I midten av dette bildet ser du en gravitasjonslinse.

Hvor fort utvider universet seg?

Spørsmålet er grunnleggende for vår forståelse av verdensrommet, og forskere jakter stadig på svaret.

16.3 2017 04:00

Ta en kikk på bildet i toppen. Det ser ikke helt naturlig ut. Det kan se ut som om en eller annen intelligens har organisert en ring med fire lyssterke punkt i en nesten perfekt firkant.

Men det er noe helt annet. Einstein var en av de som forutså at dette fenomenet  eksisterte, men han fikk aldri gleden av å se en av disse med sine egne øyne.

Dette er en gravitasjonslinse. Tyngdekraften fra en galakse bøyer og strekker i lyset som sendes ut fra et ekstremt lyssterkt fenomen langt, langt unna oss.  

Ved hjelp av gravitasjonslinser kan vi kanskje forstå mer om noe helt grunnleggende ved universet.

Nemlig hvor fort det egentlig utvider seg.

For 13,8 milliarder år siden begynte universet å utvide seg, og det har ikke stoppet. Det begynte med The Big Bang.

Hvor rask utvidelsen har vært og er i dag er grunnleggende for vår verdensforståelse, og for teoriene om det store smellet.

Nå har det blitt gjort en  ny og ekstremt nøyaktig måling av hvor fort dette egentlig skjer. Problemet er at den nye målingen ikke stemmer overens med andre målinger eller matematikken vi bruker for å forstå universet.

– Dette kan tyde på noe helt nytt, sier Håkon Dahle til forskning.no. Han er forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk i Oslo.

Prosjektet bak den nye målingen har tatt det litt teite navnet H0LiCOW. Dette står for H0, som er den matematiske betegnselsen på Hubbles konstant, Lenses in COSMOGRAILs Wellspring

Rødt lys

Den amerikanske astronomen Edwin Hubble var den første som viste verden at fjerne galakser var på vei vekk fra oss. Hubble var ikke den første som tenkte tanken, men han har fått æren av å få en konstant i fysikken oppkalt etter seg: Hubbles konstant.

Han regnet ut hvor fort galaksene flyr fra hverandre ved å se på lyset fra galakser som er mange milliarder av lysår unna oss. Men dette lyset er rødforskjøvet. Det betyr at lyset som ble sendt ut fra disse galaksene har blitt strukket ut til den røde delen av spekteret.

Jo mer rødforskyvning det er, jo lenger vekk er en galakse. Det går også an å regne ut hvilken hastighet galaksen er på vei vekk fra oss ved å undersøke rødforskyvningen.

Dahle forteller om hva som er viktigst å forstå med rødforskyvning:

– Rødforskyvningen av lyset fra en fjern galakse forteller hvor mye universet har utvidet seg i tidsrommet fra dette lyset ble sendt ut, til vi kan se det her på jorden, sier Dahle.

Hvis du vil ha en nærmere forklaring på hva rødforskyvning egentlig er, kan du ta en kikk på videoen under.

Bolledeig

Men det merkelige er at alle fjerne galakser ser ut til å være på vei vekk fra oss. Betyr det at vi er i midt i universets sentrum?

Egentlig ikke, ifølge den britiske astronomen Brian Cox. Han sammenligner universet med en bolledeig med rosiner, hvor rosinene er galakser. Når denne deigen hever, vil avstanden mellom hver rosin øke like mye.

Utvidelsen går raskere etter hvert som man flytter seg lenger og lenger vekk fra jorden, solsystemet og vår egen galakse.

Denne hastigheten er beregnet til å være rundt 68 kilometer per sekund per megaparsec. Megaparsec høres ut som et Star Wars-begrep, men det er en avstandsmåling for virkelig store avstander i verdensrommet. En megaparsec tilvarer omtrent 3,3 millioner lysår.

Dette betyr at utvidelsen øker med rundt 67 kilometer i sekundet for hver megaparsec du beveger deg ut fra jorden. Denne økningen er konstant, og den er lik overalt i verdensrommet, så vidt vi vet.

