Universet har blitt skjevt

Én ting har astronomene lenge vært enige om: Universet er likt og utvider seg like raskt i alle retninger. Men nye målinger tyder på at noen områder av verdensrommet utvider seg raskere enn andre, og dermed må hele forståelsen vår av universet kanskje revideres.

Én ting har astronomene lenge vært enige om: Universet er likt og utvider seg like raskt i alle retninger. Men nye målinger tyder på at noen områder av verdensrommet utvider seg raskere enn andre, og dermed må hele forståelsen vår av universet kanskje revideres.

Claus Lunau

Tenk på det nyfødte universet som en liten, kulerund rosinbolle. Rosinene representerer såkornene til galaksehopene, og de er jevn fordelt i hele deigen. Under den senere hevingen utvider den kosmiske deigen seg med akkurat samme hastighet overalt.

Og rosinene, som nå har blitt til store galaksehoper, flytter seg vekk fra hverandre i alle retninger. Men de er fortsatt likt fordelt i bolledeigen.

Scenariet beskriver den standardmodellen som er grunnlaget for kosmologien, men nå har astronomer ved hjelp av romteleskopene XMM-Newton og Chandra X-ray Observatory funnet ting som tyder på at deigen i virkeligheten hever seg ujevnt.

Med andre ord fjerner ikke galaksehopene seg fra hverandre med samme hastighet overalt og er ikke jevnt fordelt i universet.

Oppdagelsen truer med å velte de to søylene kosmologien hviler på: at rommet utvider seg akkurat like raskt i alle retninger, og at mengden av galaksehoper er lik overalt, når universet observeres i tilstrekkelig stor skala.

© Shutterstock

Som om ikke det var nok, er en tredje av fysikkens fundamentale antakelser – at naturkreftene har akkurat samme styrke i hele universet – nå også begynt å vakle.

Ved å observere lyset fra fjerne kjempegalakser, de såkalte kvasarene, har australske astronomer funnet mulige tegn på at den elektro­magnetiske kraften varierer. Dermed risikerer fundamentet for alt det vi vet om universet, å falle sammen.

Eksplosjon satte i gang utvidelsen

Den moderne kosmologien ble født i 1929, da den amerikanske astronomen Edwin Hubble oppdaget at universet ikke var stillestående, som man hittil hadde trodd, men utvidet seg i alle retninger.

Og jo lenger vekk fra Melkeveien en fremmed galakse var, jo raskere flyktet den videre ut gjennom verdensrommet. Den erkjennelsen førte til utviklingen av big bang-teorien, som sier at all masse og energi i universet opprinnelig var konsentrert i et ufattelig lite punkt, som eksploderte og startet rommets fortløpende utvidelse.

Big bang-teorien er fortsatt kosmologiens fundament, og i dag er det bred enighet om at ureksplosjonen fant sted for 13,8 milliarder år siden.

Galaksehopene fjerner seg ikke like raskt overalt, viser nye røntgenmålinger. Spørsmålet er om hele universet utvider seg med den samme hastigheten. Kanskje er ikke den mystiske frastøtende kraften, mørk energi, likt fordelt i hele universet.

© Planck Collab/ESA

Massen var jevnt fordelt fra starten

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen ble sendt ut bare 380 000 år etter big bang og er et avtrykk av det unge universet. Studier av strålingen viser at massen den gangen var likt fordelt, og at universet utvidet seg i samme tempo i alle retninger.

© Claus Lunau

TEORIEN: Utvidelsen har samme fart overalt

Universet har utvidet seg helt siden det ble til for 13,8 milliarder år siden. Mange observasjoner tyder på at galaksehopene fortsatt er jevnt fordelt i verdensrommet, og at dagens univers fortsatt utvider seg med samme hastighet overalt.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

TEORIEN: Den mørke energien er like sterk overalt

Inntil for fem–seks milliarder år siden falt universets utvidelseshastighet, fordi tyngdekraften motvirket utvidelsen, men så begynte utvidelsen å skyte fart på grunn av en ukjent frastøtende kraft, mørk energi, som ifølge teorien er like sterk overalt.

