Euclid skal måle mørk energi med kosmisk superlinjal

Euklid i illustrasjon satt sammen av ESA

«Æ har førr mange viktige ting som æ må si dæ, på tide at non kommer frem og gjør det rætt» sier de hardtslående nordnorske hiphoperne i Tungtvann i sangen «Fire elementa». Og apropos elementer, i sitt monumentale verk «Elementene» viste den gamle grekeren og matematiske råskinnet Euklid verden hvor geometriskapet skulle stå. En av den europeiske romorganisasjonen ESAs nye satellitter, Euclid, er oppkalt etter den gamle matematikeren. Satellitten har utvilsomt mange viktige ting å si oss om universets hovedingrediens: mørk energi. Mye har vært sagt om mørk energi tidligere, blant annet av årets nobelprisvinnere i fysikk. Håpet er at Euclid nå skal komme frem og gjør det rætt.

Og skal man gjøre ting rætt, trenger man en linjal. Da er det beleilig at universet er utstyrt med en kosmisk superlinjal som i dag er 500 millioner lysår lang. Linjalen har eksistert nesten helt siden Big Bang, og kan i dag sees som mønstere av millioner av galakser. Euclid skal blant annet kartlegge hvordan denne linjalen har utviklet seg gjennom de siste 10 milliardene år av universets historie. På den måten kan Euclid kanskje avsløre hemmelighetene til den mørke energien.

Supernovaer og akselererende univers

Samme dag som Euclidprosjektet ble besluttet gjennomført av ESA, ble nobelprisen i fysikk tildelt oppdagerene av at universet utvider seg med akselererende hastighet (se tidligere blogginnlegg om dette). Nobelprisvinnerne gjorde oppdagelsen sin ved å studere en spesiell type supernovaer (eksploderende stjerner).

Det spesielle med disse supernovaene er at de oppfører seg som standardiserbare lyskilder, altså lyskilder som man kjenner lysstyrken til. Ved å sammenligne den kjente lysstyrken med det lyset som faktisk når fram til  jorda, kunne nobelprisvinnerne si noe om hvor langt vekk de ulike supernovaene befant seg. Logikken er enkel: Jo lenger unna en lyskilde er, jo mindre mindre lys når frem til oss.

Samtidig er det slik at når lyset reiser fra en fjern stjerneeksplosjon og mot oss, vil dette ta litt tid. Typisk noen få milliarder år. Mens lyset reiser vil samtidig universet utvide seg. Lysbølgene vil da strekke seg ut med akkurat den samme faktoren som universet strekker seg mens lyset reiser. Altså: Om universet utvider seg så alle avstandene blir dobbelt så lange mens lyset er i farta mellom supernovaen og oss, vil også lysbølgene bli dobbelt så lange. Denne effekten kalles rødforskyvning, og den kan observeres med stor presisjon.

En ballonganalogi for universets utvidelse med inntegnede lysbølger. Når rommet utvider seg vil lysbølgene strekkes ut sammen med rommet.

Ved å sammenligne den observerte lysstyrken og rødforskyvningen for de ulike supernovaene, kunne prisvinnerne rekonstruere hvordan universet hadde vokst gjennom de siste milliardene år. Den overraskende konklusjonen var at universet utvider seg raskere og raskere. Det må derfor være et eller annet stoff i universet som virker med frastøtende tyngdekraft, slik at utvidelsen akselereres istedenfor å bremses. Dette stoffet kalles mørk energi. Det et mysterium hva mørk energi er for noe, og vi vet heller ikke så mye om hvordan den oppfører seg. Men vi vet at den må ha virket med en frastøtende gravitasjon i hvert fall i den siste delen av universets historie. Men har den alltid hatt frastøtende tyngdekraft? Blir det mer av den, eller blir det mindre? Og hvordan vil universet ende? Dette er noen av spørsmålene Euclid håper å finne svar på.

