Enten tar Einstein feil, eller så finnes mørk energi

Da forskerne oppdaget at universet utvider seg raskere og raskere, skjønte de også at det er mye vi ikke vet om universet.

I 2023 ble satellitten Euclid skutt opp ved Californias kyst i USA. Allerede samme høst kom de første bildene fra rommet. Nå venter forskerne i spenning på flere resultater. 

– Den viktigste grunnen til at Euclid-satellitten finnes, er at vi ønsker å forstå hvorfor universet ikke bare utvider seg, men hvorfor det utvider seg raskere og raskere, forklarer professor i astrofysikk Øystein Elgarøy.

Fra før har forskerne tre hypoteser om hva den akselererende utvidelsen skyldes: Einstens teori om rom-tid med en modifisert tyngdekraft, mørk energi, eller at vi ikke forstår hvordan vakuum, tomrom, oppfører seg.

Elgarøy er en av dem som sitter klar til å kaste seg over dataene fra satellitten.

Les også: Euclid er klar for oppskytning – ble reddet av SpaceX

Tyngdekraften skal tiltrekke seg masse – så hvorfor utvider universet seg?

Elgarøy forklarer at fram til et stykke ut på 1990-tallet var oppfatningen at masse er det viktigste bidraget til tyngdekraften på store skalaer.

– Hvis det er slik at det er vanlig masse og mørk materie som dominerer tyngdekraften på store skalaer i universet, ville vi forvente at universet ville utvide saktere og saktere, forklarer Elgarøy.

Og det er her det store mysteriet ligger: Alle målinger viser at universet utvider seg raskere og raskere. Elgarøy forklarer at tyngdekraften normalt sett er en kraft som virker tiltrekkende på masse. Denne kraften vil derfor egentlig virke som en brems på utvidelsen.

– Da forskere begynte å gjøre målinger som viste hvordan universet har utvidet seg over tid, så de også at det utvider seg fortere nå enn for fem-seks milliarder år siden. Og det kommer til å utvide seg fortere etter hvert som tiden går, sier Elgarøy, men det går ikke an hvis det er vanlig materie.

Så hva kan det være som sørger for at universet utvider seg på denne måten?

Einstein hadde en mulig løsning på problemet

Allerede i 1917 – før forskerne visste at universet utvider seg – lanserte Albert Einstein sin første kosmologiske modell. Denne løsningen er pakket inn i det som kalles den generelle relativitetsteorien, som blant annet forklarer hvordan tyngdekraften fungerer.

– Den gangen mente Einstein, og de aller fleste andre forskere, at universet var statisk. At det utvider seg, ble først oppdaget 10-12 år senere. Derfor prøvde Einstein å lage en modell for et statisk univers, men det fikk han ikke til med bare tiltrekkende tyngdekrefter, for da ville universet kollapse, forklarer Elgarøy.

Einstens løsning på dette ble å legge inn et ekstra ledd i likningen som var en kraft som motvirket tyngdekraften slik at universet ble stabilt. Dette leddet ble kalt for den kosmologiske konstanten.

– Da forskerne oppdaget at universet utvider seg hadde de ikke bruk for den kosmologiske konstanten, så da sluttet de å ha den med, helt til de oppdaget at universet utvider seg raskere. Da fant forskerne ut at den kosmologiske konstanten kunne være kraften som fikk universet til å utvide seg raskere, forklarer Elgarøy.

Problemet så ut til å være løst, eller?

Ingen kan forklare hva den kosmologiske konstanten egentlig er.

– I årene som har gått siden, har forskere forsøkt å skjønne litt mer av hvor den kosmologiske konstanten kan komme fra, sier Elgarøy. Et viktig bidrag kan være nullpunktsvibrasjonene til alle felt som fyller universet, altså vakuumenergi.