Men hastigheten er ikke lik hver gang den blir målt, som du kan se på wikipedia-siden for Hubbles konstant

Unøyaktigheter

Problemet er å finne en pålitelig målemetode, forklarer Håkon Dahle.

Hvis du skal regne ut hvor fort universet ekspanderer, må du vite to ting: Hvor langt unna en galakse er, og hvilken hastighet den beveger seg i, sagt på en svært forenklet måte.

Hastigheten kan vi finne ut av med rødforskyvningen, men avstanden er det verre med. Det er nesten ingen måter å få en direkte og nøyaktig måling av avstand til galakser som er mange milliarder lysår unna.

Dahle forklarer at du først må finne et referansepunkt i en galakse som du kan ta utgangspunkt i. Disse referansene kan gi deg en «standard lyskilde», som er basert på kjente og spesielle stjernetyper som forskerne vet lysstyrken til fra før.

Ved å sammenligne den standardiserte lysstyrken med lysstyrken fra den samme typen stjerner man måler i en galakse, langt, langt unna, er det mulig å regne ut hvor langt unna den er.

Når du har denne referansen, kan du bruke den til å regne ut avstanden til galakser og fenomener som er enda mye lenger unna. Problemet er bare at dette er basert på flere trinn. Det kalles den kosmiske avstandsstigen.

– Du ser på noe som er langt borte for å finne ut hvor langt det er til noe som er enda lenger unna.

– Hvis det er noen unøyaktigheter i målingene, vil de akkumulere etter hvert som du regner det ut.

Dermed er det lett at resultatet ikke blir så nøyaktig som man kunne håpet på.

Og nå kommer vi tilbake til gravitasjonslinsene. Disse kan brukes for å gjøre enkle og relativt nøyaktige målinger av avstander, og dermed Hubbles konstant, i hvert fall hvis vi skal tro den store, internasjonale forskergruppen som står bak den nye målingen.

Bøyd lys

Ingen gravitasjonslinser er like, siden det kommer an på hvordan selve galaksen er formet, akkurat som forskjellige kameralinser vil fokusere lys etter hvordan den er utformet.  

Vi kan bruke HE0435-1223 som eksempel. Det ser ut som om fire forskjellige stjerner ligger i en firkant rundt en galakse. Det du egentlig ser er en kvasar, et digert sort hull som sender ut massevis av stråling. De er blant de mest lyssterke tingene vi vet om i universet.


Denne kalles HE0435-1223. Dette er et veldig sjeldent fenomen, og vi har bare funnet noen få eksempler av gravitasjonslinser med kvasarer bak som bøyer lyset på en såpass tydelig måte. (Bilde: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al)

Denne kvasaren ligger mange milliarder lysår unna oss, men mellom oss og kvasaren ligger det en galakse. Galaksen består av hundrevis av milliarder stjerner, og er mange titalls tusen lysår bred.

Lyset fra kvasaren bruker titusener av år på å reise gjennom den galaksen, og lyset blir bøyd av på grunn av galaksens egne gravitasjonsfelt. Ta en god kikk på den lille videosnutten under, hvor de prøver å gi et godt bilde av hva som faktisk skjer.

Den ene galaksen er ekstremt langt unna, men kvasaren bak er enda mye, mye lenger vekk. De fleste kvasarer vi vet om er rundt 12 milliarder år gamle, nesten like gamle som universet.

Så hvordan brukes disse til å kalkulere Hubbles konstant?


En rekke gravitasjonslinser med kvasarer bak. (Bilde: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al)

Lyset pulserer

– Det som er helt kritisk for at forskerne skal kunne bruke gravitasjonslinsene, er at lyset fra kvasarene varierer, sier Håkon Dahle.

Kvasaren består av sannsynligvis av et supermassivt sort hull med massevis av materiale spinnende rundt seg – en ekstremt ung galakse. Denne digre ringen av støv varmes opp på grunn av friksjon, og sender ut kraftig stråling. Ett eller annet i samspillet mellom denne ringen og det sorte hullet gjør at strålingen varierer.


