Når den europeiske romfartsorganisasjonen ESA skyter opp romteleskopet Euclid om fem år, har astrofysikerne store forhåpninger om å avkle noen av hemmelighetene til mørk materie og mørk energi. (Illustrasjon: ESA)
Når den europeiske romfartsorganisasjonen ESA skyter opp romteleskopet Euclid om fem år, har astrofysikerne store forhåpninger om å avkle noen av hemmelighetene til mørk materie og mørk energi. (Illustrasjon: ESA)

Skanner flere milliarder galakser

Skanning av mange milliarder galakser kan forhåpentligvis løse den store gåten om mørk materie og mørk energi.

Publisert

Når den europeiske romfartsorganisasjonen ESA skyter opp romteleskopet Euclid om fem år, har astrofysikerne store forhåpninger om å avkle noen av hemmelighetene til mørk materie og mørk energi.

Bare fire prosent av innholdet i universet er synlig. Nesten hele universet består av mørk materie og mørk energi.

Den eneste måten å observere denne mørke delen på er å regne seg frem til hvordan ulike krefter, slik som gravitasjonskraften, påvirker bevegelsene til den synlige massen i universet.

Euclid skal derfor skanne himmelen bit for bit og avfotografere og finne 2000 egenskaper til hver eneste synlige galakse. Hver galakse består av mellom ti millioner og hundre tusen milliarder stjerner.

Selv om forskerne regner med å finne mellom fem og femten milliarder galakser, er dette likevel bare en liten brøkdel av alle galaksene i universet. De fleste er så langt unna at de aldri vil bli mulig å observere. Mange av galaksene er så lyssvake at teleskopet må bruke svært lange eksponeringstider.

Det finnes en rekke hypoteser om mørk materie og mørk energi. Astrofysikere er avhengige av enorme mengder med data for å kunne avsanne eller bekrefte dem. Poenget deres er å kunne skille dem gjennom ørsmå variasjoner i de statistiske beregningene.

Frastøtende gravitasjon

Universet har de siste milliarder årene utvidet seg stadig raskere. Det betyr at de galaksene som er lengst borte fra vår hjemlige galakse, Melkeveien, beveger seg langt raskere vekk fra oss enn de nærmere galaksene.

– Denne utvidelsen er en av astrofysikkens gåter. Tyngdekraften burde ha fungert som en brems som hadde fått utvidelsen til å gå saktere. Det må altså finnes et stoff eller en type energi i universet som fungerer som en frastøtende tyngdekraft, sier senioringeniør Stein Vidar Hagfors Haugan på Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.

En av de mest spenstige teoriene om hvorfor universet utvider seg, er teorien om vakuumenergien. Ifølge Einsteins relativitetsteori fører denne energien til frastøtende gravitasjon. Vakuumenergien er den energien som blir igjen i et område når all materie og energi som er mulig å bli kvitt, er blitt fjernet.

– Hvis vakuumkraften vinner over gravitasjonskraften, vil ting skyves raskere og raskere fra hverandre, men det må være en viss avstand mellom to enheter for at vakuumkraften skal vinne over gravitasjonskraften, sier Haugan.

Balansepunktet for når dette skjer, er avhengig av energitettheten i vakuumet. Hvis energitettheten endrer seg, vil også balansepunktet endre seg.

– Dette balansepunktet kalles den kosmologiske konstanten. Den regnes som et av fysikkens aller største mysterier og er den mest besnærende forklaringen på hvorfor universet utvider seg, forteller professor Per Barth Lilje på Astrofysisk institutt.

Hvis energitettheten stadig økes, kreves det mindre og mindre avstand mellom to gjenstander før de blåses fra hverandre.

Og her kommer et utrolig eksotisk tankescenario.

– Når avstanden mellom galakser er stor nok, blir de skjøvet fra hverandre. Om vakuumkraften blir sterkere, kan den skyve jorda bort fra sola. Blir den enda sterkere, kan menneskene skyves vekk fra jorda.

– Når grenseverdien blir enda mindre, vil de kjemiske bindingene i molekylene rives i stykker. Deretter presses elektronene bort fra atomkjernen, og etter hvert splittes alle atomkjernene opp, forklarer Haugan.

Vil eliminere teorier

Den store uenigheten mellom partikkelfysikere og astrofysikere, er hva energitettheten er i dag.

– Uenigheten dreier seg om en faktor på 10 opphøyd i 60, forteller Lilje.

Tallet er enormt og kan skrives som et ett-tall etterfulgt av 60 nuller.

Astrofysikere har allerede observert noe som ser ut som vakuumenergi, men observasjonene stemmer ikke med teorien. Og det finnes en mengde kompliserte teorier som forsøker å forklare den observerte vakuumtettheten.

Det er her det nye romteleskopet kommer inn.

– Vi håper at vi nå kan eliminere en mengde teorier som ugyldige. Og det er nettopp det forskning handler om: Du har en rekke teorier og trenger eksperimenter for å avkrefte flest mulig av dem. Hvis vi er heldige, står vi tilbake med bare én teori, sier Haugan.