© K. Migkas et al. 2020

NY MÅLING: Universets hastighet varierer

Nye røntgenmålinger av bevegelsen til galaksehoper de siste fem milliarder årene viser at universets utvidelse er ujevn. I de lilla og gule områdene er utvidelseshastigheten, Hubble-konstanten, henholdsvis mindre og større enn universets generelle hastighet. Det tyder på at den mørke energiens styrke varierer.

På 1970-tallet viste observasjoner at fordelingen av masse i form av lysende galaksehoper er ensartet overalt i universet, uansett hvilken retning astronomene vender teleskopene sine.

Hvis utvidelsen hadde foregått i et jevnt tempo gjennom hele universets historie, ville massetiltrekningen mellom galaksehopene ha skapt en ujevn fordeling av massen.

Derfor lanserte teoretiske fysikere inflasjonsteorien. Ifølge teorien sørget en ultrakort utvidelse – raskere enn lyset – like etter at universet ble til, for at massen ble fordelt likt i verdensrommet fra starten.

Slik luften fordeler seg jevnt i en ballong når man blåser den opp.

Gjennom de siste tre tiårene har astronomene underbygd inflasjonsteorien med presisjonsmålinger av den kosmiske bakgrunnsstrålingen, som ble sendt ut 380 000 år etter big bang og fyller hele verdensrommet.

Bakgrunnsstrålingen er et øyeblikksbilde av det helt unge universet, og studier av den har vist at massen i universet på det tidspunktet var jevnt fordelt overalt, og at verdensrommet i begynnelsen utvidet seg ensartet i alle retninger.

En mystisk utvidende kraft slår til

Fram til slutten av 1990-tallet forutsa teoretikere at massetiltrekningen mellom galaksehopene med tiden ville senke universets utvidelseshastighet. Men da amerikanske og australske astronomer målte farten på universets utvidelse langt tilbake i tid ved hjelp av ekstremt lyssterke supernovaer, gjorde de en forbløffende oppdagelse: Universet utvider seg stadig raskere.

Det enorme tomme rommet mellom galaksehopene ser ut til å være fullt av en frastøtende, mørk energi som har overvunnet tyngdekraftens forsøk på å trekke galaksehopene mot hverandre.

De første sju–åtte milliardene årene av universets historie fikk tiltrekningen mellom galaksehopene utvidelseshastigheten til å falle, men for fem–seks milliarder år siden vant den mørke energien brytekampen med tyngdekraften og økte hastigheten.

© C. Carreau/ESA

Ifølge den ledende teorien om mørk energi stammer den mystiske kraften fra det tomme rommet mellom galaksehopene. Energiens styrke er konstant – forstått på den måten at et tomrom med et gitt volum alltid inneholder den samme mengden frastøtende energi.

Når den mørke energien fikk overtaket over tyngdekraften for fem–seks milliarder år siden, skyldes det at tomrommet og dermed den mørke energiens styrke hele tiden vokser i takt med at universet utvider seg.

En naturlig følge av teorien er at den mørke energien er like sterk i hele verdensrommet, og at universets utvidelse øker i hastighet like mye overalt.

Men den hypotesen havner i alvorlig trøbbel hvis de nye resultatene fra romteleskopene XMM-Newton og Chandra X-Ray Observatory holder stikk, for de observasjonene tyder på at verdensrommet har utvidet seg med ulike hastigheter ulike steder i universet.

Ifølge fysikkens standardteori er naturkreftenes styrke lik overalt i universet, men nye målinger av lyset fra fjerne galakser – kvasarer – tyder på at den elektromagnetiske kraften varierer. Kraften ser ut til å være litt sterkere på den sørlige himmelhalvkulen og litt svakere på den nordlige.

