Har vi misforstået universet?

Hvordan er universet bygget op?

Det er et særdeles stort spørgsmål, men siden 1917 har vi faktisk haft et godt bud på det.

Den bedste model, vi har for universet, er nemlig grundlæggende den samme, som Albert Einstein udledte i 1917. Den plejede vi kosmologer at være vældig tilfredse med, og vi var stolte over, hvor godt teorien passede med observationer.

I de seneste år er overensstemmelsen mellem teori og observationer dog begyndt at smuldre.

I et forsøg på at redde modellen, vælter videnskabelige tidsskrifter i artikler, der beskriver forskellige former for lappeløsninger.

Men måske skal der mere end en lappeløsning til for at hjælpe kosmologien ud af dens krise. Måske skal vi genoverveje nogle af de antagelser, Einstein lavede for godt 100 år siden.

Det er lige præcis det, jeg forsker i.

Min forskning handler om at stille spørgsmålstegn ved en af de mest fundamentale antagelser i kosmologi, samt at identificere måder vi via astronomiske observationer kan skelne imellem forskellige forklaringer på universets mest mystiske bestanddel:

Mørk energi.

Alt det kan du læse meget mere om i denne to-delte artikel, men først må vi et smut tilbage til 1915.

Det hele handler om generel relativitetsteori

Moderne kosmologi – læren om universet som helhed – er baseret på Albert Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915. Teorien siger, at det, vi opfatter som tyngdekraften, i virkeligheden er et udtryk for, at rumtiden krummer.

Det betyder at legemer – såsom en planet – laver fordybninger i rumtiden, ligesom en petanquekugle, der ligger på et udspændt stræklagen, laver en fordybning i lagnet.

Når et æble falder mod jorden, er det altså ikke fordi, der er en ’kraft’, der trækker i det, men fordi den triller ned mod bunden af rumtidsfordybningen, som jorden laver – ligesom en let trækugle ville følge stræklagnets krumning og rulle ned mod petanquekuglen i bunden af lagnets fordybningen.

Det lyder måske noget abstrakt, og den tilhørende matematik er heller ikke den simpleste.

Lad os antage...

Det matematiske fundament for generel relativitetsteori kalder vi for Einsteins ligning. Den kan skrives som:

Heldigvis behøver vi ikke kende detaljerne af ligningens betydning for at få en idé om, hvordan generel relativitetsteori bruges i kosmologi.

Vi skal blot vide, at der på højresiden af Einsteins ligning står, hvordan fordelingen af stof er i det system, vi gerne vil beskrive. Det kunne eksempelvis være Solsystemet. I så fald ville vi skulle indsætte, hvordan solen og planeterne er placeret i forhold til hinanden.

På venstresiden af ligningen står der, hvordan den tilhørende rumtid krummer.

I ord siger ligningen, at det er fordelingen af stof, som bestemmer, hvordan rumtiden skal krumme. Samtidig er det rumtidskrumningen, der fortæller stoffet, hvordan det skal bevæge sig. Det vil sige, hvordan fordelingen af stoffet ændres med tiden.

Hvis vi bliver ved eksemplet med Solsystemet, beskriver Einsteins ligning altså, hvilke fordybninger Solen og planeterne laver i rumtiden, samt hvordan disse fordybninger dikterer planeternes baner omkring Solen.

På den måde bestemmer rumtidskrumningen næsten alt, hvad der foregår på astronomiske skalaer:

Det er nemlig rumtidskrumningen, der bestemmer, hvordan astronomiske legemer, såsom planeter, bevæger sig.

Universet er som et glas vand

I 1917, to år efter Einstein fremlagde den generelle relativitetsteori, brugte han sin ligning til at lave en model for universet.

For at gøre dette, skulle han på højresiden af ligningen indsætte, hvordan stoffet er fordelt i universet. I princippet skulle Einstein altså beskrive, hvordan alt i universet er placeret i forhold til hinanden: Alle stjerner, planeter og så videre.

Det er naturligvis ikke praktisk muligt – men heldigvis er det heller ikke nødvendigt.

Einstein mente nemlig, at universet på tilpas store skalaer er ens alle vegne, i hvert fald statistisk set.

Det kalder vi det 'kosmologiske princip'. Rent praktisk betyder det kosmologiske princip, at vi i højresiden af Einsteins ligning nøjes med at indsætte en helt ensartet fordeling af stof – ligesom det vi ser, når vi kigger på vand i et glas.

Med den erkendelse kunne Einstein løse sin ligning for hele universet. Han fandt ud af, at generel relativitetsteori siger, at universet opstår ud af ingenting for derefter at udvide sig, indtil det begynder at falde sammen igen og til sidst forsvinder.

Et univers, der opstod for en endelig mængde tid siden og begyndte at udvide sig, kalder vi et 'Big Bang' univers.

Observationerne banede vejen for det mørke univers

Einstein troede ikke selv på modellen, men i løbet af det efterfølgende årti viste observationer, at universet rent faktisk udvider sig.

I dag bruger vi derfor grundlæggende den samme model, som Einstein udledte i 1917.

Vi har dog justeret lidt på indholdet af universet. Vi indsætter stadig en helt ensartet fordeling af stof i højresiden af ligningen. Men vi kan justere, hvor meget stof vi putter ind i universet, og hvilke typer af stof, vi indsætter.

Hver ny kombination giver en ny forudsigelse for, hvordan universet har udviklet sig.

Den udvikling sammenligner vi med observationer lavet med teleskoper. Derefter justerer vi på mængden og typerne af stof, indtil vi får en udvikling, der passer med observationerne.

Den fremgangsmåde har gjort, at vi i dag har en model for universet, der er enormt god til at beskrive de observationer, vi laver.

Den har også gjort os i stand til at beskrive universets historie i god detalje i alle dets næsten 14 milliarder år – den alder, som den førende model for universet siger, at universet har.

Det mørke univers

Det eneste lille ’men’ er, at modellen ’afslører’, at vi kun kender fem procent af universets indhold. Alt vi ved, hvad er, kalder vi almindeligt stof.

Det er det, du og jeg, alle stjernerne, planeterne, det intergalaktiske støv og så videre er lavet af.

Hvis de teoretiske forudsigelser af Einsteins ligning skal passe med vores observationer, skal vi justere på universets indhold (højresiden af Einsteins ligning) således, at fem procent er almindeligt stof, imens resten af indholdet udgøres af to mystiske komponenter, vi har døbt 'mørkt stof' og 'mørk energi'.

Vi har en stor forventning om, at mørkt stof udgør en eller flere typer af partikler, som vi ikke kender i dag.

Derfor leder vi for eksempel efter dem ved at lave partikel-eksperimenter på det fælles europæiske forskningslaboratorium CERN.

Mørk energi er meget mere mystisk. Det er en bestanddel af universet, hvis vigtigste egenskab er at udøve en form for antityngdekraft.

Mørk energi er faktisk så mystisk, at man kan fristes til at tro, at det slet ikke findes. Måske er der tale om, at vi fejlfortolker vores astronomiske observationer?

Den mulighed ser vi på i næste og sidste del af artiklen: Universet i krise: Har vi opdaget eller opfundet mørk energi?