Kosmisk smil plager forskerne: Universet er klumpete

Er universet helt ensartet overalt, eller er det klumper i suppen? I hundre år har astronomene vært overbevist om det første, men en ekstremt lang galaksehop får nå teorien til å vakle.

Er universet helt ensartet overalt, eller er det klumper i suppen? I hundre år har astronomene vært overbevist om det første, men en ekstremt lang galaksehop får nå teorien til å vakle.

Patrick Gaulme/SDSS/Shutterstock

Uansett hvilken retning vi retter teleskopene våre, ser universet noenlunde likt ut, og så lenge vi zoomer nok langt ut, er galaksene jevnt fordelt overalt. Det er de grunnantakelsene kunnskapen vår om universet hviler på, så da den britiske astronomistudenten Alexia Lopez oppdaget en tynn rekke av galakser som strakte seg helt fra øst til vest på et bilde av himmelrommet, sperret hun opp øynene. Det så ut som om universet smilte til henne.

Som student ved University of Central Lancashire i Storbritannia var Lopez i gang med å lete etter mønstre i fordelingen av galakser som er milliarder av lysår fra jorden. Og da hun zoomet ut og betraktet et enda større utsnitt av himmelen, gikk hun fra å være overrasket til å bli direkte sjokkert.

Hun hadde funnet en absurd stor og nesten symmetrisk bue av galakser som strekker seg over 3,3 milliarder lysår – en av de absolutt største strukturene vi så langt har oppdaget i universet. Den gigantiske buen er om lag 9,2 milliarder lysår unna, og hvis vi kunne se den med det blotte øye, ville den strekke seg like langt på himmelen som 20 fullmåner ved siden av hverandre.

Oppdagelsen er bemerkelsesverdig fordi så store strukturer strider mot det kosmologiske prinsippet som beskriver universets oppbygning og dikterer at ingen deler av universet ser annerledes ut enn andre deler.

20 fullmåner lang ville den gigantiske buen være hvis vi kunne se den på himmelen med det blotte øye.

Den smilende buen er med andre ord så stor at den ikke burde være der, og det utfordrer fysikernes teori om hvordan universet har utviklet seg, så universet er kanskje ikke så gammelt som vi har trodd.

Materien burde være jevnt fordelt

I mer enn hundre år har astronomene jobbet ut fra antakelsen om at universet er homogent og isotropisk. Det vil si at materien er jevnt fordelt på store nok skalaer, og at universet ser likt ut i alle retninger.

Ved første øyekast ut kan det høres merkelig ut at fysikerne antar at universet er en ensartet masse. Vi kan tydelig se at det ikke er tilfellet, bare ved å betrakte oss selv.

Ifølge det kosmologiske prinsippet er universet homogent på den store skalaen – altså at materien er jevnt fordelt overalt – og isotropisk – altså at det ser likt ut i alle retninger.

© Shutterstock

Som mennesker har vi en høyere stofftetthet enn luften rundt oss, og vi bor et sted i universet der stoffet har samlet seg til en steinplanet omgitt av tomrom. Den går i bane rundt et annet kuleformet objekt med høy tetthet, nemlig solen.

Solsystemet er en del av en galakse som er én blant milliarder av stjerneansamlinger i universet, så det virker ikke som om materien er jevnt fordelt i universet.

Likevel sier det kosmologiske prinsippet at tettheten i én del av universet ikke bør være høyere enn i en annen del. Hvis man zoomer nok ut, vil materien være jevnt fordelt og ikke klumpe seg sammen.

Fysikerne forenklet universet

Galaksen vår, Melkeveien inneholder mellom 100 og 400 milliarder stjerner, og mange har tilhørende planeter. Og Melkeveien er bare én av et par billioner galakser i det synlige universet. Galaksene går i bane rundt hverandre i galaksehoper som igjen kan være samlet i superhoper.

Ifølge det kosmologiske prinsippet kan det gjerne være store hoper av galakser, men når materien skal være jevnt fordelt, er det en grense for hvor store strukturene kan være. Ved hjelp av avansert matematikk kan grensen beregnes til 1,2 milliarder lysår noe som svarer til 11 000 milliarder milliarder kilometer. Men den gigantiske buen som Alexia Lopez har oppdaget, er nesten tre ganger så stor.

Hvis det kosmologiske prinsippet ikke holder, må forskerne revurdere selve den kosmologiske standardmodellen som er basert på Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915.

Relativitetsteorien forteller at tyngdekraften kan forstås som en krumming av romtiden som forårsakes av den materien – eller mer generelt den energien – som er til stede rundt omkring i universet.

Einsteins ligninger er uhyre vanskelige å ha med å gjøre, men i 1920-årene og 1930-årene klarte likevel fysikerne Aleksandr Friedmann, Georges Lemaître, Howard P. Robertson og Arthur G. Walker å regne ut hvordan relativitetsteorien kan brukes til å beskrive hele universet.