Illustrasjon av et svart hull med masse to milliarder ganger solens trekker til seg hydrogengass med en slik fart at den begynner å gløde. Denne kvasaren ULAS J1120+0641 er blant de fjerneste objektene vi kan observere. Vi ser den slik den var bare 770 millioner år etter det store smellet, for 13 milliarder år siden. Så lang tid har lyset brukt på å nå fram til oss. (Illustrasjon: ESO/M. Kornmesser, Creative Commons.)

Videoen under viser hvordan disse blinkene ser ut i et teleskop, bare i svært høy hastighet. Egentlig varer disse blinkene i flere timer, uker eller måneder. Forskerne har overvåket gravitasjonslinsene siden begynnelsen av 2000-tallet for å få gode nok målinger.

Du kan se hvordan blinkene fortoner seg i videoen under.

Dette er egentlig bare ett enkelt blink hos den opprinnelige kvasaren, men siden lyset bøyes av på forskjellige måter, er noen veier lengre å reise enn andre.

Hvis forskerne tegner opp hvordan lyset bøyes i gravitasjonslinsene, får du en geometrisk figur som begynner i kvasaren, og slutter hos oss. Denne figuren kan grovt forklares som en rombe.

Hvordan lyset bøyes kan tegnes opp ganske nøyaktig, blant annet ved hjelp av datamodeller som viser akkurat hvordan lyset blir bøyd i gravitasjonslinsene. Da finner du vinklene i denne figuren.

– Du kan finne ut vinklene, men du vet fortsatt ikke hvor langt det er mellom kvasaren og jorden, sier Dahle.

Her kommer lysvariasjonen inn. Lyset reiser i lyshastigheten, og når det samme blinket kommer flere ganger, kan de bruke tidsforskjellen mellom blinkene i det store regnestykket til å regne ut en ganske nøyaktig avstand til kvasaren.

Forskerne vet allerede hvor mye rødforskyvning det er i lyset fra kvasaren, så de vet hvor fort kvasaren er på vei vekk fra oss.

Med denne informasjonen kan forskerne gjøre en veldig nøyaktig utregning av Hubbles konstant, uten å måtte ty til den kosmiske avstandsstigen.

Stemmer ikke overens

Men her skjer det noe rart. En av de beste målingene vi har Hubbles konstant ble gjort for noen år siden ved hjelp av en annen målemetode: ved å undersøke den kosmiske bakgrunnsstrålingen med Planck-satellitten.

Bakgrunnsstrålingen stammer helt fra universets fødsel, og er noe av den eldste strålingen vi kan måle. Universets ekspansjon burde være lik overalt, men Planck-målingen stemmer ikke overens med gravitasjonslinsemålingen.

Planck-målingen viste at hastigheten er rundt 67 kilometer per sekund per megaparsec, men den nye målingen viser rundt 72 kilometer per sekund per megaparsec, ifølge Astronomy Magazine.

Dette bekrefter en annen, lignende måling som ble gjort med Hubble-teleskopet i 2016.

Dette høres ikke ut som en stor forskjell, men det kan være et hint om noe helt grunnleggende som vi ikke forstår. Målingene er så nøyaktig at de burde være likere, ifølge teoriene vi bruker for å forstå universet.

Noe ukjent eller kjent?

– Det store spørsmålet er om dette er en statistisk usikkerhet i målingene, eller er det sånn at vi faktisk må legge til noe mer i modellene vi bruker for å forstå universet, sier Dahle.

Hubbles konstant henger nemlig sammen med veldig mye i universet. Den sier noe om hva som skjedde under Big Bang, og den sier noe om universets utvikling i framtiden. Hvis vi mangler noen biter av puslespillet, vil vi heller ikke forstå hvorfor ekspansjonen oppfører seg som den gjør.

Og det er fortsatt mye vi ikke vet.