Euclid og den kosmiske superlinjalen

Men Euclid skal kartlegge galakser, ikke supernovaer. Det fine med galakser er at de er mye enklere å finne enn supernovaer. Supernovaene eksploderer nå og da og her og der, fullstendig uforutsigbart. Galaksene bare ligger der og venter, og det er mer enn hundre milliarder av dem i den observerbare delen av universet. Imidlertid er ikke galakser standardlyskilder. De har alle forskjellig lysstyrke. Så hvis vi observerer en lyssvak galakse, vet vi ikke om den ser lyssvak ut fordi den sender ut lite lys eller om det er fordi den er langt borte. Det er her den kosmiske superlinjalen kommer inn i bildet.

La oss reise tilbake til da det var tett og varmt. Nei, vi skal ikke tilbake til mors liv, men til den første tiden etter Big Bang, da universet var en tett suppe av frie protoner og elektroner. Siden elektroner og protoner har elektriske ladninger, vil de utrettelig dytte og trekke på hverandre. Dette skaper trykkrefter og bølger. I denne tidlige universsuppa var det lange, men svake tetthetsbølger, akkurat som lydbølger i luft.  Etter omlag 400 000 år ble universet kaldt nok til at protoner og elektroner kunne gå sammen og danne nøytralt hydrogen. Trykkreftene forsvant, og trykkbølgene sluttet å dannes og bevege seg. De bølgene som allerede eksisterte ble da frosset fast i universet for alltid, akkurat som om man på et øyeblikk skulle frosset en bølgende havoverflate. Disse bølgene er tydelige å se i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, som er stråling som ble sendt ut akkurat fra dette tidspunktet, 400 000 år etter Big Bang (jeg har tidligere skrevet om denne kosmiske bakgrunnsstrålingen i en artikkel for dagbladet.no).

Et kart over ca. 1 million av våre nærmeste galaksenaboer observert av 2MASS-eksperimentet. Vi befinner oss i midten av kartet (som seg hør og bør). I et tilsvarende kart fra Euclid vil de fjerneste galaksene ligge 20 ganger lenger ut fra sentrum av kartet.

Etter dette har universet blitt over 1000 ganger så stort, og gassen i Big Bang-suppa har klumpet seg og dannet galakser, stjerner, planeter, inngrodde tånegler og private vaktselskaper. Men de lange bølgene fra ursuppa har bestått som et fastfrosset fotavtrykk. Riktignok er bølgene svake, men hvis vi ser på posisjonene til tilstrekkelig mange galakser, vil vi kunne ane et svakt bølgemønster. Ett sted er galaksene statistisk sett samlet litt tettere enn ellers, og på neste bølgetopp, 500 millioner lysår unna, er galaksene igjen samlet litt tettere. Det er dette bølgemønsteret som utgjør den kosmiske superlinjalen, eller baryonske akustiske oscillasjoner.  Disse skal Euclid observere.

Prinsippet Euclid skal benytte er ikke veldig ulik den nobelprisvinnende supernovametoden. Men istedenfor å ha lyskilder med kjent lysstyrke, benytter Euclid en linjal med kjent lengde. På samme måte som en lyskilde ser svakere ut når den er langt vekk, ser en linjal kortere ut på lang avstand. Ved å måle den tilsynelatende utstrekningen på superlinjalen ved forskjellige rødforskyvninger, kan dermed Euclid danne seg et bilde av hvordan universet har utvidet seg opp gjennom historien. Men hvis vi allerede har målt denne utvidelseshistorikken med supernovaer, hvorfor skal vi da gjøre det samme med superlinjalen? Det er to grunner til dette:

  1. Dette er en helt annerledes måte å måle utvidelsen til universet på, og er slik sett en viktig kryssjekk for supernovaresultatene. Hvis to helt ulike måleteknikker gir det samme resultatet, vil dette resultatet stå mye sterkere.
  2. Aller viktigst: Euclid vil kunne kartlegge utvidelseshistorien med langt større presisjon enn det som er gjort tidligere. Dette er helt avgjørende for å kunne skille mellom ulike modeller for mørk energi.