Bragden var imidlertid bare mulig fordi de fire fysikerne betraktet universet som en jevn suppe av partikler. Bare ved å lukke øynene for at materien faktisk klumper seg sammen, kunne de utvikle en modell for universet.

Det kosmologiske prinsippet gjorde rett og slett Einsteins ligninger lettere å jobbe med, men rent intuitivt gir det også god mening at universets utvidelse må ha fordelt stoffet noenlunde jevnt overalt.

«Buen er så stor at den er vanskelig å forklare med våre nåværende teorier.» Astrofysiker Alexia Lopez, University of Central Lancashire

Helt siden den gang har astrofysikerne tatt utgangspunkt i denne forholdsvis enkle modellen for universet, men problemet er at de etter hvert har funnet mange strukturer som ser ut til å bryte med det kosmologiske prinsippet.

3D-kart avslører store strukturer

De enorme samlingene av galakser blir bare synlige når store deler av universet kartlegges i tre dimensjoner. Den mest omfattende kartlegging er Sloan Digital Sky Survey, som er resultatet av to tiår med datainnsamling ved hjelp av et teleskop i New Mexico i USA.

Den enorme katalogen over millioner av galakser og kvasarer – galaksekjerner som sender ut kraftig stråling – kan all verdens astronomer utforske, og det er ikke minst her de har funnet noen av de største strukturene i det synlige universet.

Allerede i 2003 kunne kartleggingen avsløre en 1,37 milliarder lysår lang «mur» av galakser som nå kalles Sloan Great Wall – en rekke av superhoper om lag en milliard lysår unna.

Hvis Sloan Great Wall hadde vært en enslig svale, kunne det kosmologiske prinsippet ha overlevd, men etter hvert er det funnet en håndfull strukturer av galakser eller kvasarer med en enda større utstrekning, inkludert den smilende buen som også ble funnet ved hjelp av data fra Sloan Digital Sky Survey.

© Shutterstock

Magnesium avslørte gigantisk bue

En ny metode for å finne fjerne galakser gjorde det mulig for Alexia Lopez å finne den gigantiske buen på himmelen. Galaksene er så langt unna at de knapt kan ses i vanlige teleskoper, men lyset fra tusenvis av enda fjernere galakser, kvasarer, gjorde det mulig å finne dem.

Kvasarer sender ut lys

Fjerne kvasarer, galaksekjerner som sender ut mye stråling, blant annet lys, ut i universet, også i retning av jorden. Lyset sendes ut i alle mulige bølgelengder.

Magnesium absorberer lyset

I gassen i og rundt galaksene mellom kvasarene og jorden er det magnesium som absorberer lys fra kvasarene ved to bestemte bølgelengder.

Bølgelengder avslører galaksene

Lopez fant de ellers usynlige galaksene i den gigantiske buen ved å se på hvor magnesium-bølgelengdene manglet i lyset fra kvasarene.

Kjempestrukturene tyder altså på at den kosmologiske standardmodellen trenger en overhaling, og fysikerne har flere forslag til hvordan den eventuelt kan forbedres.

Noen forsøker å utvikle en heterogen kosmologi og ser på hvordan det påvirker universets utvikling hvis man medregner strukturene. Kanskje vil ikke de største strukturene være noe problem i en slik modell for universet.

Andre jobber med en teori om at tyngdekraften over veldig lange avstander virker på en annen måte enn beskrevet av Einstein og dermed skaper et ujevnt univers.

En tredje angrepsvinkel er den mørke energien, en hypotetisk form for energi i selve det tomme rommet som får universet til å utvide seg stadig raskere. Mørk energi er en integrert del av den kosmologiske standardmodellen og beskrives som konstant. Men ifølge noen forskere varierer den kanskje i tid eller rom – eller så er den hypotetiske energien på ingen måte nødvendig for å beskrive universet.

En ny kosmologi kan endre på beregningene av universets utvidelse og dermed kanskje dateringen av det. Det kan bety at universet ikke er 13,8 milliarder år gammelt, som standardmodellen forteller oss.

Kosmologene er imidlertid fortsatt ikke klare til å avskrive det kosmologiske prinsippet. Før de skroter den velprøvde teorien, etterspør de et mer presist kart over det synlige universet. Det skal vise flere detaljer av de store strukturene som allerede er funnet, og avsløre om det er flere der ute.

Her er det heldigvis håp, for allerede i desember 2023 starter en helt ny og veldig omfattende kartlegging av universet ved hjelp av det store, nyoppførte Vera C. Rubin Observatory i Chile. Teleskopet vil gi astronomene mye mer detaljerte bilder av mer enn halvparten av himmelrommet, og de vil dessuten kunne se mye lenger tilbake i tid.

Den grundige kartleggingen vil vise om det fortsatt gir mening å betrakte universet som en jevn suppe, eller om det er klumper i suppen. Hvis nattehimmelen – i den store skalaen – ikke er lik uansett hvilken planet vi står på, og hvilken retning vi ser i, er det på tide med en ny modell for universet.