Det viser seg nemlig at vakuum, eller tomt rom, er fullt av energi. Selv når det er 0 Kelvin, som omtales som det absolutte nullpunkt – så kaldt at selv atomene står i ro – selv der er ikke energien null.

– Årsaken til at det er slik skyldes Heisenbergs uskarpshetsrelasjon, sier Elgarøy.

I korte trekk går uskarphetsrelasjonen ut på at du enten vet hvor en partikkel befinner seg, eller så vet du hvilken fart den har. Dette gjelder ikke bare for partikler, men også for felter. Ifølge Elgarøy betyr dette at hvis energien til feltet er null, så er endringsraten til feltet uendelig høy – og det går ikke. Derfor kan ikke feltet være null. Elgarøy forteller at forskere har forsøkt å regne ut denne vakuumenergien. Da så de noe rart:

– Det dukker opp et problem, for vakuumenergien viser seg å være mye større enn det som trengs for å forklare universets akselererende utvidelse, sier Elgarøy. I de mest ekstreme måtene å regne ut dette på så får du 10^120 ganger den kritiske tettheten, mens det som trengs er 0,7. Det er en ganske enorm mismatch.

Så hvordan skal forskerne forholde seg til disse tallene?

– En måte å se på dette på, er å si at vi ikke skjønner noe av denne vakuumenergien, sier Elgarøy. Da må vi tilbake til skrivebordet og regne det ut på nytt. Eller så kan vi si at det er mulig at vi har oversett et eller annet viktig prinsipp. For eksempel hvis vakuumenergien faktisk kan være null, men da må det være noe helt annet som gjør at universet utvider seg med økende hastighet.

Mørk energi

Kan det tenkes at det finnes en form for energi som skaper frastøtende gravitasjon? Ved å legge inn en slik form for energi kan forskerne få likningen til å gå opp.

– Vi vet ikke hva dette er, men vi kaller det for mørk energi, sier Elgarøy.

På den ene siden i Einsteins ligning som forklarer geometrien i rom-tid har du en størrelse som viser geometrien til rommet og tiden. På den andre siden så har du alt som finnes av masse og energi.

– De som tror at akselerasjonen kommer fra mørk energi, får til det ved å legge til noe på den siden av likningen som viser energi og masse. Dette noe ser ut som en frastøtende tyngdekraft, men det er en slags geometrisk effekt i romtiden, forklarer Elgarøy.

«Noe» blir gjerne kalt for mørk energi, men det er ingen som egentlig vet hva det er.

Tukling med tyngdekraften – den andre siden av likningen

– De som jobber med modifisert gravitasjon, de sier at nei, vi gjør det heller ved å endre den størrelsen som representerer rommet og tid, og dets krumming som respons på masse og energi, forklarer Elgarøy.

Ifølge ham finnes det mange modeller for både mørk energi og ulike tyngdekraft-modeller. Det er små forskjeller mellom modellene.

– Så langt har vi ingen observasjoner som kan fortelle oss hva som er den riktige modellen. Du kan lage gode modeller av begge forklaringene, og hver for seg stemmer modellene med observasjonene, sier Elgarøy.

Ulike observasjoner gir ulike modeller – derfor må alt måles samtidig for å få ett svar

Forskere har lenge visst at det er noe galt med modellene. Problemet er at det frem til nå ikke har vært mulig å gjøre målinger som bekrefter eller avkrefter de tre hovedmodellene for hvorfor universet utvider seg raskere og raskere.

– Det er her Euclid kommer inn, fordi det viser seg at alle disse modellene har tall i seg som ikke er teoretisk bestemt, men som du kan justere på og bestemme for å få modellen til å passe med observasjonene, forklarer Elgarøy.

Tidligere har forskere gjort målinger av avstander i universet, og hvor raskt de beveger seg bort fra oss. I tillegg er det gjort målinger av hvordan universet klumper seg sammen i bestemte områder. Disse målingene har tidligere blitt gjort hver for seg, noe som gjør det mulig å lage ulike modeller, tilpasset til hva som observeres.

