Fra opbremsning til
hastighedsøgning
Fjerne supernovaer afslører det
afgørende øjeblik, da universets ekspansion ændrede sig fra decelererende til
accelererende
Adam
G. Riess & Michael S. Turner*
|
Oversigt:
Kosmisk ekspansion |
|
Fra Isaac Newtons tid til sidst i 1990'erne var gravitationens definerende egenskab dens tiltrækkende natur. Gravitationen holder os på jorden. Den bremser opstigningen af baseballs og holder månen i kredsløb omkring jorden. Gravitationen forhindrer, at vort solsystem flyver fra hinanden og binder enorme galaksehobe. Skønt Einsteins almene relativitetsteori tillader gravitationen både at skubbe og trække, betragtede de fleste fysikere det som en rent teoretisk mulighed, som var irrelevant i universet idag. Indtil fornylig forventede astronomer fuldt og helt at se gravitationen bremse kosmos' ekspansion.
I 1998 opdagede forskerne imidlertid gravitationens frastødende side. Ved omhyggeligt at observere fjerne supernovaer - stjerneeksplosioner der i kort tid skinner så lyst som 10 milliarder sole - fandt astronomer, at de var svagere end forventet. Den mest plausible forklaring på uoverensstemmelsen er, at lyset fra supernovaerne, som eksploderede for milliarder af år siden, rejste en større afstand, end teoretikerne havde forudsagt. Og denne forklaring førte derefter til konklusionen, at universets ekspansion faktisk øger hastigheden, den bremses ikke. Det var en så radikal opdagelse, at nogle kosmologer foreslog, at den mindre supernova lysstyrke var resultatet af andre virkninger som intergalaktisk støv, der dæmpede lyset. I de sidste få år har astronomerne imidlertid fastslået sagen om kosmisk acceleration ved at studere endnu fjernere supernovaer.
Men har den kosmiske ekspansion øget hastigheden i hele universets levetid eller er det en relativt ny udvikling - dvs. sket indenfor de sidste fem milliarder år eller der omkring? Svaret har dyb betydning. Hvis forskerne finder, at universets ekspansion altid har accelereret, vil de skulle revidere deres forståelse af kosmisk udvikling fuldstændigt. Men hvis, som kosmologerne forventer, accelerationen viser sig at være et nyligt fænomen, kan forskerne måske bestemme dens årsag - og måske besvare det større spørgsmål om universets skæbne - ved at finde ud af hvornår og hvordan ekspansionen begyndte at sætte farten op.
For næsten 75 år siden opdagede astronomen Edwin Hubble universets ekspansion ved at observere, at andre galakser bevæger sig bort fra vores. Han bemærkede, at de fjernere galakser veg tilbage hurtigere end de nærliggende i overensstemmelse med det, der nu kendes som Hubbles lov (relativ hastighed er lig med afstanden ganget med Hubbles konstant). Betragtet indenfor rammerne af Einsteins almene relativitetsteori opstår Hubbles lov på grund af rummets ensartede ekspansion, som bare er en opskalering af universets størrelse.
I Einsteins teori gælder ideen om gravitationen som en tiltrækkende kraft stadig for alle kendte former for stof og energi, selv på den kosmiske skala. Derfor forudsiger almen relativitet, at universets ekspansion burde bremse op med en hastighed, der bestemmes af tætheden af stof og energi inde i det. Men almen relativitet giver også mulighed for former for energi med mærkelige egenskaber, der frembringer frastødende gravitation. Opdagelsen af accelererende snarere end decelererende ekspansion har tilsyneladende afsløret tilstedeværelsen af en sådan energiform, som man henviser til som mørk energi.
Om ekspansionen bremser op eller sætter farten op afhænger af en kamp mellem to titaner: stoffets tiltrækkende gravitationstræk og den mørke energis frastødende gravitationsskub. Det, der tæller i denne kappestrid, er tætheden af hver af dem. Stoffets tæthed daler, når universet ekspanderer, fordi rummets rumfang stiger. (Kun en lille brøkdel af stoffet findes i form af lysende stjerner; størstedelen menes at være mørkt stof, som ikke vekselvirker med almindeligt stof eller lys på nogen mærkbar måde, men som har tiltrækkende gravitation.) Skønt man kun ved lidt om mørk energi, forventer man, at dens tæthed ændrer sig langsomt eller slet ikke, når universet ekspanderer. I øjeblikket er den mørke energis tæthed højere end stoffets, men i den fjerne fortid burde stoffets tæthed have været større, så ekspansionen burde være bremset op dengang.