En av de tingene astrofysikerne ønsker å finne ut av, er hvorvidt mørk energi faktisk er energitettheten av vakuum og om denne energitettheten i vakuum øker eller minker.

– Det finnes en rekke teorier om dette, og noen av dem er spekulative, men vi håper at målingene fra Euclid kan finne en eventuell variasjon eller i det minste sette et øvre tak på hvor stor denne effekten er. Selv om vi tror at denne effekten er veldig liten, kan vi ikke utelukke at den er der, sier han.

Mørk materie er derimot langt mindre eksotisk. Man antar at mørk materie er partikler som ikke reagerer med hverken elektroner, protoner eller fotoner. Den eneste måten mørk materie påvirker elektroner, protoner og fotoner, er via gravitasjon.

Klumper seg sammen

Stein Vidar Hagfors Haugan leder den norske delen av et internasjonalt team som skal sikre at de automatiske tolkningene av galakseobservasjonene blir riktige. (Foto: Yngve Vogt)
Stein Vidar Hagfors Haugan leder den norske delen av et internasjonalt team som skal sikre at de automatiske tolkningene av galakseobservasjonene blir riktige. (Foto: Yngve Vogt)

Gravitasjon fra mørk materie påvirker sammenklumpingen av all materie i universet. Derimot vil mørk energi, som kanskje skyldes vakuumtettheten, motvirke sammenklumpingen.

– Det samme gjelder utvidelsen av universet. Jo raskere det utvider seg, desto mindre er klumpingen, sier Haugan.

Gravitasjonen fra slike klumper bøyer lyset, slik at galaksene ser ut som om de er strukket ut. Jo mer klumping, desto større blir denne effekten.

– Ved å måle formen på galakser kan vi få informasjon om både vakuumtettheten, den mørke materien og utvidelseshastigheten. Men ettersom den effekten vi ser etter, er svært liten, trengs det flere milliarder målinger for å ha god nok statistikk til å bekrefte eller avkrefte de ulike teoriene, sier Haugan.

Måler galaksehastigheten

Når man observerer galakser som er svært langt unna, er det ikke nok å lete i det synlige lysspekteret. Teleskopet skal observere både synlig og infrarødt lys. Infrarødt lys er viktig i kosmologien.

Ettersom universet utvider seg, vil de galaksene som ligger lengst unna, bevege seg raskere fra oss enn de galaksene som ligger nærmere oss. Lyset til disse galaksene vil være forskjøvet mot rødt.

– Man må derfor også måle det infrarøde lyset. Forholdet mellom infrarødt og synlig lys kan derfor brukes til å måle avstanden til galakser, sier Haugan.

Infrarødt lys, som er usynlig for mennesket og nesten umulig å observere fra bakken, er i bunn og grunn varmestråler. Ettersom fuktigheten i luften vil absorbere det infrarøde lyset, må observasjonene skje utenfor atmosfæren.

Enorme datamengder

Teleskopet har to instrumenter. Et optisk kamera skal fotografere galaksene og bestemme formen på dem. Det andre instrumentet, som er en kombinasjon av et spektrometer og et fotometer, skal måle rødforskyvningen til en stor del av galaksene og måle hvor intenst lyset er ved ulike bølgelengder.

Med observasjoner av mange milliarder galakser blir det snakk om så store datamengder at de må fordeles over ti datasentre i Europa og analyseres der. Informasjonen som trekkes ut av bildene, skal lagres i en database på ett sted. Det er ennå ikke bestemt hvilken databaseløsning de skal velge. Systemet må fungere uten stopp 24 timer i døgnet, og det må være raskt å søke i databasen.

– Vi får så mange bilder at det blir helt umulig for mennesker å studere dem. Alt må lagres, kvalitetssikres og tolkes automatisk. Det er veldig vanskelig å finne ut av hvordan man gjør dette. Differansene mellom to teorier er veldig små. Gjør vi en liten feil i målingene av bildene, kan vi komme til et galt resultat. Det er det store problemet, forteller Haugan, som leder den norske delen av en internasjonal gruppe som skal sikre at resultatene blir riktige.

Selv om alle dataene skal behandles automatisk, er det viktig at noen ser på om dataene er tolket riktig.

– Vi får data som aldri tidligere er blitt observert. Hvis noe er klassifisert som en merkelig galakse, kan forklaringen være at det ligger en annen galakse rett bak. Vi kan forsøke å finne egenskaper som karakteriserer denne typen galakser og så grave i databasen etter galakser med lignende karakteristikker, sier Haugan.

Håper på svar innen 2026

Han og kollegaene ve Astrofysisk institutt skal være med på den vitenskapelige tolkningen av dataene.

– Vi håper at vi innen 2026 har funnet nye svar på mørk energi. Her er det to muligheter, sier Per Barth Lilje.

– Enten kan vi med en langt større sannsynlighet si at det er avvik fra den kosmologiske konstanten og at energitettheten endres med tiden, eller så finner vi ingen avvik. Finner vi avvik, har vi kommet et langt steg videre på veien til å forstå akselerasjonen i universet.