Forskere har nå funnet all den synlige massen – men hvor er resten av universet?

Astronomene lette i 20 år. Nå har de funnet alt den synlige massen i universet, men det betyr bare at jakten fortsetter på de resterende 95 prosentene, som er usynlige, og et nytt teleskop skal fokusere på den største biten: mørk energi.

Astronomene lette i 20 år. Nå har de funnet alt den synlige massen i universet, men det betyr bare at jakten fortsetter på de resterende 95 prosentene, som er usynlige, og et nytt teleskop skal fokusere på den største biten: mørk energi.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

I mørket mellom universets galakser er det tomt. Nesten. Tynne skyer av hydrogengass svever rundt her, men de er ikke synlige, selv ikke med de sterkeste teleskopene i verden. Skyene er så tynne at det bare er noen få atomer i et volum på flere kubikkmeter. Men skyene sprer seg over mange milliarder kilometer, og hvis all massen legges sammen, kommer man fram til et spesielt tall – faktisk et tall som får et 24 år gammelt regnestykke til å gå opp.

Omkring halvparten av all vanlig, synlig materie – stjerner, planeter, støv, gasser – har unnveket forskernes teleskoper siden det i 1997 ble beregnet hvor mye vi burde kunne observere. Inntil nå: For massen i hydrogenskyene svarte akkurat til den manglende massen.

Og nå vender astronomene blikket mot universets mørke energi, som utgjør hele 68 prosent av det. Med 5000 spesialkonstruerte lysledere på et teleskop i USA begynner innsamlingen av lys fra 35 millioner galakser, og resultatene kan løse den største gåten i den moderne kosmologien.

© SHUTTERSTOCK & KEN IKEDA MADSEN

Det meste av universet er mørkt

Ifølge kosmologiens standardmodell består universet av tre hovedingredienser: mørk energi, mørk materie og vanlig materie. Vanlig materie, som er det vi kan observere, utgjør bare 4,9 prosent. Forskere har gjennomført mange avvikende målinger av universets utvidelseshastighet, og det skyldes kanskje at det er noe ved det usynlige universet – mørk energi (68,3 prosent) eller mørk materie (26,8 prosent) – som fysikerne ikke forstår godt nok.

Radioglimt avslører skjulte gasser

Alt det vi kan se, ta på og lukte, består av vanlig materie – de atomene og molekylene vi møter til daglig. Det samme gjelder i resten av universet, men der ute er det vanskeligere å finne håndfaste beviser på at atomene og molekylene er til stede. I flere tiår har forskerne prøvd å kartlegge all den synlige materien i universet.

De om lag 200 milliarder kjente galaksene inneholder 14 prosent av den synlige massen som ifølge astronomiske regnemodeller bør finnes der ute. Dessuten har astronomene funnet gasskyer mellom galaksene i galaksehopene samt gasskyer mellom hopene. Men fortsatt har opptil 50 prosent av den synlige massen siden 1997 stadig gjemt seg for teleskopene.

Astronomer har lenge hatt en mistanke om at massen er skjult i ekstremt tynne skyer av hydrogengass som holder en temperatur på flere millioner grader, og som finnes i store lommer av tomrom mellom galaksehopene. Men teleskopene kunne ikke se gassene.

På grunn av varmen er hydrogenatomene ioniserte: Protonet i atomkjernen og det enslige elektronet er løsrevet fra hverandre i en såkalt plasma. Det gjør hydrogenatomene usynlige fordi de ikke lenger er atomer som kan ta opp og sende ut lys.

Men de fritflygende elektronene kan likevel påvirke lys som går gjennom hydrogenskyene. Når lysbølgene beveger seg gjennom hydrogenplasma, spres bølgene av de frie elektronene på samme måte som l et prisme.

Med den kunnskapen kunne forskere fra USA og Australia analysere de såkalte raske radioglimtene. Astronomer er ikke sikre på hvor glimtene kommer fra, men den ledende teorien er at de stammer fra magnetarer, altså nøytronstjerner med svært sterke magnetfelt. Glimtene, som varer noen få milliondeler av et sekund, kan sende ut like mye energi som det solen gjør på 80 år.

Det synlige univers er et kosmisk spindelvæv. De stærkt lysende prikker repræsenterer galaksehobe. De praktisk talt usynlige brintgasser er fundet i de mørke områder mellem trådene i spindelvævet.

© The Millennium Simulation Project

Forskerne har observert de energirike glimtene som når fram til jorden i form av radiobølger, ved hjelp av 36 koordinerte radioteleskoper i Australia kalt Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP). Radiobølger med lange bølgelengder brytes kraftigere av de frie elektronene enn radiobølger med korte bølgelengder og forsinkes derfor mest. Den forskjellen har ASKAP-teleskopene registrert.

Tidsforskyvningen mellom glimtenes bølgelengder samt avstanden til kilden kan brukes til å regne ut massen av de glovarme hydrogenskyene som radiobølgene har gått gjennom, og resultatet av den utregningen ble et ekte eurekaøyeblikk for forskerne: Det svarte nettopp til den massen som hadde vært umulig å påvise siden 1997.

© NOIRLab/KPNO/NSF/AURA/P. Marenfeld

Teleskop skal finne mørk energi i galaksebevegelser

5000 lysledere samler inn lys fra 35 millioner galakser og finner hastigheten over 11 milliarder år. Det vil vise om mørk energi er konstant eller varierende, og dermed gi en indikasjon på hva den består av.

Synsfelt svarer til 38 fullmåner

Lyset som fanges inn av teleskopets fire meter store hovedspeil, samles øverst i teleskopet, i et instrument som kalles DESI. DESI fanger opp lyset fra 5000 galakser i ulike avstander i tid og rom innen et område som svarer til 38 ganger en fullmånes areal på himmelen.