– For rundt 20 år siden ble det oppdaget at ekspansjonen går raskere i dag enn den gjorde for flere milliarder år siden. Akkurat hvorfor dette skjer, vet vi ikke enda.

Det er altså ikke nok at universet utvider seg – de siste fem milliarder årene har det gått raskere og raskere. Det betyr at Hubbles konstant egentlig ikke er konstant, den ville vært annerledes hvis vi hadde kunnet måle den for milliarder av år siden.

Dette høres kanskje rart ut, siden vi faktisk ser milliarder av år inn i fortiden når vi ser på galakser og kvasarer som er langt unna oss. Men ekspansjonen er lik hvor enn du er i universet, ifølge de gjeldene teoriene.

For at denne akselererende ekspansjonen skal forklares med matematikken vi bruker i dag, må det innføres ett eller annet som driver den. I dag kaller vi dette for mørk energi.

Energien i vakuumet

Mørk energi er fortsatt en hypotese, og ingen har kunnet endelig bekrefte at den faktisk eksisterer eller hvilken form den har. Men det er et forslag som er mer akseptert:

Det finnes et svært lavt energinivå i helt tomt rom som kalles vakuumenergi. Dette er ikke teoretisk, vi vet at denne energien eksisterer, og det kan måles.

Her kan du se en veldig god video om vakuumsenergi:

Denne energien er knyttet til kvantefysiske prinsipper, og den mest grunnleggende modellen vi har for å forstå universet sier at vakuumenergien og den mørke energien er det samme.

Dahle forklarer at denne hypotesen stemmer godt med de aller fleste målingene av for eksempel Hubbles konstant, men ikke med disse nye målingene.

Så vidt vi vet er vakuumenergien lik overalt og til alle tider gjennom universets historie. Siden denne energien driver den økende ekspansjonen, betyr det at også Hubbles konstant bør være lik uansett om du måler den med objekter langt, langt unna eller litt nærmere oss.  

Men hvis målingene faktisk viser forskjeller, betyr dette at den mørke energien ikke oppfører seg som vi nå tror.

Men det finnes flere alternative forklaringer.

Fantomenergi

Et forslag går ut på at mørk energi er noe helt annet: nemlig fantomenergi.

Den vil også eksistere i vakuumet, men denne teoretiske energien oppfører seg veldig rart. Istedenfor å være konstant, som vakuumenergien, vil den øke etter hvert som universet utvider seg.

Dette kan forklare at Hubbles konstant har forskjellige verdier, siden den mørke energien faktisk vil oppføre seg annerledes i forskjellige tidsperioder gjennom universets historie. Ekspansjonen vil ikke være lik overalt.

Denne teorien har noen ubehagelige konsekvenser: Den sier at ekspansjonshastigheten vil øke til en uendelig hastighet flere milliarder år i framtiden.

Dette betyr at all masse, alle molekyler og alle atomer vil til slutt bli revet fra hverandre. Dette dommedagsscenariet kalles The big rip.

– Det er en unaturlig modell, og vi har heller ikke noe godt teoretisk grunnlag for å si hvor denne fantomenergien skulle komme fra, sier Dahle. 

Men dette er bare noen alternativer. Det kan også for eksempel være nye og uoppdagede elementærpartikler som endrer hva vi tror vi vet om universets tidlige dager. Dette vil endre forutsetningene for det universet vi lever i nå. Dette er nettopp noe av det som letes etter i partikkelakseleratorer rundt om i verden. 

Men for å virkelig vite om noe av våre grunnleggende teorier stemmer, må vi ha gode nok målinger av Hubbles konstant. Da trengs det en ting: Flere målinger.

– Ved hjelp av bedre teleskoper og mer observasjon av gravitasjonslinser kan vi få enda mer nøyaktige utregninger av Hubbles konstant, sier Dahle.

Referanser:

Bonvin mfl: H0LiCOW V. New COSMOGRAIL time delays of HE0435-1223: H0 to 3.8% precision from strong lensing in a flat ΛCDM model. Mon Not R Astron Soc. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stw3006. Sammendrag

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.