Det har blitt kalt «krisen i kosmologien». Dette beskriver et fundamentalt problem i teorien som forskerne bruker for å beskrive hvordan universet har utviklet seg siden begynnelsen – og hvordan det vil se ut i framtiden.

Det handler om hvor fort universet utvider seg.

LES OGSÅ

Her ser Hubble en manet-galakse i all sin prakt

Hubbles lov

Tallet for dette kalles Hubbles konstant, oppkalt etter astronomen Edwin Hubble.

Problemet er at forskjellige metoder gir forskjellige svar på hvor fort denne utvidelsen skjer. De burde egentlig gi omtrent det samme svaret.

Metodene er kompliserte, og vi skal gå nærmere inn på hvordan dette regnes ut. Men nå presenteres en ny, uavhengig metode i tidsskriftet Science.

Den går ut på å se på digre stjerneeksplosjoner – supernovaer – gjennom gravitasjonslinser. Et fenomen som er så eksotisk at Albert Einstein selv ikke trodde at det ville bli oppdaget.

Ved hjelp av denne metoden kan man finne ut hvor langt lyset fra supernovaen har reist for å nå oss. Dette kan brukes i et større regnestykke som viser hvor fort universet utvider seg.

Men hvor ligger uenigheten i dag?

Universets utvidelse

Edwin Hubble var blant de første som noterte at fjerne galakser beveger seg vekk fra oss i en kjempehastighet - i alle retninger. Jo lenger unna de er, desto fortere er de på vei unna oss.

Dette kalles Hubbles lov, og hastigheten er beskrevet med Hubbles konstant. Effekten kommer av at selve rommet utvider seg - men i hvilken hastighet skjer dette?

Det er et spørsmål som forskere har prøvd å besvare i flere tiår, og til nå er det samlet sammen to forskjellige beregninger med høy sikkerhet. Men de er ikke like, og spriket er så stort at det sannsynligvis er noe annet som foregår her.

En måte å regne ut utvidelsen på

Enten er det noe galt med en eller begge målinger eller så er det noe fundamentalt som ikke er med i beregningene. Du kan lese mer om hvordan dette kanskje kan forklares på forskning.no.

For å regne ut hvor fort universet utvider seg, trenger du egentlig bare å vite to ting, forklarer astronom Håkon Dahle.

– Avstanden til noe og hvor fort det beveger seg.

Han er forsker og jobber blant annet med å undersøke svært fjerne og gamle ting i universet.

Dette kan for eksempel være en galakse som er veldig langt unna. Dahle påpeker at det er relativt enkelt å regne ut hvor fort noe beveger seg, siden man kan måle hvor rødforskjøvet lyset som kommer fra en galakse er.

Denne rødforskyvningen forteller noe om hvor fort en lyskilde beveger seg bort fra oss.

LES OGSÅ

Ny James Webb-oppdagelse kan endre vitenskapen, ifølge forsker. – Min første tanke var at vi hadde gjort en feil

Hva med avstand?

Men avstand er mye vanskeligere. En av metodene som brukes i dag, kalles den kosmiske avstandsstigen.

Den går ut på å kartlegge visse typer stjerner og supernovaer som har en antatt lik lysstyrke. Supernovaer er gigantiske stjerne-eksplosjoner.

Med denne standard-lysstyrken kan man dermed anslå avstanden til andre stjerner og supernovaer som ligger stadig lenger unna i galakser lenger og lenger unna.

Den andre kjente metoden tar utgangspunkt i det eldste lyset som noen gang er målt: den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Den er målt ved hjelp av Planck-satellitten, og lyset stammer fra rundt 400.000 år etter Big Bang.

Et uoppklart mysterium

Denne bakgrunnstrålingen avdekker noen strukturer i universet som kan si noe om hvordan universet utviklet seg i ettertid. Når forskerne ser på bakgrunnsstrålingen sammen med teorier om universets utvikling, kan de konkludere med hvor fort utvidelsen må skje.

Men disse to metodene er ikke i samsvar med hverandre. Den kosmiske avstandsstigen gir et anslag på rundt 73 kilometer per sekund per megaparsec.

Megaparsec er et ekstremt stort avstandsmål og tilsvarer over tre millioner lysår. Dette anslaget betyr at for hvert 3,3 millioner lysår man beveger seg vekk fra jorden, så øker ekspansjonen med rundt 73 kilometer i sekundet.

Det andre anslaget fra Planck-målingene ligger på omtrent 67 kilometer per sekund per megaparsec.

Denne forskjellen høres liten ut, men det er altså et uoppklart mysterium som foreløpig ikke har noen gode svar. Du kan lese mer om bakgrunnen for den såkalte «krisen i kosmologien» på forskning.no.

