Observasjoner av fjerne supernovaer og den mystiske frastøtende kraften som driver kosmisk akselerasjon
En uventet vending i den kosmiske evolusjonen
Størstedelen av det 20. århundre mente kosmologer at universets utvidelse, som startet med Big Bang, etter hvert ville avta på grunn av materiens gravitasjonskraft. Det sentrale spørsmålet var om universet ville utvide seg for alltid eller til slutt begynne å trekke seg sammen, avhengig av dens totale massetetthet. Men i 1998 gjorde to uavhengige forskergrupper, som studerte Type Ia supernovaer ved store rødforskyvninger, en overraskende oppdagelse: i stedet for å avta, akselererer den kosmiske utvidelsen. Denne uventede akselerasjonen indikerte en ny energikomponent – mørk energi, som utgjør omtrent 68 % av all energi i universet.
Tilstedeværelsen av mørk energi har i hovedsak endret vårt kosmiske verdensbilde. Den viser at det virker en frastøtende effekt i stor skala som overskygger materiens gravitasjon, og dermed akselererer utvidelsen. Den enkleste forklaringen er den kosmologiske konstanten (Λ), som reflekterer vakuumenergien i romtiden. Likevel foreslår andre teorier et dynamisk skalarfelt eller eksotisk fysikk. Selv om vi kan måle effekten av mørk energi, forblir dens grunnleggende natur en av de største gåtene i kosmologien, noe som understreker hvor mye vi fortsatt ikke vet om universets fremtid.
2. Bevis for akselerasjon i observasjoner
2.1 Type Ia-supernovaer som standardlys
Astronomer bruker Type Ia-supernovaer – eksploderende hvite dverger i dobbeltstjernesystemer – som "standardlys". Deres største lysstyrke etter kalibrering er ganske konstant, så ved å sammenligne observert lysstyrke med rødforskyvning kan vi bestemme kosmiske avstander og ekspansjonshistorie. På slutten av 1990-tallet fant High-z Supernova Search Team (A. Riess, B. Schmidt) og Supernova Cosmology Project (S. Perlmutter) at fjerne supernovaer (~z 0,5–0,8) ser svakere ut enn forventet hvis universet bremset opp eller var statisk. Den beste forklaringen er akselerende ekspansjon [1,2].
2.2 CMB og studier av store strukturer
Ytterligere data fra WMAP og Planck-satellittenes kosmiske mikrobølgebakgrunnsstråling (CMB) anisotropier har fastslått presise kosmiske parametere som viser at all materie (mørk + baryonisk) utgjør ~31 % av den kritiske tettheten, mens resten (~69 %) består av den mystiske mørke energien eller "Λ". Studier av store strukturer (f.eks. SDSS) som observerer baryoniske akustiske svingninger (BAO) støtter hypotesen om akselererende ekspansjon. Alle disse dataene stemmer overens med at i ΛCDM-modellen utgjør ca. 5 % av materien baryoner, ~26 % mørk materie og ~69 % mørk energi [3,4].
2.3 Baryoniske akustiske svingninger og strukturvekst
Baryoniske akustiske svingninger (BAO), observert i galaksefordelingen på store skalaer, fungerer som en "standard linjal" for å måle ekspansjonen på forskjellige tidspunkter. Deres mønstre viser at universets ekspansjon har akselerert de siste ~milliarder år, noe som gjør at strukturveksten er langsommere enn forventet utelukkende fra materiedominans. Alle forskjellige datakilder peker på samme konklusjon: det finnes en akselererende komponent som overgår materiens bremsing.
3. Den kosmologiske konstanten: den enkleste forklaringen
3.1 Einsteins Λ og vakuumenergi
Albert Einstein introduserte i 1917 den kosmologiske konstanten Λ for å oppnå et statisk univers. Da Hubble oppdaget at universet utvider seg, forkastet Einstein Λ og kalte det "den største feilen". Paradoksalt nok kom Λ tilbake som hovedkandidaten for akselerasjonskilden: vakuumenergi, hvis tilstandsligning p = -ρ c² skaper negativt trykk og en frastøtende gravitasjonseffekt. Hvis Λ virkelig er konstant, vil universet i fremtiden nærme seg en eksponentiell ekspansjon, ettersom materietettheten blir ubetydelig.