Mørk energi

Ja, det var denne mørke energien, da, dette «noe» som gir frastøtende tyngdekraft. Som sagt aner vi ikke hva den er, men ideene er mange. Den enkleste og mest populære modellen, en kosmologisk konstant, var det selveste Einstein som oppfant, og det så tidlig som i 1917. Dette var selvfølgelig lenge før man visste at universet utvider seg raskere og raskere,  det var sågar før man visste at universet utvidet seg i det hele tatt. Einstein var som de fleste andre overbevist om at universet var statisk og evig, men ligningene hans fortalte at et statisk univers ville kollapse på grunn av den tiltrekkende gravitasjonen. Derfor introduserte han den kosmologiske konstanten som en motkraft som skulle holde universet oppe i en evig balanse. Omtrent ti år senere ble det vist at universet ikke er statisk, men i stadig utvidelse, noe som fikk Einstein til å kalle den kosmologiske konstanten sin største tabbe. Han hadde hatt muligheten til å forutsi at universet ikke kan være statisk, men han feiga ut og introduserte en teit konstant isteden. For å stjele en vits fra Rocky Kolb: Fytti rakkern, mannen kunne blitt berømt!

Etter dette sov den kosmologiske konstanten temmelig dypt og godt fram til oppdagelsen av den akselererende utvidelsen på slutten av 1990-tallet. Da trengte man på ny et stoff med frastøtende tyngdekraft, og den kosmologiske konstanten ble på ny bragt på banen. 

Så, hva er denne kosmologiske konstanten for noe? Den er – hold dere fast – en konstant! Og det er, tro det eller ei, temmelig oppsiktsvekkende. Tenk deg at du har en boks med 100 materiepartikler, og at du gjør boksen dobbelt så stor uten å øke antallet partikler. Da vil tettheten av partikler blir halvparten så stor, siden den samme mengden partikler må fordele seg utover et større område. Dersom du har en boks med kosmologisk konstant og gjør boksen dobbelt så stor, vil tettheten av kosmologisk konstant forbli den samme. En kosmologisk konstant tynnes ikke ut, og du kan se på den som en slags egenskap ved selve rommet. Og, i følge den generelle relativitetsteorien vil en slik  konstant ha frastøtende tyngdekraft.

Men hva er den kosmologiske konstanten, sånn egentlig? Tjah. I kvantemekanikken kan man regne ut at tomt rom, vakuum, skal ha en viss konstant energi som oppfører seg som den kosmologiske konstanten. Problemet er at når man naivt forsøker å regne ut energien til den kosmologiske konstanten fra kvantemekanikk får man et tall som er 10^{120} ganger for stort (altså et ett-tall med 120 nuller bak). Det er hva vi kaller dårlig samsvar mellom teori og målinger. Men, det trenger ikke være så galt heller. Vi har rett og slett ikke helt kontroll på teoriene som trengs for å regne ut dette tallet, så kanskje det hele ordner seg når teoriene er på plass.

Så godt som alle observasjoner vi har i dag passer godt med at den mørke energien er en kosmologisk konstant. Men alle disse målingene har store usikkerheter, så den kosmologiske konstanten er alt annet enn hugget i stein. Mange teoretikere vil hevde at det er andre modeller for mørk energi og frastøtende tyngdekraft som er mer «naturlige». Jeg skal ikke gå inn på disse modellene her, annet enn å si at de beskriver temmelig ulike universskjebner. Noen modeller forutsier at universet skal kollapse i fremtiden. Andre teorier forutsier at universet skal utvide seg i en hastighet der selv akselerasjonen er akselerert, slik at alt, til og med mennesker, private vaktselskaper og atomer til slutt vil rives i filler av pur utvidelse.

Poenget er at modellene er svært mange og svært ulike. Den eneste måten å finne ut hva som er riktig på, er å gjøre bedre målinger. Og det er derfor ESA skal sende opp Euclid.

Euclid mer enn superlinjal og mørk energi

Her har jeg brukt mye tid på å snakke om observasjoner av superlinjalen. I tillegg til å måle denne, skal Euclid også benytte seg av en helt annen teknikk, nemlig svak gravitasjonslinsing. Lys bøyes av gravitasjon, og på samme måte som verden ser vridd ut gjennom bunnen av en glassflaske, vil galakser endre sin tilsynelatende fasong når lyset fra galaksene bøyes av gravitasjonen i universet. Gravitasjonen avhenger av innholdet i universet, og når man ser på hvor mye galaksene endrer form, kan kan altså si noe om innholdet, for eksempel av mørk energi. Dette gir enda en uavhengig måte å studere den mørke energien på.