Kosmologer har andre grunde til at forvente, at universets ekspansion ikke altid har sat farten op. Hvis den havde, ville forskerne ikke kunne forklare eksistensen af de kosmiske strukturer, vi ser i universet idag. Ifølge kosmologisk teori udviklede galakser, galaksehobe og større strukturer sig fra små uensartetheder i det tidlige univers' stoftæthed, som afsløres af variationer i den kosmiske mikrobølgebaggrunds (CMB's) temperatur. Den stærkere, tiltrækkende gravitation i de overtætte områder af stof standsede deres ekspansion og tillod dem at danne gravitationelt bundne objekter - fra galakser som vor egen til store galaksehobe. Men hvis universets ekspansion altid havde accelereret ville det have trukket strukturerne fra hinanden, før de kunne samle sig. Og hvis ekspansionen havde accelereret ville to nøgleaspekter af det tidlige univers - mønstret af CMB variationer og udbredelsen af lette grundstoffer produceret sekunder efter big bang - ikke stemme med nuværende observationer.
Ikke desto mindre er det vigtigt at lede efter direkte vidnesbyrd om en tidligere, opbremsende ekspansionsfase. Sådanne vidnesbyrd ville hjælpe til at bekræfte den kosmologiske standardmodel og give forskerne en spor til den underliggende årsag til den nuværende periode med kosmisk acceleration. Fordi teleskoper ser tilbage i tiden, når de samler lys fra fjerne stjerner og galakser, kan astronomerne udforske universets ekspansionshistorie ved at fokusere på fjerne objekter. Den historie er indkodet i forholdet mellem galaksernes afstande og vigehastigheder. Hvis ekspansionen går langsommere, ville fjerne galaksers hastigheder være relativt større end den hastighed, der forudsiges af Hubbles lov. Hvis ekspansionen sætter farten op ville de fjerne galaksers hastighed falde under den forudsagte værdi. Eller sagt med andre ord, en galakse med en given vigehastighed vil være længere væk end forventet - og derfor svagere - hvis universet accelererer.
At drage fordel af denne enkle
kendsgerning kræver at man finder astronomiske objekter med en kendt egen
lysstyrke - mængden af stråling pr. sekund produceret af objektet - og som kan
ses tværs over universet. En særlig klasse supernovaer kendt som type Ia passer
godt til opgaven. Disse stjerneeksplosioner er så lyse, at jordteleskoper kan
se dem halvvejs over det synlige univers og Hubble Space Telescope kan se dem
endnu længere væk. I det sidste årti har forskerne omhyggeligt kalibreret egenlysstyrken
af type Ia supernovaer, så afstanden til en af disse eksplosioner kan bestemmes
ud fra dens synlige lysstyrke.
Astronomer kan udlede en supernovas
vigehastighed ved at måle rødforskydningen af lyset fra den galakse, den ligger
i. Stråling fra tilbagevigende objekter skiftes til længere bølgelængder; for
eksempel vil lys, der udsendtes da universet var halvt så stort som nu,
fordoble sin bølgelængde og blive mere rødt.
Ekspanderende
rum
|
Tænk på en supernova, der eksploderede i en fjern galakse, da
universet var halvt så stort som nu (venstre).
Ved den tid, hvor strålingen fra den eksplosion nåede vor galakse, ville dens
bølgelængde være fordoblet og lyset ville være forskudt mod den røde del af
spektret (højre). (Bemærk, at
galakserne ikke er tegnet i skala; afstanden mellem dem ville i virkeligheden
være meget større end vist.) Hvis universets ekspansion decelererede, ville
supernovaen være nærmere og lysere end forventet; hvis ekspansionen
accelererede, ville supernovaen være længere væk og svagere (graf i bunden). |
|
|
Ved at
måle rødforskydningen og den tilsyneladende lysstyrke af et stort antal
supernovaer placeret på forskellige afstande, kan forskerne skabe en optegnelse
over universets ekspansion.
