I 1915 utviklet Albert Einstein den generelle relativitetsteorien, et nytt matematisk verktøy for å beskrive tyngdekraften.

To år etter, 15. februar 1917, publiserte han en ny artikkel med tittelen Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie. I denne artikkelen tok han den generelle relativitetsteorien i bruk for å beskrive universet som helhet.

Konstanten innføres

Med ligningene fra relativitetsteorien utviklet Einstein en matematisk modell for hvordan universet oppfører seg. Dette var i årene før Edwin Hubbles oppdagelse av at andre galakser beveger seg bort fra oss, og den gjengse oppfatning var at universet er statisk — det hverken utvider seg eller trekker seg sammen.

Einstein oppdaget at ligningene hans ikke klarte å gjenskape et statisk univers, og han innførte dermed et ekstra ledd for å få ligningene til å stemme overens med datidens observasjoner.

Professor i astronomi Øystein Elgarøy underviser astronomistudenter i ulike universmodeller. Han leder studentene gjennom den fysiske og historiske bakgrunnen for den kosmologiske konstanten.

– Hva er denne kosmologiske konstanten som Einstein innførte for 100 år siden?

– Den kosmologiske konstanten er et tall Einstein innførte som et ekstra ledd i ligningene som beskriver universet, forteller Elgarøy. 

– Konstanten kan ses på som en kilde til frastøtende tyngdekraft. Man kan si at den dytter universet utover. Dermed motvirker den tyngdekraften, som trekker ting sammen.

Den delen av Einsteins ligninger som inneholdt den kosmologiske konstanten, ble altså innført for å klare å lage en statisk universmodell. Den frastøtende kraften balanserte nøyaktig den tiltrekkende tyngdekraften. Verdien av konstanten ble bestemt slik den måtte være for å beskrive et stabilt, statisk univers, slik Einstein og andre trodde at universet var.

Som symbol for konstanten brukte Einstein den greske bokstaven Λ (Lambda).

– Einstein likte ikke å måtte innføre den kosmologiske konstanten, forteller Elgarøy. 

– Han syntes den ødela skjønnheten i ligningene, men han følte seg likevel tvunget til å innføre den.

Einsteins største tabbe?

Rundt ti år senere viste observasjoner med all tydelighet at universet ikke er statisk, men at det faktisk utvider seg. Etter dette forteller mange historier at Einstein kalte innføringen av den kosmologiske konstanten for sitt livs tabbe.

Det finnes imidlertid ingen skriftlige kilder til denne karakteriseringen, men man kan forestille seg at det må ha føltes som han var snublende nær å forutsi at universet utvider seg.

– Var det en tabbe av Einstein å innføre den kosmologiske konstanten?

– Nei, sier Elgarøy. 

– Teoretisk sett skal man inkludere alle ledd som er i samsvar med prinsippene bak en teori, altså skal man skrive ned de mest generelle ligningene man kan og deretter bruke eksperimenter til å bestemme konstantene som opptrer. Hvis Einstein ikke hadde tatt den kosmologiske konstanten med i ligningene, ville han jo ha antatt at den var null, uten noe grunnlag for dette. Einstein trengte konstanten, så da var det riktig å ta den med.  

Etter de nye observasjonene fra Edwin Hubble om galaksenes bevegelser, gikk Einstein tilbake til sine opprinnelige ligninger, uten Λ.

• Les også: Er det mulig å forstå ideene bak den mest avanserte fysikk i løpet 109 små boksider?

Mellomspill fra Norge

I årene som fulgte, antok de fleste forskere at Λ var lik null.

Likevel var det noen som insisterte på at inntil vi har observasjoner som viser at den faktisk er null, må konstanten tas med i ligningene for å undersøke alle modeller av universet som er mulige.

De norske astronomene Sjur Refsdal, Rolf Stabell og Jan-Erik Solheim undersøkte modeller med en kosmologisk konstant forskjellig fra null, og de publiserte flere artikler om dette på 60-tallet.

Interessen for konstanten vokser

På begynnelsen av 90-tallet begynte flere astronomer å interessere seg for modeller med Λ. Det var nemlig kommet andre typer observasjoner som var enklere å forklare med konstanten enn uten.

