Universums mörka mysterier

2011-02-01 23:00  

Kanske det är dags att slakta den fetaste av kosmologins heliga kor – den kosmologiska principen, som säger att alla lagar och naturkonstanter är lika var och när man än befinner sig i universum. En nyutkommen bok förklarar det hela.

Välkomna till auditoriet i Smithsonian Museum of Natural History i Washington. Det är den 26 april 1920, och här pågår en hetsig debatt. Nationens främsta astronomer har samlats för att diskutera hur stort universum egentligen är. Okvädins­orden haglar, och det hela påminner mer om en verbal boxningsmatch än om ett vetenskapligt meningsutbyte.

I ena ringhörnan finner vi den berömde astronomen Harlow Shapley och hans hejdukar. I den andra ett gäng unga himlastormare under ledning av Heber Curtis.

Harlow Shapley är den etablerade astronomiska auktoriteten. Det är han som har upptäckt att cepheiderna – variabla stjärnor vars ljusstyrka visat sig vara proportionell till perioden för deras ljusväxlingar kan användas som avståndsmätare i rymden. Med deras hjälp har Shapley kunnat kartlägga Vintergatan och visa dess spiralform. Fram till 1917 trodde man att Vintergatan på sin höjd var ett tusental ljusår i diameter. Shapley visade att det i stället handlade om 30 000 ljusår.

Shapley har inte bara mångfaldigat universums storlek, han har också helt fräckt flyttat ut solsystemet från Vintergatans centrum till en obemärkt position ute i en av spiralarmarna.

Därmed anser Shapley att modellen av universum är klar. Det finns ingenting utanför Vintergatan – förutom de klotformiga stjärnhoparna som bildar en halo runt galaxen.

Heber Curtis går nu till våldsam attack mot Shapley och hävdar att dennes världsbild är förlegad. Alla de tusentals små diffusa ljusfläckarna som man ser här och där mellan stjärnorna är egentligen galaxer, vintergator som vår egen, säger Curtis. Universum är inte så fjuttigt som Shapley vill ha det till. Det är miljontals gånger större. Liknande idéer har tidigare förts fram av den svenske astronomen Knut Lundmark.

Konferensen avslutas under tumult i total ­oenighet.

Tre år senare kunde Edwin Hubble visa att den lilla suddiga ljusfläcken M31 i stjärnbilden Andromeda i själva verket var en avlägsen spiralgalax. Och 1925 hade han med hjälp av cepheider bestämt avståndet till Andromeda­galaxen till mer än två miljoner ljusår.

Snart upptäcktes mängder av ännu mer avlägsna galaxer. Men inte nog med det. Hubble upptäckte också att hela universum expanderade. En ny kosmologi utformades, där hela universum antogs ha uppstått för drygt 13 miljarder år sedan i en gigantisk explosion – the Big Bang.

Men det var något som inte stämde. På 1930-talet undersökte den schweiziska astronomen Fritz Zwicky hur galaxhoparna rörde sig och fann att galaxerna verkade innehålla på tok för lite materia för att de skulle hålla ihop av gravitationen. De borde flyga isär, men det gjorde de uppenbarligen inte. Mystiskt.

Fyrtio år senare hade man funnit metoder för att inte bara beräkna galaxernas rörelser, utan också deras rotationshastigheter. Nu dök åter problemet med den felande massan upp, för det visade sig att galaxernas spiralarmar roterade för fort. Det borde finnas mellan tio och hundra gånger mer materia än man kunde se i galaxernas yttre delar. Fanns det en sorts osynlig materia där ute i rymden? Och i så fall, vad bestod den av?

Ett förslag var neutriner, små partiklar som förutsades av Wolfgang Pauli 1930 och som bildas vid radioaktiva sönderfall. Men neutrinerna har för liten massa för att kunna utgöra den mörka materien.

1977 lanserades en annan kandidat, kallad axion (döpt efter ett populärt rengöringsmedel, eftersom forskarna ville städa upp bland teorierna). 2005 trodde man för ett ögonblick att axionen hade upptäckts, men det visade sig vara fel.

Fysikerna föreslog sedan en rad nya hypotetiska så kallade supersymmetriska elementarpartiklar som inte växelverkar med vanlig materia, utan bara ger sig till känna genom sin gravitation. Om de finns kanske sådana partiklar bildas vid kollisionerna i LHC, superacceleratorn vid Cern i Genève. Men det får vi inte säkert veta, för där finns inga detektorer som skulle kunna registrera dem direkt.

Så tills vidare får astronomerna nöja sig med att använda begreppet ”mörk materia”, på samma sätt som tidiga kartritare skrev ”terra incognita” på områden man inte kände till.

Förresten kanske det inte behövs någon mörk materia alls. 1981 föreslog den israeliske fysikern Mordehai Milgrom att Newtons gravitationslag inte alltid gäller. Tänk om gravitationen i vissa lägen inte minskar med kvadraten på avståndet utan bara linjärt? Eller om ljushastigheten inte är konstant? Men detta skulle innebära att man frångår den kosmologiska principen – att alla lagar och alla naturkonstanter är lika var och när man än befinner sig i universum. Skulle den kosmologiska principen falla skulle hela vår bild av universum behöva ritas om.

Även om man fann den mörka materia som behövs i teorierna för att galaxerna ska kunna rotera rätt och kretsa prydligt runt varandra skulle det ändå fattas massa. Den synliga och mörka materien utgör bara 26 procent av den totala massa som universum behöver för att vara geometriskt ”platt”, vilket den jämna kosmiska bakgrundsstrålningen tyder på att rymden är.

I kosmologernas modeller ingick också att gravitationen från universums samlade materia borde få expansionen att avta med tiden. Frågan var hur mycket. I slutet på 1990-talet gjordes mätningar på ljuset från en mycket avlägsen supernova för att bestämma hur mycket expansionen hade bromsats under de senaste årmiljarderna. Till allmän förvåning visade det sig att expansionshastigheten i stället hade ökat. Galaxhoparna flyger allt snabbare isär.

Vad är det då som driver expansionen? Det mest accepterade förslaget är att det existerar en okänd naturkraft som är motriktad gravitationen och utgår från tomma rymden. Den liknas också vid den kosmologiska konstant som Einstein införde i sina ekvationer när han formulerade den allmänna relativitetsteorin 1915. När Hubble sedan hade visat att universum expanderar tog Einstein bort konstanten, den behövdes inte längre. Men det verkar nu som om den faktiskt finns. Den mörka energin, beräknas motsvara tre fjärdedelar av universums totala massa, och den ökar i styrka allt eftersom universum expanderar. Ja, i framtiden kommer den att bli så stark (tror kosmologerna i dag) att den kommer att slita sönder själva materien och orsaka universums död. Se artikeln ”Mörk energi sliter sönder universum”

Mer om allt detta, och en himla massa annat, finner ni i den engelske vetenskapsjournalisten Stuart Clarks bok ”The Big Questions: The Universe”.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer