Universum växer allt snabbare

En mystisk mörk energi pressar på. Den fyller världsalltet till tre fjärdedelar, men ingen vet i dag vad den är för något. Kan det vara ett femte element? Eller Einsteins gamla kosmologiska konstant?

– Äntligen vet vi hur lite vi vet, konstaterar en av pristagarna, Saul Perlmutter.

Den mörka energin är nog fysikens största gåta i dag. Inte undra på att kosmologin skakades i grunden när två separata forskargrupper offentliggjorde sina fynd 1998. Upptäckten kom som en total överraskning även för pristagarna själva. Det de såg var som att kasta upp en boll i luften och se den först sakta av men sedan sätta fart och försvinna allt snabbare mot himlen. Gravitationskraften räcker plötsligt inte till för att vända bollens rörelse. Något liknande tycks hända i hela universum.

Saul Perlmutter ledde den ena gruppen, Supernova cosmology project, som startade sina observationer redan 1988. Brian Schmidt ledde en konkurrerande grupp astronomer, High-z supernova search team, som satte i gång sina studier 1994, och där den yngste av pristagarna, Adam Riess, kom att spela en nyckelroll för upptäckten.

Grupperna tävlade om att kartlägga världsalltet genom att finna de mest avlägsna supernovorna, stjärnutbrott i rymden. Genom att bestämma avståndet till supernovorna och hastigheten med vilken de far bort från oss, hoppades forskarna kunna avslöja vårt kosmiska öde. De väntade sig finna ett mått på en långsamt avtagande utvidgning av rymden. Så blev det nu inte. De fann motsatsen – utvidgningen tilltog med allt högre fart.

Det är inte första gången som astronomin vänder på våra föreställningar om universum. Ännu för hundra år sedan tedde sig hela världsalltet som en enkel och stilla plats. Universum var inte större än vår hemgalax, Vintergatan. Den kosmiska klockan verkade ticka pålitligt och regelbundet, och universum varade för evigt. Snart skulle dock en dramatisk omvälvning inträda i denna världsbild.

När astronomerna på 1920-talet fick tillgång till världens största teleskop på Mount Wilson i Kalifornien kunde de visa att Vintergatan bara är en galax bland många andra galaxer i universum.

De studerade så kallad rödförskjutning, som uppträder när ljuskällan avlägsnar sig från oss. Ljusets våglängd sträcks då ut och längre vågor har rödare färg. Ju längre bort galaxerna befinner sig desto snabbare far de i väg, blev slutsatsen, som numera kallas Hubbles lag. Kosmos växer.

Vad astronomerna såg på himlen hade faktiskt redan tidigare uppenbarat sig i teoretiska beräkningar. År 1915 lade Albert Einstein fram sin allmänna relativitetsteori som alltsedan dess utgör fundamentet till vår förståelse av världsalltet. Teorin beskriver ett universum som antingen måste utvidga sig eller krympa.

Fast inte ens Einstein kunde förlika sig med ett världsallt som inte hade funnits för evigt. Så för att stoppa en oönskad kosmisk utveckling satte Einstein in en konstant i sina ekvationer, den kosmologiska konstanten. Den beskrev energin hos själva tomrummet och skulle motverka gravitationens sammandragande verkan. Den kosmologiska konstanten var alltså ett slags antigravitation.

Senare betraktade Einstein den kosmologiska konstanten som sitt största misstag. Måhända visar det sig nu hur fel Einstein hade haft om att han hade fel – den kosmologiska konstanten har återkommit i kosmologin som en het kandidat till den mörka energin.

Upptäckten av expansionen blev ett avgörande första steg mot dagens standardbild av universum, som tillkommit genom big bang för nästan 14 miljarder år sedan. Både rummet och tiden fick sin början där. Alltsedan dess utvidgas rymden. Som i en jäsande deg där russinen förs allt längre bort från varandra, förs galaxerna bort av det kosmiska rummets utvidgning. Men vart bär det hän?

När Albert Einstein hade gjort sig av med den kosmologiska konstanten och försonats med tanken på att universum inte är statiskt, kopplade han ihop universums geometriska form med dess öde. Är det öppet, slutet eller mittemellan – ett plant universum?

Ett öppet universum är ett sådant där all materia som det innehåller inte klarar att med sin gravitation motverka expansionen utan blir alltmer utspätt i en allt större, allt tommare och allt kallare rymd. I ett slutet universum, å andra sidan, räcker materieinnehållet till för att hejda expansionen och vända den tillbaka mot en slutgiltig kollaps, big crunch. Det blir ett hett och våldsamt slut. Dock skulle de flesta kosmologer helst vilja leva i ett plant universum, som anses vara enklast och vackrast, matematiskt sett. Ett universum där expansionen skulle avta successivt. Varken is eller eld, alltså. Om man finge välja. Det kan man inte. Om det finns en kosmologisk konstant så kommer expansionen att fortsätta i allt snabbare takt, även om universum är plant.