«Norsk» supernova

Men her kommer uavhengige metoder inn, slik som den som beskrives i den nye Science-artikkelen. Denne metoden går ut på å se på noe svært langt unna gjennom såkalte gravitasjonslinser.

Dette er store mengder materie, som for eksempel en galakse, som bøyer lyset fra et lyssterkt objekt som ligger bak galaksen.

Ifølge den generelle relativitetsteorien burde dette være mulig, men Einstein selv trodde ikke at gravitasjonslinser kom til å være synlige. Han tok grundig feil, og de har vist seg å være vanlige og har blitt viktige for å forstå blant annet mørk materie, som du kan lese mer om her.

I den nye studien har forskerne målt lyset fra en supernova som går gjennom en gravitasjonslinse - en svært massiv samling med flere galakser.

Denne supernovaen kalles Supernova Refsdal - oppkalt etter den norske astronomen Sjur Refsdal (1935-2009). Det blir anslått at supernovaen skjedde for mer enn 9,3 milliarder år siden.

– Sjur Refsdal fant opp denne metoden i 1964, lenge før man hadde funnet noen gravitasjonslinser, sier Håkon Dahle.

Supernovaen ble oppdaget i 2014. Det er den første kjente supernovaen som er gravitasjonslinset, slik at det dukker opp flere bilder av den samme supernovaen. Derfor ble den oppkalt etter Sjur Refsdal.

Refsdal oppfant altså metoden hvor man kan bruke lyset fra supernovaer som går gjennom gravitasjonslinser for å blant annet kunne beregne Hubble-konstanten.

Nesten 60 år senere har ideen blitt brukt til faktisk å beregne Hubbles konstant, men hvordan funker det?

Gravitasjonslinse

For å lage en gravitasjonslinse, trengs det svært mye masse. Denne massen kommer både fra mørk materie og fra milliarder på milliarder av stjerner som er samlet i galakser.

Disse tyngdekreftene vrir og bøyer lyset fra supernovaen som ligger bak galaksene. Dette fører til at at bilder av den samme supernovaen dukker opp på flere forskjellige steder på andre siden av galaksene.

Lyset fra den samme supernovaen tvinges til å ta forskjellige veier, og du ender opp med flere bilder av den samme supernovaen.

– Her har du et geometrisk system hvor du vet vinklene og formene og hvordan lyset reiser gjennom systemet, sier Dahle.

Når du har denne informasjonen, er det for eksempel mulig å regne ut avstanden til supernovaen bak. Rødforskyvningen til supernovaen og galaksene foran kan fortelle oss hvor fort disse tingene er på vei unna oss.

Men når lyset bøyes av og tar forskjellige veier, er det også en tidsforskyvning mellom bildene. Når lyskilden varierer på en forutsigbar måte, som en supernova, kan forskerne bruke dette til å gjøre mer presise anslag på hvor langt lyset har måttet reise, og dermed mer presise anslag på avstanden.

Stjerne-eksplosjonen dukket opp igjen

Denne supernovaen dukket opp i 2014, for så å forsvinne igjen. En supernova er et kortvarig lysblaff hvor en svært massiv stjerne eksploderer.

Men det pussige er at datamodeller av systemet viste at det kom til å komme fram et nytt bilde av supernovaen ett år senere på grunn av utformingen av gravitasjonslinsene.

Dette stemte, og i 2015 dukket det fram et nytt bilde av supernovaen. Og astronomene fikk se den igjen.

Håkon Dahle forklarer at forskerne har brukt tiden siden den gang på å gjøre modellene bedre og mer presise. Nå mener de å ha et godt nok estimat til å kunne regne ut Hubble-konstanten.

Ingen avklaring

Forskerne kommer fram til en Hubble-konstant på rundt 65 kilometer per sekund per megaparsec. Men feilmarginene er store.

Håkon Dahle mener at den lener mot målingene som er basert på den kosmiske bakgrunnstrålingen, men ingenting er avklart ennå.

Usikkerhetene er mye større ved dette nye anslaget, og Dahle mener det må letes etter flere supernovaer som går gjennom gravitasjonslinser, slik at metoden kan brukes på et større datagrunnlag.

Når forskerne baserer utregningen på ett tilfelle av en supernova gjennom gravitasjonslinser, kan også mulige upresisheter forstyrre resultatene, mener Dahle.

Han jobber med en lignende metode som også kan brukes for å estimere Hubble-konstanten, nemlig å se på kvasarer gjennom gravitasjonslinser. Dette er ekstremt lyssterke objekter som kan måles på noe av samme måte som supernovaene i denne artikkelen. Lysstyrken fra kvasarer er mer uforutsigbare og må observeres over lengre tid, forteller Dahle.

Referanse:

Kelly mfl: Constraints on the Hubble constant from Supernova Refsdal’s reappearance. Science, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.abh1322. Sammendrag

LES OGSÅ

Her kan det bli planeter og liv om noen millioner år