© DESI Collaboration

Galaksenes lys fanges av 5000 lysledere

Lyset fra galaksene traff et «flueøye» med 5000 lysledere som på forhånd er stilt inn på galaksenes posisjoner. Lyslederne kan snus og vendes med robotmotorer, og derfor kan DESI på få minutter gjøres klar til å observere et nytt område på himmelen.

Kabler sender lys fra ledere til spektrometer

En 50 meter lang kabel sender lyset ned til ti såkalte spektrometre som måler lysets styrke og bølgelengde. Jo lenger unna en galakse er, jo svakere lyser den, og jo mer er bølgene strukket ut på grunn av universets utvidelse. Derfor er lyset fra de fjerneste galaksene rødere.

© DESI Collaboration

Bølgelengder viser universets utvidelse

Analysen av bølgelengder viser også hastigheten på utvidelsen, for jo mer bølgelengdene er strukket ut siden lyset fra en galakse ble sendt ut, jo raskere har universet vokst. Dermed kan forskerne avgjøre om styrken til den mørke energien har vært konstant i universets historie.

Flueøye jakter på mørk energi

Forskere i hele verden har jublet over at den manglende massen endelig er funnet. Men jubelen har raskt blitt til arbeidsiver: Nå er det på tide å kartlegge resten av universet.

26,8 prosent av universets masse er såkalt mørk materie. Den har aldri vært observert direkte, men astronomene vet at den finnes. Galaksehopene roterer så raskt at galaksene hadd blitt slynget ut i alle retninger hvis ikke en mørk usynlig masse holdt dem fast med tyngdekraften. Vanlig materie og mørk materie trekker på hverandre via tyngdekraften og har gått hånd i hånd siden universets barndom, da klumper av mørk materie trakk på de hydrogengassen som fødte de første galaksene. Uten mørk materie hadde altså ikke galaksene eksistert i dag.

Mørk materie utgjør 85 prosent av den samlede massen i galakser og galaksehoper, mens alt det vi kan se, bare utgjør 15 prosent av massen.

Universets største puslespillsbrikke er imidlertid mørk energi. Lenge mente astronomene at universets utvidelse måtte begynne å bremse opp fordi tyngekraften med tiden ville stanse universets utvidelse og «trekke» allting sammen igjen.

Men i 1998 gjorde to forskergrupper, som mottok nobelprisen i fysikk for funnene sine, en revolusjonerende oppdagelse. Hvis universets utvidelse langsomt holdt på å bli stanset av tyngdekraften, ville fjerne supernovaer bevege seg langsommere og langsommere vekk fra oss.

Men i stedet viste observasjoner at de fjerne supernovaene beveger seg raskere og raskere. Universets utvidelse akselererer. Og kraften som akselererer utvidelsen, kalte forskerne mørk energi.

Enda mer forbløffende var det at forskerne slo fast at energien utgjør 68,3 prosent av universet. Ifølge Einsteins relativitetsteori svarer energi til masse. Kort fortalt sier teorien at masse kan gjøres om til energi og omvendt. Når en vedkubbe brenner, blir litt av massen gjort om til energi. Og når forskere i forsøk har gjort om to fotoner, som ikke har noen hvilemasse, til et elektron og et positron, er fotonenes energi gjort om til masse.

Det er med andre ord for astrofysikere underordnet at vi snakker om mørk «energi» – kraften svarer samtidig til 68,3 prosent av universets masse. Men vi aner ikke hva den frastøtende kraften er, eller hvordan den virker.

Heldigvis står et nytt instrument klart til å undersøke den mørke energien. Det heter Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Fram til 2025 skal DESI kartlegge bevegelsene til 35 millioner galakser gjennom 11 milliarder år. DESIs «objektiv» er et såkalt flueøye, som består av 5000 optiske fibre.

Teleskopet retter seg mot ett område om gangen – et område der forskerne fra tidligere observasjoner vet at det finnes galakser som kan observeres. For hvert område justeres hver av de 5000 fibrene slik at hver fiber i prinsippet kan observere en galakse hver. Hvert område som de 5000 fibrene observerer, fyller et område på himmelen som er 38 ganger så stort som fullmånen.

Dermed kan DESI fange opp lys fra om lag 5000 nye galakser hvert 20. minutt. Lysmålingene blir sendt fra flueøyet ned til en rekke såkalte spektrografer som måler lysets ulike bølgelengder – og dermed farger. Jo rødere lyset blir, jo mer har lyset blitt strukket ut på vei hit fra fjerne galakser.

Omfanget av lysets utstrekning viser forskerne to ting: Hvor langt unna galaksene er fra oss, og hvor raskt galaksene beveger seg vekk fra oss.

Slik kan forskerne ta det første skrittet mot å avdekke den mørke energien, nemlig å fastlegge om den er konstant, eller om den varierer.

Studier tyder foreløpig på at den er konstant, slik at et tomrom med et gitt volum alltid inneholder samme mengde mørk energi. Da den mørke energien for fem–seks milliarder år siden satte fart på universets utvidelse, skyldtes det at tomrommet hele tiden vokser på grunn av universets utvidelse.

Men de siste årene har kosmologer også gjort enkelte omdiskuterte observasjoner som kan peke i den andre retningen: at den mørke energien varierer og «skrudde opp» styrken da universets utvidelse begynte å akselerere. Hvis den mørke energien er konstant, skapes den av virtuelle partikler som blir skapt og forsvinner igjen stort sett med det samme.

Men hvis energien varierer, kan den kanskje bestå av ukjente kraftpartikler. Hvis forskerne kan løse den gåten, vil det være den største revolusjonen i kosmologien på mer enn tjue år – og et gigantisk skritt i retning av å forstå all massen i universet.