Et stort galaksekart som målte den todimensjonale fordelingen til mange galakser, så ut til å passe dårlig med den daværende favoritt-universmodellen til mange, Einstein-deSitter-modellen, en modell med Λ=0.

Med Λ forskjellig fra null kunne man lage modeller som så ut til å passe bedre med observasjonene.

Forskerne begynte også å få bedre kontroll på verdien av den såkalte Hubble-konstanten, H, som bestemmer universets alder. Den nye verdien av H så ut til å passe dårlig med modeller uten kosmologisk konstant. Man hadde målt alderen på kulehoper av stjerner som var minst elleve milliarder år gamle, men uten en kosmologisk konstant forskjellig fra null var det rett og slett vanskelig å lage modeller der universet var så gammelt.

• Les også: Derfor ble Einstein en superstjerne

Lambda i ny drakt

I 1998 kunngjorde to uavhengige forskergrupper at de hadde kommet frem til observasjoner som tydelig viser at universet ikke bare utvider seg, men at det utvider seg fortere og fortere.

Tenk deg at du kaster deg utfor et stupebrett, men i stedet for å falle mot vannet, oppdager du at du fyker til himmels – da har du en anelse om hvor overraskende dette var.

Den mystiske, frastøtende kraften som forårsaker den akselererende utvidelsen, kalles mørk energi. I lys av disse og senere observasjoner som bekrefter bildet av et akselererende univers, har den kosmologiske konstanten fått en renessanse i ny fortolkning.

Lambda kan forklare den mørke energien

– Hva er sammenhengen mellom den kosmologiske konstanten og mørk energi?

– Dersom verdien av Λ er stor nok, vil den frastøtende gravitasjonskraften være større enn kreftene som forsøker å bremse ned utvidelsen av universet, forklarer Elgarøy. 

– Den kosmologiske konstanten kan altså være forklaringen på at universets utvidelse akselererer.

Mørk energi er en sekkebetegnelse på alle mulige modeller som astronomene kan lage og som kan forklare den akselererende utvidelsen av universet. Den kosmologiske konstanten er den enkleste av alle disse modellene.

– Så nå er den kosmologiske konstanten tilbake i varmen?

– Nå er Λ en av mange mulige modeller for den mørke energien. Det er den enkleste modellen og kanskje den mest naturlige, og foreløpig passer den med alle våre observasjoner, sier Elgarøy. 

– Men det er likevel uløste problemer knyttet til den kosmologiske konstanten.

• Les også: Galileo lagde ikke galileotermometeret

Problemet med en kosmologisk konstant

Hvorfor ser forskerne etter andre løsninger på akselerasjonen av universet enn en kosmologisk konstant, når den er den enkleste modellen som passer med observasjonene? Fordi den kosmologiske konstanten har med seg problemer som forskerne ennå ikke har klart å løse.

– Vi har nemlig en slags forståelse av hva den kosmologiske konstanten er, forklarer Elgarøy.

– Den er energien det tomme rom, vakuum, har på grunn av såkalte kvantemekaniske nullpunktsvingninger. Og når vi forsøker å regne ut hvor stor den kosmologiske konstanten skal være i henhold til teorien, er resultatet deprimerende. Den teoretiske verdien er nemlig en faktor 1055, et 1-tall med 55 nuller bak, større enn verdien som trengs for å forklare observasjonene av universets akselererende utvidelse.

En slik uoverensstemmelse mellom ulike måter å beregne verdien til den kosmologiske konstanten på er ikke spesielt tilfredsstillende for forskere. Derfor er det i dag en lang rekke astrofysikere som arbeider med alternative modeller for mørk energi enn en kosmologisk konstant.

Einsteins siste smil

Når vi får data fra satellitten Euclid, som etter planen skal sendes opp i rommet sent i 2020, kan vi teste de alternative modellene for mørk energi bedre. Euclid er et romteleskop som skal observere galakser over et stort område på himmelen. Målet er å fotografere opp mot én milliard galakser og å registrere lysspekteret til flere titalls millioner av dem.

– Med dataene fra Euclid vil vi kanskje få vite om den mørke energien kan forklares med en kosmologisk konstant eller om vi kan ta den bort igjen så Einstein kan smile i graven, avslutter Elgarøy.