©

TEORIEN: Naturkonstant har samme styrke overalt

Finstrukturkonstanten e r en naturkonstant som bestemmer styrken til den elektromagnetiske vekselvirkningen mellom partikler med ladning, som protoner og elektroner. Ifølge standardteorien er den like sterk overalt i universet.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

NY MÅLING: Metall avslører magnetiske poler i universet

Lyset fra fjerne kvasarer passerer gasskyer der metallatomene absorberer visse bølgelengder. Men de absorberte bølgelengdene er annerledes enn forventet – universet ser ut til å ha en magnetisk nord-sør-akse.

© Shutterstock & M. Kornmesser/ESO

  • 1 Mot nord: Svak elektromagnetisme: Observasjoner tyder på at den elektromagnetiske kraften er litt svakere i fjerne galakser på den nordlige himmelhalvkulen.
  • 2 På Jorden: Perfekt styrke for livet: I vår del av universet er den elektromagnetiske kraften perfekt tunet til at komplekse molekyler, livets byggesteiner, kan dannes.
  • 3 Mot sør: Sterk elektromagnetisme: På den sørlige himmelen er elektromagnetismen i fjerne galakser sterkere. Universet ser ut til å ha en nordpol og en sørpol.

Ifølge den ledende teorien om mørk energi stammer den mystiske kraften fra det tomme rommet mellom galaksehopene. Energiens styrke er konstant – forstått på den måten at et tomrom med et gitt volum alltid inneholder den samme mengden frastøtende energi.

Når den mørke energien fikk overtaket over tyngdekraften for fem–seks milliarder år siden, skyldes det at tomrommet og dermed den mørke energiens styrke hele tiden vokser i takt med at universet utvider seg.

En naturlig følge av teorien er at den mørke energien er like sterk i hele verdensrommet, og at universets utvidelse øker i hastighet like mye overalt.

Men den hypotesen havner i alvorlig trøbbel hvis de nye resultatene fra romteleskopene XMM-Newton og Chandra X-Ray Observatory holder stikk, for de observasjonene tyder på at verdensrommet har utvidet seg med ulike hastigheter ulike steder i universet.

Galaksehopene har ulik fart

De nye observasjonene ble utført av en gruppe astronomer ledet av Konstantinos Migkas fra Universitetet i Bonn i Tyskland. Forskerne observerte bevegelsene til 237 galaksehoper gjennom 191 dager med Nasas Chandra X-Ray Observatory, mens 76 galaksehoper ble observert med ESAs røntgenteleskop XMM-Newton i 35 dager.

Dessuten tok forskerne i bruk arkivopptak fra den japanske røntgensatellitten ASCA, slik at det samlede antallet galaksehoper ble 842. Hopene ligger innen en avstand på fem milliarder lysår, så bevegelsene har skjedd etter at den mørke energien økte hastigheten på universets utvidelse for fem–seks milliarder år siden.

For å måle avstanden til galaksehoper og andre lyskilder må astronomene kjenne den virkelige – absolutte – lysstyrken. Den fant forskerne i dette tilfellet ved å måle temperaturen i de ekstremt varme skyene av hydrogengass mellom galaksene i hver hop.

Jo varmere gasser, jo mer røntgenstråling vil hopen sende ut, og to hoper med den samme temperaturen og i den samme avstanden burde altså lyse akkurat like sterkt i røntgenspektrumet.

Den observerte lysstyrken faller alltid proporsjonalt med avstanden til objektet, og derfor kunne forskerne måle avstanden til hver galaksehop ved å sammenligne den observerte og den virkelige lysstyrken.

842 galaksehopers bevegelser avslører at universets utvidelse ikke er ensartet.

Til astronomenes overraskelse avslørte målingene to regioner i himmelrommet der røntgenstrålingen fra hopene var henholdsvis 30 prosent sterkere og 30 prosent svakere enn den burde være.