Uheldigvis er type Ia supernovaer sjældne,
de dukker kun op i en galakse som Mælkevejen gennemsnitligt en gang i løbet af
et par århundreder. Teknikken, der bruges af supernovajægerne, er at observere
en plet på himlen, der indeholder tusinder af galakser, gentagne gange og så
sammenligne billederne. Et forbigående lyspunkt, der dukker op på et billede
men ikke i det foregående, kunne være en supernova. Resultaterne i 1998, der
viste vidnesbyrd om kosmisk acceleration, var baseret på observationer af to
hold, der så på supernovaer, som eksploderede da universet var omkring to
tredjedele af sin nuværende størrelse for omkring fem milliarder år siden.
Nogle forskere spekulerede dog på, om
holdene havde tolket data fra supernovaerne korrekt. Var det muligt, at en
anden virkning ud over kosmisk acceleration kunne have forårsaget, at
supernovaerne syntes svagere end forventet? Støv, der fylder det
intergalaktiske rum, kunne også få supernovaerne til at synes svagere. Eller
måske blev gamle supernovaer blot født svagere, fordi universets kemiske
sammensætning var anderledes, end den er idag, med en mindre udbredelse af de
tunge grundstoffer, der produceres af kernereaktioner i stjerner.
Heldigvis findes der en god afprøvning af
de konkurrerende hypoteser. Hvis supernovaer synes svagere end forventet på
grund af en astrofysisk årsag, som en vidt udbredt skærm af støv, eller fordi
gamle supernovaer blev født svagere, burde de formodede dæmpende virkninger
vokse med objekternes rødforskydning. Men hvis dæmpningen er resultatet af en
nylig kosmisk øgelse af farten, der fulgte en tidligere æra med deceleration,
ville supernovaerne fra opbremsningsperioden synes relativt lysere. Derfor
kunne observationer af supernovaer, der eksploderede da universet var mindre
end to tredjedele af sin nuværende størrelse, give vidnesbyrd, der kunne vise,
hvilken af de to hypoteser der er korrekt. (Det er selvfølgelig muligt, at et
ukendt astrofysisk fænomen kunne svare præcist til virkningerne af både
øgningen og sænkningen af farten, men forskerne misbilliger generelt sådanne
kunstige, tilpassede forklaringer.)
|
Hvordan kan
gravitation være frastødende? |
|
I
Newtons teori er gravitation altid tiltrækkende og dens styrke afhænger af
det tiltrækkende objekts masse. Sløjfen i Einsteins teori er, at styrken af
det gravitationstræk et objekt udøver også afhænger af dets sammensætning.
Fysikere karakteriserer en substans’ sammensætning ved dens indre tryk. Et
objekts gravitation er proportionalt med dets energitæthed plus tre gange
trykket. Vor sol er f.eks. en varm kugle af gas med positivt (udadrettet)
tryk; da gastrykket stiger med temperaturen, er solens gravitationstræk lidt
større end det en kold bold af stof af tilsvarende masse udøver. På den anden
side har en gas af fotoner et tryk, der er lig med en tredjedel af dens
energitæthed, så dens gravitationstræk burde være det dobbelte af det en
ækvivalent masse af koldt stof udøver. Mørk
energi karakteriseres af negativt tryk. (Elastiske objekter – for eksempel en
gummiplade – har også negativt, eller indadrettet, tryk.) Hvis trykket falder
under -1/3 gange energitætheden, så er kombinationen af energi plus tre gange
trykket negativ og gravitationskraften er frastødende. Kvantevakuet har et
tryk, der er -1 gange dets energitæthed, så et vakuums gravitation er meget
frastødende. Andre hypotetiske former for mørk energi har et tryk, der er
mellem -1/3 og -1 gange dets energitæthed. Nogle af disse typer energi er
blvet påkaldt for at forklare inflationsepoken, en meget tidlig periode med
kosmisk acceleration. Andre typer er kandidater til den mørke energi, der
driver accelerationen der observeres idag. |
Det er imidlertid vanskeligt at finde sådanne
gamle og fjerne supernovaer. En type Ia supernova, der eksploderede da
universet var halvt så stort som nu, er omkring en ti-milliarddel så lys som
Sirius, den lyseste stjerne på himlen. Jordbaserede teleskoper kan ikke
detektere objekterne pålideligt, men Hubble Space Telescope kan. I 2001
bekendtgjorde en af os (Ries), at rumteleskopet ved et lykketræf havde taget
billeder af en ekstremt fjern type Ia supernova (kaldet SN 1997ff) i gentagne
observationer. Givet rødforskydningen af lyset fra denne stjerneeksplosion -
som fandt sted for omkring 10 milliarder år siden, da universet var en
tredjedel af sin nuværende størrelse - syntes objektet meget lysere end det
ville have været, hvis det støvede univers var sandt. Dette resultat var det
første direkte vidnesbyrd om decelerationsepoken. Vi to foreslog, at
observationer af flere supernovaer med høj rødforskydning kunne give definitivt
bevis og fastslå overgangen fra opbremsning til fartøgelse.
