Universet har løpt løpsk

Hubble-konstanten er vanskelig å måle helt nøyaktig. Ulike måter å måle den på har hele tiden gitt litt ulike resultater, men forskerne regnet med at bedre målemetoder ville føre dem nærmere den riktige utvidelseshastigheten.

I de siste årene har astronomene imidlertid utviklet mer presise metoder, men det har ikke fått resultatene til å nærme seg hverandre.

Tvert imot har de definitivt delt seg omkring to verdier – 67,4 og 74 km/s – og mange astronomer mener nå at det sannsynligvis bare er én forklaring: Forståelsen av universets innhold og krefter må revideres.

Stjernedød avslører galaksers fart

Den amerikanske nobelprisvinneren Adam Riess, som er professor ved Johns Hopkins University, har i mer enn 20 år arbeidet med å måle Hubble-konstanten.

Når en spesiell type store stjerner ender livet som supernovaer, lyser de med en helt bestemt lysstyrke. Det gjør det mulig å måle avstanden til fjerne galakser og farten vekk fra oss.

I 2019 kom Riess og forskergruppen hans fram til en Hubble-konstant på 74,0 km/s for hver megaparsec to galakser er fra hverandre.

En megaparsec (forkortet Mpc) er et lengdemål som astronomene bruker ved ekstremt store avstander. En megaparsec svarer til om lag 31 milliarder milliard kilometer.

Målingen er ikke hundre prosent presis, men Riess og kollegene hans mener at Hubble-konstanten må ligge et sted mellom 72,6 og 75,4 km/s per Mpc.

De får støtte av et annet team av astronomer under ledelse av Sherry Suyu fra Max Planck-instituttet for astrofysikk i Tyskland. De har ikke brukt supernovaer, men kvasarer – kraftig lysende galaksesentre – til å komme fram til en verdi på om lag 73,3 km/s per Mpc.

Andre og mer usikre målinger gir resultater i den samme enden av spekteret – de lander på 72–75 km/s per Mpc. Men en veldig presis måling som er foretatt med en annen metode, skiller seg ut med et mye lavere tall.

Målingen er basert på data fra det europeiske romteleskopet Planck, som var aktivt fra 2009 til 2013. Teleskopet målte den kosmiske bakgrunnsstrålingen, ettergløden fra big bang, som ble frigitt da universet bare var 380 000 år gammelt.

Ved å analysere denne strålingen kan astronomene regne seg fram til hvordan universet har utvidet seg siden. I 2018 meddelte teamet bak prosjektet at Hubble-konstanten er 67,4 km/s per Mpc – pluss/minus 0,5 km/s per Mpc. Det er den hittil minste usikkerheten for en måling av konstanten.

Resultatet får støtte av målinger der astronomer beregner Hubble-konstanten ved å se på galaksenes plassering i universet. I det tidlige universet var ikke materien like tett.

Det gjør at galaksene ikke er helt jevnt fordelt i dag, og dette mønsteret i fordelingen av galaksene kan forskerne bruke til å beregne Hubble-konstanten.

Hvis astronomene bruker de to siste målingene til å skru tiden tilbake til big bang, vil universets alder bli 13,8 milliarder år, som er den verdien de fleste forskere har brukt.

Men hvis universet utvider seg en del raskere, som Adam Riess’ målinger av supernovaer tyder på, kan det være flere hundre millioner år yngre.

Usikkerheten om Hubble-konstanten påvirker også universets form. De fleste astronomene er enige om at universet er nesten flatt, men de vet ikke om det er uendelig stort eller ikke.

I en vitenskapelig artikkel i tidsskriftet Nature Astronomy fra november 2019 argumenterer tre fysikere nå for at Planck-teleskopets målinger tyder på et lukket univers. Det vil si at universet krummer seg innover som en kule og har en endelig utstrekning.

Teorien løser ikke Hubble-problemet, snarere tvert imot. Et krumt, lukket univers ville innebære at Hubble-konstanten var enda lavere enn det teamet bak Planck-teleskopet regnet seg fram til.

Universets manual må revideres

Når forskere måler en bestemt fysisk størrelse som hastigheten på universets utvidelse, skal resultatet være den samme hver gang – det skal ikke være avhengig av målemetoden.

Hvis forskerne får ulike resultater, er enten målingene eller noen av fysikkens grunnleggende antakelser feil.

Astronomene har gjort seg all verdens anstrengelser for å redegjøre for alle forhold som kunne gi feil i målingene, men alle beregninger virker bunnsolide – både de som viser en Hubble-konstant tett på 67 km/s per Mpc, og de som viser tett på 74 km/s per Mpc.

Ingen kan peke på feil i analysene. Kosmologien står med andre ord i en krise, men forskere er ofte glade for vitenskapelige kriser, for veien ut av dem kan føre til ny grunnleggende kunnskap.

Riess mener forskjellen i Hubble-målingene er den mest spennende utviklingen innen kosmologien på flere tiår: «Uoverensstemmelsen har vokst og har nå nådd et punkt som er helt umulig å avvise som en tilfeldighet.»

Hvis alle målingene er korrekte, må forskjellen skyldes at vi ikke har forstått universets spilleregler. Som Sherlock Holmes sa: «Når man har utelukket det umulige, må det som er igjen, være sannheten, uansett hvor usannsynlig det er.»