Det tyder på at de sterkt lysende hopene er nærmere Melkeveien enn forventet, mens de som lyser svakt, er lenger unna. Når forskerne sammenligner observasjonene med universets generelle utvidelseshastighet, konkluderer de med at utvidelsen er langsommere i den regionen der hopene er nærmere enn forventet, og raskere i den andre regionen, der galaksehopene har kommet lenger unna.

Kanskje er mørk energi et felt

Den mest opplagte forklaringen på hastighetsforskjellene er at styrken på den frastøtende mørke energien varierer ulike steder i universet. Forklaringen er imidlertid i direkte motstrid med den ledende teorien, som hevder at den mørke energien er konstant, og at frastøtingen er lik overalt.

Resultatene passer derimot bedre med en alternativ teori om at mørk energi er et ukjent frastøtende felt som kan variere i tid og rom.

Forklaringen kan selvfølgelig også være at de oppsiktsvekkende resultatene ikke stemmer. En mulig feilkilde kan være at det bak det hurtigvoksende området i verdensrommet ligger en enorm såkalt superhop av galakser som utøver en ekstra regional tiltrekning på de raskt flyktende galaksehopene, men ingen observasjoner tyder på det.

Målingene av røntgenstrålingen kan også forstyrres av ukjente støvskyer i Melkeveien.

Heldigvis er det bedre målinger på vei fra den russisk-tyske satellitten Spectrum-­Roentgen-Gamma (SRG), som begynte observasjonene sine i 2020. Mens XMM-Newton og Chandra bare kan se røntgenstråling med bølgelengder ned til 1 nanometer, fanger SRG-satellitten røntgenstråling med bølgelengder på helt ned til 0,2 nanometer, som uhindret trenger gjennom støvskyer.

Og mens de eldre satellittene bare har målt bevegelsene til noen få hundre galaksehoper, skal SRG gjennom fire år kartlegge bevegelsene til 100 000 galaksehoper. Det vil gi mye bedre muligheter for å oppdage avvik i universets utvidelseshastighet.

De nye resultatene som utfordrer fysikkens mest grunnleggende teorier, blir grundig etterprøvd i de nærmeste årene. To romteleskoper og et gigantisk teleskop på jorden vil avsløre om utvidelseshastigheten og den elektromagnetiske kraften varierer i universet.

© Space research Institute

Satellitt kartlegger 100 000 galaksehoper

Den russisk-tyske røntgensatellitten SRG skal gjennom fire år kartlegge bevegelsene til 100 000 galaksehoper. Det skal avklare om den frastøtende mørke energien skaper variasjoner i universets utvidelseshastighet. Røntgensatellitten ble tatt i bruk i 2020 og har allerede skapt det første kartet av hele himmelrommet i kortbølget røntgenstråling.

© S. Corvaja/ESA

Romteleskop ser ti milliarder år tilbake

I 2022 sendes romteleskopet Euclid opp for å kartlegge hvordan to milliarder galakser har beveget seg gjennom ti milliarder år. Observasjonene i det synlige og nær-infrarøde spektrumet dekker perioden da den mørke energien har økt farten på universets utvidelse, og kan oppklare om energien varierer eller er konstant overalt i universet.

© L. Calçada/ESO

Kjempeteleskop måler elektromagnetisk kraft

Extremely Large Telescope, som starter sine observasjoner i 2025, kan måle utrolig små forskjeller i de bølgelengdene av lys som absorberes av metallatomer i intergalaktiske gasskyer. Det vil vise om den elektromagnetiske kraften virkelig varierer.

Naturkonstanten er ikke konstant

Kanskje er det ikke bare den mystiske mørke energien som varierer i styrke i ulike deler av rommet. Det samme kan også gjelde for den best undersøkte naturkraften av alle, elektromagnetismen.

Det første tegnet på at naturkonstanten kanskje ikke er konstant, fikk den australske astronomen John Webb ved University of New South Wales da han i 1999 observerte lyset fra universets mest lyssterke galakser, kvasarene, som man kan se helt tilbake til universets barndom.