3.2 Størrelse og "Fine-tuning"-problemet
Den observerte tettheten av mørk energi (Λ) er ~ (10-12 GeV)4, mens kvantefeltteori forutsier mye høyere vakuumenergi. Dette kosmologiske konstantproblemet spør: hvorfor er den målte Λ så liten sammenlignet med Planck-skalaens prediksjoner? Forsøk på å finne hva som kompenserer denne enorme mengden har foreløpig ikke gitt en overbevisende forklaring. Dette er en av fysikkens største "fine-tuning"-utfordringer.
4. Dynamisk mørk energi: kvintessens og alternativer
4.1 Kvintessensfelt
I stedet for en konstant Λ foreslår noen forskere et dynamisk skalarfelt φ med potensial V(φ), som varierer over tid – ofte kalt "kvintessens". Dens tilstandsligning w = p/ρ kan avvike fra -1 (som det burde være for en ren kosmologisk konstant). Observasjoner viser w ≈ -1 ± 0,05, som fortsatt tillater en liten avvik. Hvis w endret seg over tid, kunne vi kanskje lære om en annen ekspansjonshastighet i fremtiden. Men det er foreløpig ingen klare tegn på tidsvariasjon.
4.2 "Fantom" energi eller k-essens
Noen modeller tillater w < -1 ("fantom" energi), som fører til "Den store rivningen" (big rip), hvor ekspansjonen til slutt river selv atomer fra hverandre. Eller "k-essens" introduserer ikke-konforme former for kinetiske ledd. Dette er spekulativt, og vurdert ut fra supernova-, BAO- og CMB-data har ingenting så langt vist tydelig fordel over en enkel, nesten konstant Λ.
4.3 Modifisert gravitasjon
En annen tilnærming er å endre generell relativitet på store skalaer i stedet for å introdusere mørk energi. For eksempel kan ekstra dimensjoner, f(R)-teorier eller braneverdener skape tydelig akselerasjon. Men det er vanskelig å forene nøyaktige tester i solsystemet med kosmiske data. Så langt har ingen forsøk klart å overgå den enkle Λ-teorien i et bredere observasjonskontekst.
5. "Hvorfor akkurat nå?"-spørsmålet og tilfeldighetsproblemet
5.1 Kosmisk tilfeldighet
Mørk energi begynte å dominere først for noen milliarder år siden – hvorfor akselererer universet akkurat nå, og ikke tidligere eller senere? Dette kalles "tilfeldighetsproblemet", som antyder at kanskje det antropiske prinsipp ("intelligente observatører oppstår omtrent samtidig som materie og Λ har lignende størrelsesorden") forklarer denne tilfeldigheten. Standard ΛCDM løser ikke dette automatisk, men aksepterer det som en del av den antropiske konteksten.
5.2 Antropisk prinsipp og multi-univers
Vieni forklarer at hvis Λ var mye større, ville ikke strukturer dannes før akselerasjonen hindret materieakkumulering. Hvis Λ var negativ eller annerledes, ville andre evolusjonsforhold oppstå. Antropisk prinsipp sier at vi observerer Λ i akkurat den størrelsen som tillater dannelse av galakser og observatører. Med multi-univers-ideer kan man hevde at i forskjellige "bobler" (universer) gjelder ulike verdier for vakuumenergi, og vi havnet i akkurat dette på grunn av gunstige forhold.
6. Universets fremtidige utsikter
6.1 Evig akselerasjon?
Hvis mørk energi virkelig er en konstant Λ, vil universet i fremtiden gjennomgå en eksponentiell ekspansjon. Galakser som ikke er gravitasjonsmessig bundet (ikke tilhørende den lokale gruppen) vil bevege seg utenfor vår kosmologiske horisont, gradvis "forsvinne" fra synsfeltet og etterlate oss i et "øysamfunn i universet" hvor bare lokale sammenslåtte galakser gjenstår.
6.2 Andre scenarier
- Dynamisk kvintessens: hvis w > -1, vil ekspansjonen være langsommere enn eksponentiell, nær de Sitter-tilstanden, men ikke så sterk.
- Fantomenergi (w < -1): Kan ende i "Big Rip", hvor ekspansjonen overgår bindingen mellom atomer. Nåværende data motsier delvis et sterkt "fantom"-scenario, men utelukker ikke en liten w < -1.
