtom. Ett böjt och slutet universum betyder att Hubblekonstanten är ännu lägre än vad teamet bakom Planckteleskopet räknade sig fram till.

Universums manual ska revideras

När forskare mäter en fysisk storlek, som hastigheten av universums utvidgning, ska resultatet vara detsamma varje gång – det får inte bero på mätmetoden.

Får forskarna olika resultat är det fel på antingen mätningarna eller några av fysikens grund-läggande antaganden.

Astronomen Adam Riess har mätt Hubblekonstanten med hjälp av supernovor.

© HOLGER MOTZKAU

"Skillnaden har nu nått en punkt som är helt omöjlig att avvisa som en tillfällighet."

Adam Riess, professor i astronomi

Astronomerna har verkligen ansträngt sig för att redogöra för alla förhållanden som kan ge fel i mätningarna, men alla beräkningar verkar stensäkra – både de som visar en Hubblekonstant nära 67 och de som är närmare 74.

Ingen kan peka på fel i analyserna. Kosmologin står med andra ord inför en kris, men som tur är brukar forskare vara glada för vetenskapliga kriser eftersom lösningen på dem kan leda till ny grundläggande kunskap.

Adam Riess kallar skillnaden i Hubblemätningarna för den mest spännande utvecklingen inom kosmologin på årtionden och säger: ”Skillnaden på siffrorna har växt och har nu nått en punkt som är helt omöjlig att avvisa som en tillfällighet.”

Om alla mätningar stämmer måste skillnaden bero på att vi inte helt har förstått universums spelregler. Som Sherlock Holmes sa: ”När man har uteslutit det omöjliga måste det som är kvar vara sant, hur otroligt det än är”.

Astronomerna kan därför behöva rätta i den manual för universum som de har utvecklat i årtionden, och förslag på lösningar av Hubbleproblemet har redan lagts fram. Gemensamt för dem alla är att de beskriver ett universum som är mer invecklat än vad forskarna tidigare har trott.

Astronomernas kosmologiska standardmodell – den så kallade λ-CDM-modellen – har hittills kunnat förklara varför vårt universum ser ut som det gör, och modellen är grunden för alla mätningar av universums utvidgning.

CDM står för Cold Dark Matter, så kallad mörk materia. Mörk materia kallas så eftersom det inte avger någon form av strålning. Med kallt menar man att det rör sig betydligt långsammare än ljus.

λ, den grekiska bokstaven lambda, står för mörk energi – en form av energi som finns överallt i universum och gör det större och större. Det förslag som har fått störst uppmärksamhet har att göra med just den mörka energin.

I den enklaste modellen för universum antar astronomerna att den mörka energin alltid har varit lika stor – att varje kubikmeter av rymden alltid har innehållit en viss mängd mörk energi.

Den mörka energin får universum att utvidga sig snabbare och snabbare eftersom det blir mer och mer rymd och därmed också mer mörk energi. Men om även den mörka energin blir starkare accelererar även utvidgningen.

Det kan förklara varför olika mätmetoder ger olika resultat. Den låga Hubblekonstant som beräknats med bakgrundsstrålning bygger på ett antagande om att den mörka energin är konstant.

De mätningar som ger det höga värdet bygger på galaxernas hastighet bort från oss och är inte beroende av antaganden om mörk energi.

Om den mörka energin inte är konstant kan det förklara varför mätmetoderna ger skiftande resultat. I gengäld får fysikerna svårare att förklara vad mörk energi egentligen är för något och vilken mystisk naturkraft som förändrar den efter hand.

© SHUTTERSTOCK & KEN IKEDA MADSEN

Det mesta av universum är mörkt

Enligt kosmologins standardmodell består universum av tre huvudingredienser: Mörk energi, mörk materia och vanlig materia. Vanlig materia, som är den materia vi kan observera, utgör bara 4,9 procent. De avvikande mätningarna av universums utvidgningshastighet kan bero på att det är något med det osynliga universum – mörk energi (68,3 procent) eller mörk materia (26,8 procent) – som fysikerna inte förstår tillräckligt väl.

En annan gåtfull energi som bara fanns under universums första 100 000 år och sedan försvann spårlöst har föreslagits som förklaring på Hubble-skillnaden.

Kanske behövs en ny fundamental naturkraft för att förklara varför universum inte uppför sig som astronomerna hade förväntat sig.

Neutrino får siffrorna att stämma

Om lösningen på Hubble-problemet inte är en ny naturkraft kan det vara en gåtfull partikel. Astronomer på bland annat Fermilab i USA har pekat på en möjlig förklaring som handlar om oansenliga elementarpartiklar – så kallade neutriner.

De går oftast under radarn trots att de finns överallt och bland annat produceras i stora mängder i solen. Neutriner växelverkar i stort sett inte alls med annan materia, utan är en form av spökpartiklar som går rakt igenom allting och är mycket svåra att mäta.

Man vet därför inte mycket om neutriner och kanske döljer de hemligheter som kan förklara varför olika mätningar av Hubblekonstanten ger olika resultat.

Fysikerna känner till tre olika slags neutriner, men det är möjligt att det finns en fjärde som ännu inte har upptäckts.

Om denna fjärde neutrino hade ett finger med i spelet i universums barndom skulle det ha betydelse både för den kosmiska bakgrundsstrålningen och hur galaxerna har fördelats.

I så fall ska de data som ligger till grund för den låga Hubblekonstanten analyseras på nytt. Det kan ge ett högre värde som ligger närmare det som supernovor och kvasarer ger.

Det nya neutrinoobservatoriet Hyper-Kamiokande kan möjligtvis ge forskarna svar. Observatoriet byggs i Japan och består av en vattentank som ska fyllas med 260 miljoner liter ultrarent vatten.

40 000 extremt känsliga fotodetektorer ska hitta spår efter neutriner när de vid ett sällsynt tillfälle kolliderar med en vattenmolekyl – och kanske avslöja en okänd neutrino.

Om supernovorna är problemet kan det stora teleskopet Vera C. Rubin Observatory, som håller på att byggas i Chile, ge mer exakta mätningar. Teleskopet blir färdigt 2023 och kommer att kunna hitta betydligt fler supernovor än vad hittills varit möjligt.

Ju fler supernovor man kan bestämma avstånd och hastighet för, desto mer exakt kan Hubblekonstanten mätas.

2022 skickas rymdteleskopet Euclid upp för att undersöka hur universum har utvidgats under de senaste tio miljarder åren. Med teleskopet kan man inte bara se hur universum utvidgar sig nu, utan hur utvidgningen skett i universums historia.

På så sätt kommer man att kunna se om observationerna överensstämmer med teorierna för universums utvidgning genom tiden.

© ATG MEDIALAB/ESA

Euclid-satelliten

Euclid-satelliten ska undersöka om den mörka energin har förändrats med tiden.

  • Typ: Rymdteleskop
  • Skickas UPP: 2022
  • Våglängder: Synligt ljus till nära infrarött
  • Uppdrag: Utforskning av mörk energi och mörk materia genom
  • mätning av universums utvidgning

Framtidens mätningar kommer att visa om det är en av de nämnda teorierna eller en helt ny teori som kan skapa enighet bland astronomerna.

Först när rätt modell för universum och dess innehåll har hittats kan forskarna säkerställa universums utvidgningshastighet och ålder.

Nya observationer av neutriner, mörk energi och supernovor kan ge en mer exakt beskrivning av universum så att trippmätaren i det tänkta exemplet också ger samma avstånd som på kartan.