Illustrasjon av gravitasjonslinsing. Lyset fra galaksene i bakgrunnen blir vridd og vrengt på av gravitasjonen fra en galaksehop som ligger langs synslinjen. Resultatet blir et litt vridd bilde av de bakre galaksene. Hvordan dette bildet er vridd kan fortelle oss noe om hva som ligger mellom oss og de bakre galaksene. (Ill.: Michael Sachs)

Selv om studier av mørk energi er et hovedmål for Euclid, er dette langt fra det eneste formålet med satellitten. Hvordan universet vokser og lys fra galakser bøyes forteller oss en god del om unvierset som helhet, og ikke bare den mørke energien. For eksempel håper vi å kunne finne ut en god del mer av hva mørk materie er for noe. Mørk materie er en type partikler som vi vet det må være svært mye av i universet, og vi vet at den ikke vekselvirker med lys. Den må derfor være usynlig. Akkurat hva mørk materie er og hvordan den oppfører seg, vet vi ikke så mye om, men også her vil Euclid bidra (jeg har tidligere skrevet litt grundigere om mørk materie i en artikkel på dagbladet.no).

Et annet mål for Euclid er å bestemme nøytrinomassen (jepp, disse spøkelsespartiklene som ble påstått å bevege seg raskere enn lyset og som Bjørn har blogget om tidligere). Vi vet at nøytrinoene har en masse, og at denne er svært liten, mindre enn en milliondel av elektronets masse. Akkurat hvor stor denne massen er, er fremdeles usikkert. Men siden nøytrinoer nest etter fotoner (lyspartikler) er de desidert mest tallrike partiklene i universet, vil de påvirke hvordan materien i universet klumper seg. Euclid vil derfor kunne brukes til å veie nøytrinoene mer nøyaktig enn noen gang tidligere.

For å gjøre alt dette skal Euclid observere over en milliard galakser. En milliard, tenk. Da er det betryggende å vite at kosmologigruppa ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo er aktivt med i arbeidet med Euclid-satellitten.

Men vent litt før du lar euforien løfte deg altfor høyt. Planlagt oppskyting av Euclid er ikke før i 2019, så det vil nok ta minst ti år før vi kan rapportere om de spennende resultatene i denne bloggen. Men tenk så lekende lett disse ti årene vil passere når vi vet hva vi har i vente :-)

Du kan se på mæ som redninga / Førr alle tvilera og hedninga Skyt lenger enn de fleste / Pluss æ har den største spredninga

Tungtvann i «96 %»

Anbefalt lenke:

Artikkel om årets nobelpris på hjemmesidene til Institutt for teoretisk astrofysikk. Her forteller Øystein Elgarøy grundig om supernovaer og mørk energi. Mye grundigere enn jeg har gjort.

About these ads

Om Jostein Riiser Kristiansen

Astrofysiker og førsteamanuensis ved Høgskolen i Oslo og Akershus.
Dette innlegget ble publisert i astrofysikk, fysikk og merket med , , , , , , . Bokmerk permalenken.

7 svar til Euclid skal måle mørk energi med kosmisk superlinjal

  1. Tilbaketråkk: Har vi oppdaget jordas tvilling, og er det liv der? | Kollokvium

  2. Tilbaketråkk: De 11 feteste astronominyhetene fra 2011 | Kollokvium

  3. Tilbaketråkk: Mørk materie kartlagt | Kollokvium

  4. Tilbaketråkk: Hypotetisk partikkelkalender: 23. desember – van den Aarsen-Bringmann-Pfrommer-partikkelen | Kollokvium

  5. Tilbaketråkk: Nye teikn på mørk materie | Kollokvium

  6. Tilbaketråkk: Mørk materie, mørk energi – og verdens minste sprettball | Kollokvium

  7. It’s going to be end of mine day, however before end I am reading this impressive
    post to improve my know-how.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s