Advanced Camera for Surveys, et nyt
billedinstrument, som blev installeret på rumteleskopet i 2002, satte forskerne
i stand til at gøre Hubble til en supernova jagende maskine. Ries ledede en
indsats for at opdage den nødvendige prøve af meget fjerne type Ia supernovaer
ved at ride med på Great Observatories Origins Deep Survey. Holdet fandt seks
supernovaer, der eksploderede da universet var mindre end halvdelen af dets
nuværende størrelse (for mere end syv milliarder år siden); sammen med SN
1997ff er disse de fjerneste type Ia supernovaer, der nogensinde er opdaget.
Observationerne bekræftede eksistensen af en tidlig opbremsningsperiode og
placerede overgangen "frihjulspunktet" mellem opbremsning og
fartøgning til for omkring fem milliarder år siden. Dette resultat stemmer
overens med teoretiske forventninger og er således beroligende for kosmologer.
Kosmisk acceleration var en overraskelse og en ny gåde at løse, men det er ikke
så overraskende, at det fik os til endnu en gang at tænke over meget af det, vi
troede vi forstod om universet.
De gamle supernovaer gav også nye
oplysninger om mørk energi, den underliggende årsag til den kosmiske
fartøgning. Den førende kandidat til at forklare den mørke energis virkninger
er vakuum energi, der er matematisk ækvivalent til den kosmologiske konstant, som
Einstein opfandt i 1917. Fordi Einstein troede, at han skulle lave en model af
et statisk univers, indførte han sin "kosmologiske fusk faktor" til
at afbalancere stoffets tiltrækkende gravitation. I hans opskrift var
konstantens tæthed det halve af stoffets. Men for at frembringe den observerede
acceleration af universet skulle konstantens tæthed være det dobbelte af
stoffets.
Hvorfra kunne denne energitæthed komme?
Kvantemekanikkens ubestemthedsprincip kræver, at vakuet skal være fyldt af
partikler, der lever på lånt tid og energi, som springer ind og ud af
eksistens. Men når teoretikerne prøver at beregne energitætheden, der er
forbundet med kvantevakuet, kommer de frem til værdier, der er mindst 55
størrelsesordener for store. Hvis vakuets energitæthed virkelig var så stor,
ville alt stof i universet øjeblikkeligt flyve fra hinanden og galakserne ville
aldrig være dannet.
Overgangspunktet
|
Nylige observationer af fjerne supernovaer viser, at universets
ekspansion var decelererende før den begyndte at accelerere (grafen til venstre). Astronomerne
fandt, at type Ia supernovaer med rødforskydninger større end 0,6 var lysere
end man ville forvente, hvis universet altid havde accelereret eller hvis
intergalaktisk støv dæmpede deres lys. (Hvert plot punkt er middel af supernovaer med næsten samme
rødforskydning.) Resultaterne viser, at overgangen mellem opbremsning og
hastighedsøgning skete for omkring fem milliarder år siden. Hvis astronomerne
kan bestemme dette tidspunkt mere præcist, vil de måske finde ud af, hvordan
den mørke energis energitæthed har udviklet sig i tidens løb og måske opdage
dens natur (højre). |
|
|
Denne
uoverensstemmelse er blevet kaldt den værste forlegenhed i hele den teoretiske
fysik, men den kan faktisk være tegn på en stor mulighed. Skønt det er muligt,
at nye forsøg på at vurdere vakuumenergiens tæthed kunne give just den rigtige
mængde til at forklare kosmisk acceleration, tror mange teoretikere, at en
korrekt beregning, som indbefatter et nyt symmetriprincip, vil føre til
konklusionen, at energien forbundet med kvantevakuet er nul. (Selv
kvanteingenting vejer intet!) Hvis dette er sandt, må noget andet forårsage, at
universet sætter farten op.