Astronomene kan derfor bli nødt til å rette opp i den manualen for universet som de har utviklet gjennom tiår, og forslag til løsninger på Hubble-problemet har allerede dukket opp. Felles for dem er at de beskriver et univers som er langt mer innviklet enn forskerne trodde.

Astronomenes kosmologiske standardmodell – den såkalte λCDM-modellen – har så langt kunnet forklare hvorfor universet vårt ser ut som det gjør, og modellen er grunnlaget for alle målinger av universets utvidelse.

CDM står for Cold Dark Matter, kald mørk materie. Mørk materie kalles det fordi det ikke sender ut noen form for stråling. Med kald mener fysikerne at det beveger seg mye langsommere enn lys.

λ, den greske bokstaven lambda, står for mørk energi – en form for energi som finnes overalt i universet og gjør det større og større. Det forslaget som har fått størst oppmerksomhet, har nettopp å gjøre med den mørke energien.

I den enkleste modellen for universet antar astronomene at den mørke energien alltid har vært den samme – at hver kubikkmeter av universet alltid har inneholdt en bestemt mengde mørk energi.

Den mørke energien får universet til å utvide seg raskere og raskere, fordi det blir mer og mer rom og dermed også mer mørk energi. Men hvis den mørke energien blir sterkere i seg selv, vil utvidelsen akselerere ytterligere.

Det kan forklare at ulike målemetoder gir ulike resultater. Den lave verdien på Hubble-konstanten som er beregnet ved hjelp av bakgrunnsstrålingen, er nemlig basert på en antakelse om at den mørke energien er konstant.

De målingene som gir den høye verdien, bygger på galaksenes hastighet vekk fra oss og er ikke avhengige av antakelser om mørk energi. Hvis den mørke energien ikke er konstant, gir det altså mening at målemetodene når fram til hvert sitt resultat.

Til gjengjeld får fysikerne problemer med å forklare hva mørk energi i det hele tatt er for noe, og hvilken mystisk naturkraft som endrer den med tiden.

En annen gåtefull energi som bare virket i de første 100 000 årene av universets historie og deretter forsvant sporløst, har også blitt foreslått som forklaring på Hubble- uoverensstemmelsen.

Så kanskje krever det en ny fundamental naturkraft å forklare hvorfor universet oppfører seg på en måte som astronomene ikke hadde forventet.

Nøytrino får tallene til å stemme

Hvis løsningen på Hubble-problemet ikke er en ny naturkraft, kan det være en gåtefull partikkel. Astronomer fra blant annet Fermilab i USA har pekt på en mulig forklaring som involverer de uanseelige elementærpartiklene som kalles nøytrinoer.

Selv om de finnes overalt og for eksempel produseres i stor skala i solen, går de som regel under radaren. Nøytrinoer vekselvirker nemlig stort sett ikke med annen materie, men er en form for spøkelsespartikler som går tvers gjennom allting og er veldig vanskelige å måle.

Nettopp derfor vet ikke fysikerne særlig mye om nøytrinoer, og kanskje gjemmer de på hemmeligheter som kan forklare hvorfor målinger av Hubble-konstanten gir avvikende resultater.

Fysikerne kjenner til tre ulike typer nøytrinoer, men det er mulig at det finnes en fjerde som ikke er oppdaget enda. Hvis denne fjerde nøytrinoen var involvert i det tidlige universet, ville det både ha betydning for den kosmiske bakgrunnsstrålingen og for den måten galaksene har fordelt seg på.

I så fall må de dataene som ligger til grunn for den lave verdien på Hubble- konstanten, analyseres på en ny måte. Det kan gi en høyere verdi som ligger nærmere den som er funnet ut fra supernovaer og kvasarer.

Det nye nøytrinoobservatoriet Hyper- Kamiokande kan kanskje levere svaret. Observatoriet er under oppføring i Japan og består av en vanntank som skal fylles med 260 millioner liter ultrarent vann.

40 000 ekstremt følsomme fotodetektorer skal fange spor etter nøytrinoer når de en sjelden gang støter inn i et vannmolekyl – og kanskje avsløre en ukjent nøytrino.

Hvis det er supernovaene som er problemet, kan det store teleskopet Vera C. Rubin Observatory, som er under oppføring i Chile, gi mer presise målinger. Teleskopet blir ferdig i 2023 og vil kunne oppdage langt flere supernovaer enn det som hittil har vært mulig.

Jo flere supernovaer man kan bestemme avstand og hastighet for, desto mer nøyaktig kan Hubble-konstanten måles. I 2022 sendes det europeiske romteleskopet Euclid opp for å undersøke hvordan universet har utvidet seg gjennom de siste ti milliarder årene.

Med teleskopet kan astronomene ikke bare se hvordan universet utvider seg nå, men hvordan utvidelsen har forløpt gjennom universets historie. Dermed vil astronomene kunne se om observasjonene passer med teoriene for universets utvidelse gjennom tiden.

Om det er en av disse teoriene eller en helt tredje som bringer enigheten blant astronomene tilbake, vil de framtidige målingene vise.

Først når den riktige modellen for universet og innholdet er funnet, kan forskerne uttale seg om universets utvidelseshastighet og alder med overbevisning.

De nye observasjonene av nøytrinoer, mørk energi og supernovaer vil forhåpentligvis føre fram til en mer presis beskrivelse av universet.

Så når du i det tenkte eksempelet kjører bil mellom to byer en gang i framtiden, viser triptelleren og en oppmåling på kartet den samme avstanden.