– Hvis du har en mørk energi-modell og en modifisert gravitasjonsmodell så kan du få dem til å være enige om sammenhengen mellom avstand og fart for galakser, men du kan ikke få dem til å være enige om hvor raskt masse klumper seg sammen samtidig – så du må velge, forklarer Elgarøy.

Løsningen på dette er derfor å måle alt samtidig, og det er det Euclid er bygget for å gjøre.

Slik fungerer Euclid

Måten dette fungerer på er at Euclid tar bilder av en ganske stor del av himmelen, samtidig som den ser lengre ut i universet, og dermed bakover i tid.

Med observasjonene til Euclid kan man lage et kart som viser hvordan galaksene ligger fordelt over et stort område himmelen, samtidig som vi ser fordelingen av massen i tid. Spekteret til galaksene viser hvor raskt de beveger seg bort fra oss.

Med et slikt 3D-kart kan forskerne finne ut hvor raskt universet har utvidet seg til ulike tider.

Det kan ta lang tid å motbevise Einstein

Siden 1998 har forskerne visst at universet utvider seg raskere og raskere. Likevel har det tatt lang tid før Euclid ble sendt opp.

– Vi har noen store teorier som kan vise seg å være feil. Da bør vi være helt sikre på målingene, sier Elgarøy.

Det er viktig at forskerne kan stole på dataene de får. Derfor har det tatt tid å utvikle instrumenter som er nøyaktige nok, og metoder for å analysere dataene som er sikre nok.

– Hvis det viser seg at den generelle relativitetsteorien til Einstein ikke er helt riktig, så må den erstattes av en mer nøyaktig teori. Hvis det viser seg at det er mørk energi så vil jo det også være interessant, for det er et stoff vi ikke har sett før. Det kan også være at det er noe fundamentalt vi ikke forstå om hvordan vakuum fungerer og hva vakuum egentlig er, sier Elgarøy.

Mørk energi er den minst radikale modellen – det er et triks vi bruker når vi ikke skjønner noe

Personlig mener han at de to mest radikale mulighetene er å forandre på den generelle relativitetsteorien eller at det er vakuumenergi som er årsaken til akselerasjonen.

– Det minst radikale er å putte inn et nytt stoff som mørk energi. Det kommer nok litt an på hvem du spør, men jeg jeg synes at det er denne modellen som vil kreve minst, forklarer han. Når vi har observasjoner vi ikke kan forklare, da er det sikkert et nytt stoff, og det er enklere å legge til noe nytt, enn å forandre på 100 år gamle teorier, smiler Elgarøy. Dette er et triks vi griper til stadig vekk når vi ikke skjønner noe.

Kanskje får vi svaret om fem år?

– Hvis det er modifisert gravitasjon så betyr det at vi har tatt feil om hvordan gravitasjonskraften fungerer. Hvis akselerasjonen skyldes vakuumenergi så betyr det at vi ikke skjønner i det hele tatt hva tomrom er. Det vil antagelig kreve en helt nye type teorier hvis vi skal forstå dette, mener Elgarøy.

Selv om forskerne har fått bilder fra Euclid allerede, vil det kunne ta tid før resultatene er offentlige. Elgarøy forklarer at det det tar tid å få sikre konklusjoner og sørge for at alle mulige støykilder er godt forstått.

– Kanskje om en fem års tid, spekulerer han.

– Hvilken forklaring håper du at det er?

– Personlig håper jeg at det er den kosmologiske konstanten og vakuumernegi som vil passe best. Det er først og fremst fordi de modifiserte gravitasjonsteoriene er ganske ekle fordi du ender opp med teorier som er matematisk grisete. Vakuumenergi betyr at vi må ha noen radikale nye tanker og det synes jeg er en spennende mulighet.

– Uansett hva som er forklaringen vil det dukke opp mange nye spørsmål, avslutter han.