Teoretikere har foreslået forskellige
ideer, der strækker sig fra ekstra, skjulte dimensioners indflydelse til
energien, der er forbundet med et nyt felt i naturen, der sommetider kaldes
kvintessens (se "Ud af mørket," af Georgi Dvali). Generelt påstår
disse hypoteser en mørk energitæthed, der ikke er konstant og som sædvanligvis
daler, når universet ekspanderer. (Men forslaget, at den mørke energis tæthed
faktisk stiger, når universet ekspanderer, er også blevet fremsat.) Den mest
radikale ide er måske, at der overhovedet ikke er nogen mørk energi, men at
Einsteins gravitationsteori snarere skal modificeres.
Fordi måden den mørke energis tæthed
varierer på er afhængig af den teoretiske model, forudsiger hver teori et andet
tidspunkt for overgangspunktet, hvor universets ekspansion skiftede fra
opbremsning til fartøgning. Hvis den mørke energis tæthed daler, når universet
ekspanderer, så sker omskiftningen tidligere i tiden, end den ville for en
model, der antager konstant mørk energitæthed. Selv teoretiske modeller, hvor
gravitationen modificeres, fører til et tegn på omskiftningstidspunktet, der
kan skelnes. De seneste supernova resultater er i overensstemmelse med teorier,
der påstår en konstant mørk energitæthed, men de stemmer også med de fleste af
de modeller, der antager en varierende mørk energitæthed. Kun teorier, der
betinger store variationer i den mørke energis tæthed, er blevet udelukket.
For at indsnævre området af teoretiske
muligheder fortsætter Hubble Space Telescope med at indsamle supernova data,
der kunne fastslå overgangsfasens detaljer. Skønt rumteleskopet forbliver den
eneste måde at sondere den kosmiske ekspansions tidlige historie på, prøver
mere end et halvt dusin jordbaserede programmer at forbedre præcisionen af
målingerne af den nylige kosmiske fartøgning nok til at afsløre den mørke
energis fysik. Det mest fremadstræbende projekt er Joint Dark Energy Mission
(JDEM) foreslået af U.S. Department of Energy og NASA. JDEM er et to-meter
rumteleskop med bredt synsfelt, der er helliget opdagelsen og nøjagtig måling
af tusindvis type Ia supernovaer. Supernovajægerne håber at se JDEM opsendt i
begyndelsen af næste årti; indtil da må de stole på, at Hubble vil detektere de
fjerneste stjerneeksplosioner.
Løsningen af mysteriet om den kosmiske
ekspansion vil afsløre vort univers' skæbne. Hvis den mørke energis tæthed er
konstant eller stiger med tiden, vil om 100 milliarder år eller der omkring
alle, undtaget nogle få hundrede, galakser være alt for rødforskudte til at de
kan ses. Men hvis den mørke energis tæthed daler og stoffet bliver dominerende
igen, vil vores kosmiske horisont vokse og afsløre mere af universet. Selv mere
ekstreme (og dødelige) fremtider er mulige.
Do
The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark
Energy and the Accelerating Cosmos. Robert P. Kirshner.
Connecting Quarks with the Cosmos. Committee
on the physics of the Universe, National Research Council. National
Academies Press, 2003.
Is Cosmic Speed-Up Due to New Gravitational
Physics? Sean M.
Carroll, Vikram Duvvuri, Mark Trodden og Michael S. Turner i Physical Review Letters. http://arXiv.org/abs/astro-ph/0306438
* Adam G. Riess og Michael S. Turner har ført an i udforskningen af historien om universets ekspansion. Riess er associeret astronom ved Space Telescope Science Institute (videnskabshovedkvarteret for Hubble Space Telescope) og adjungeret associeret professor i fysik og astronomi på Johns Hopkins University. I 1998 var han den førende forfatter til studiet udgivet af High-z-Supernova Team, der bekendtgjorde opdagelsen af et accelererende univers. Turner, som er Rauner Distinguished Service Professor på University of Chicago, virker nu som assisterende direktør for matematiske og fysiske videnskaber ved National Science Foundation. Hans afhandling fra 1995 med Lawrence M. Krauss forudsagde kosmisk acceleration og han udmøntede udtrykket "mørk energi."
Fra From Slowdown to Speedup, Scientific American, februar 2004, siderne
62-67.
27. januar, 2008.
2. Læsning af skabelsens blåtryk
4. Ud af mørket