- Vakuumnedbrytning: Hvis vakuumet bare er metastabilt, kan det plutselig gå over i en lavere energitilstand – dette ville være en skjebnesvanger hendelse i fysikkens kontekst. Foreløpig er dette bare spekulasjoner.
7. Nåværende og fremtidige studier
7.1 Ekstremt presise kosmologiske prosjekter
Prosjekter som DES (Dark Energy Survey), eBOSS, Euclid (ESA) og den kommende Vera C. Rubin (LSST)-observatoriet vil studere milliarder av galakser, måle ekspansjonshistorien gjennom supernovaer, BAO, svak gravlinsevirkning og strukturvekst. Målet er å bestemme tilstandsparameteren w med omtrent 1 % nøyaktighet for å teste om den virkelig er lik -1. Hvis en avvik i w oppdages, vil det indikere dynamisk mørk energi.
7.2 Gravitasjonsbølger og flerkanals astronomi
I fremtiden vil oppdagelsen av gravitasjonsbølger fra standard "sirener" (sammenslåinger av nøytronstjerner) gjøre det mulig å måle kosmisk avstand og ekspansjon uavhengig. Kombinert med elektromagnetiske signaler vil dette ytterligere presisere utviklingen av mørk energi. Målinger av 21 cm-stråling i den kosmiske morgentiden kan også hjelpe til med å undersøke ekspansjonen på større avstander og øke vår kunnskap om mørk energis oppførsel.
7.3 Teoretiske gjennombrudd?
Å løse problemet med den kosmologiske konstanten eller å oppdage det mikrofysiske grunnlaget for kvintessens kan kanskje lykkes hvis perspektivene for kvantegravitasjon eller strengteori utvikler seg. Også nye symmetriprinsipper (f.eks. supersymmetri, som dessverre ennå ikke er oppdaget ved LHC), eller antropiske argumenter kan forklare hvorfor mørk energi er så liten. Hvis "mørk energis vekkelser" eller en ekstra "femte kraft" skulle bli oppdaget, ville det fullstendig endre vår forståelse. Foreløpig er det dessverre ingen observasjoner som støtter dette.
8. Konklusjon
Mørk energi er en av de største gåtene i kosmologien: en frastøtende komponent som er ansvarlig for universets akselererende ekspansjon, oppdaget uventet på slutten av det 20. århundre ved studier av fjerne Ia-type supernovaer. Mange ekstra data ( CMB, BAO, linsing, strukturvekst) bekrefter at mørk energi utgjør ~68–70 % av universets energi, basert på den standard ΛCDM-modellen. Det enkleste alternativet er den kosmologiske konstanten, men den reiser utfordringer som problemet med den kosmologiske konstanten og "tilfeldighets"-spørsmål.
Kjente ideer (kvintessens, modifisert gravitasjon, holografisk konsept) er fortsatt ganske spekulative og har ikke like godt empirisk belegg som nesten stabil Λ. Fremtidige observatorier – Euclid, LSST, Roman Space Telescope – vil i løpet av de nærmeste årene betydelig forbedre vår kunnskap om tilstandsligningen og kan avklare om akselerasjonsraten endres over tid, eller om det skjuler seg hint om ny fysikk. Å finne ut hva mørk energi er, vil ikke bare avgjøre universets skjebne (om evig ekspansjon, "big rip" eller andre utfall), men også hjelpe oss å forstå hvordan kvantefelt, gravitasjon og selve romtid henger sammen. Dermed er løsningen på mysteriet om mørk energi et sentralt steg i den kosmiske detektivhistorien som forteller hvordan universet utvikler seg, eksisterer og kanskje til slutt forsvinner fra vårt synsfelt, mens den kosmiske ekspansjonen akselererer.
Lenker og videre lesning
- Riess, A. G., et al. (1998). "Observasjonelle bevis fra supernovaer for et akselererende univers og en kosmologisk konstant." The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Perlmutter, S., et al. (1999). "Målinger av Ω og Λ fra 42 supernovaer med høy rødforskyvning." The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
- Planck Collaboration (2018). "Planck 2018 resultater. VI. Kosmologiske parametere." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
- Weinberg, S. (1989). "Problemet med den kosmologiske konstanten." Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
- Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). "Mørk energi og det akselererende universet." Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.