Lyset er så kraftig at kvasaren overstråler flere hundre vanlige galakser. Webb brukte det ti meter store Keck-teleskopet på Hawaii til å observere hvordan lyset fra kvasarer vekselvirker med metallatomer i intergalaktiske gasskyer som det passerer gjennom på sin lange reise gjennom verdensrommet.

Og han torde ikke tro på resultatene, for jern og magnesium i skyene absorberte litt andre bølgelengder av lyset enn i laboratorieforsøk på jorden.

Resultatene kunne bare forklares hvis den såkalte finstrukturkonstanten var litt mindre tidligere i universets historie, da lyset passerte gjennom gasskyene.

Konstanten bestemmer styrken på den elektromagnetiske kraften mellom partikler med elektrisk ladning, som protoner og elektroner, og det er et sentralt dogme i fysikken at naturkraftens styrke har vært lik overalt i universet til alle tider.

Først trodde Webb at det måtte være snakk om en målefeil, men verken han eller andre kunne finne feilen.

99,9937 prosent er sannsynligheten for at universet har en magnetisk nord-sør-akse.

Neste skritt for å eliminere mulige feilkilder var å gjennomføre tilsvarende målinger med Very Large Telescope i Chile, som består av fire sammenkoblede teleskoper på 8,2 meter.

Og da måtte den australske forskeren igjen måpe av forbløffelse. Denne gangen var den elektromagnetiske kraften langt ute i verdensrommet ikke svakere, men litt sterkere enn på jorden.

Det førte Webb fram til en teori som går ut på at den elektromagnetiske kraften ikke bare har vært variabel gjennom ulike epoker av universets historie, men også varierer mellom den nordlige og den sørlige himmelhalvkulen.

Keckteleskopet observerer nettopp det nordlige verdensrommet fra 20 graders nordlig bredde på Hawaii, mens VLT ser den sørlige himmelen fra 25 graders sørlig bredde i Chile.

Elektromagnetisk nord-sør-akse

Gjennom det siste tiåret har Webb bekreftet sine tidlige resultater ved å måle lyset fra flere hundre kvasarer – senest en kvasar på den nordlige himmelhalvkulen som er 13 milliarder lysår unna og altså sendte ut lyset sitt da universet bare var 800 millioner år gammelt.

Og fasit er fortsatt at den elektromagnetiske kraften er litt svakere i fjerne områder av den nordlige himmelen og litt sterkere i fjerne områder av den sørlige himmelen langs en nord-sør-akse gjennom universet.

Sannsynligheten for at dette forbløffende fenomenet ikke skyldes en tilfeldighet, er nå på 99,9937 prosent – tett på gullstandarden 99,9994 prosent som fysikere og astronomer må nå før noe anerkjennes som en oppdagelse.

Gjennombruddet kan komme i 2025, når det nye Extremely Large Telescope i Chile begynner å undersøke himmelen. Med sitt 39,3 meter store speil vil det enorme teleskopet kunne måle de små forskyvningene i bølgelengdene til det absorberte lyset fra kvasarer med mye større presisjon enn dagens teleskoper.

Disse avvikene i finstrukturkonstanten langt ute i verdensrommet er bare på seks milliondeler i hver retning.

Og godt er det, for hvis den elektromagnetiske kraften var bare noen få prosent svakere enn den er i Melkeveien, ville atomkjerner, med positiv ladning, fått problemer med å holde på skyen av negative elektroner og danne atomer og de komplekse molekylene som er fundamentet for liv.

Og hvis kraften bare var noen få prosent sterkere, kunne ikke stjernene laget karbon, som er livets viktigste byggestein.

I over 50 år har det vært et dogme for ast­ronomer at universet er ensartet overalt og til alle tider. Hvis både den velkjente elektromagnetiske kraften og den mystiske mørke energien varierer i tid og rom, faller dogmet i knas.

Men akkurat som da Edwin Hubble innså at rommet ikke er statisk, kan oppdagelsen bane vei for en dypere forståelse av de kreftene som former universet.