Årets pristagare var ute efter att mäta den kosmiska inbromsningen. För att göra det måste de spana så långt bort som tekniken bara tillät.

Möjligheten att få de kosmiska pusselbitarna på plats öppnades först på 1990-talet. Digitala bildsensorer, tillsammans med sofistikerade teleskop och kraftfulla datorer, möjliggjorde då att himlen kunde finkammas i jakten på stjärnor som lyser med jämn styrka. Det gjordes med en särskild sorts stjärnutbrott, så kallade typ Ia-supernovor.

Explosionen utgör sista etappen av en stjärnas liv då kärnprocesserna avger stark strålning som under några veckor kraftigt ökar, för att sedan avta under de nästföljande månaderna. En enda sådan supernova kan under några veckor överglänsa en hel galax.

Har man sett en typ Ia-supernova har man sett dem alla. Därför lämpar de sig utmärkt för att bestämma vad som händer långt borta i rymden: lyser de svagare innebär detta att de är längre bort.

Men i hela vårt synliga universum inträffar kanske tio supernovautbrott av typ Ia i minuten. Fast universum är stort – i en galax tänds bara 1–2 supernovor per 1 000 år. Så när och var ska man titta?

Knepet var att avbilda en så stor yta av himlen som möjligt (ungefär en tumnagel på en armlängds avstånd) två gånger – i mörker strax efter nymåne och sedan tre veckor senare, innan månljuset återigen döljer annan strålning. Så jämförs bilderna på jakt efter en liten ljusprick som kanske kan vara ett tecken på att det i en galax långt borta har tänts en supernova, en pixel bland otaliga andra på den digitala bildsensorn. Bara de supernovor som var tillräckligt långt borta, kanske en tredjedel ut i det synliga universum, räknas så att själva utvidgningen kan mätas utan att lokala störningar påverkar.

Att hitta rätt supernovor blev en utmaning som tänjde ut, inte bara kunskapens och teknikens gränser utan också logistikens. Det krävdes ett nätverk av forskare som mycket snabbt kunde besluta vilken stjärna som var lämplig att följa. Man måste kunna växla mellan teleskopen och begära observationstid, vilket annars oftast tilldelas månader i förväg. Och det var bråttom – supernovorna falnar snabbt. Då och då korsade de två konkurrerande grupperna diskret varandras spår utan att avslöja sina förehavanden för varandra.

Sammanlagt hittade de drygt 50 avlägsna supernovor som verkade lysa svagare än väntat. Detta var tvärtemot vad forskarna hade förväntat sig att finna – supernovorna borde lysa starkare om universums utvidgning saktas av. I stället bleknar ljuset när de, inbäddade i sina galaxer, förs i väg med rymdens utvidgning som går allt snabbare. Expansionen bromsas inte – tvärtom – den tilltar, blev den oväntade slutledningen.

– Vi kämpade ett år för att förstå vad vi såg, berättar Saul Perlmutter, för det var svårt att tro sina ögon.

I januari 1998 uppmanade Adam Riess sina kolleger i den konkurrerande astronomgruppen i ett mejl: se på dessa resultat inte med hjärtat eller hjärnan utan med era ögon. Vi är observatörer, trots allt.

Fallgroparna hade varit många, så forskarna blev faktiskt stärkta av att båda grupperna kommit fram till samma överraskande slutsats. Mycket riktigt togs upptäckten emot med misstro från början. Nu har det gått 13 år sedan dess, och många senare studier bekräftar bara att vi lever i ett universum som till största delen är okänt för oss.

Vad är då denna mystiska mörka energi som alltmer töjer ut rymdväven? Flera lösningar har föreslagits. Det enklaste är att återuppliva Einsteins kosmologiska konstant, den som tidigare hade förpassats bort från teorin. Då sattes den kosmologiska konstanten in som motvikt till gravitationen från materien för att få fram ett stillastående universum. I dag tycks den kosmologiska konstanten snarare kunna stå för accelerationen av vårt expanderande universum.

Den kosmologiska konstanten är konstant, alltså förändras den inte med tiden. Så när gravitationen från materian späds ut i takt med rymdens utvidgning spelar den mörka energin en allt större roll. Därför gav sig den kosmologiska konstanten till känna först senare i universums historia, resonerar forskarna, någon gång för 5–6 miljarder år sedan.

Den mörka energin kan ha sin källa i tomrummet som enligt kvantfysiken aldrig är riktigt tomt. I stället sjuder det av energi skapad när virtuella materie- och antimateriepartiklar oavbrutet föds och förintas i en ständigt bubblande kvantsoppa.

Problemet är dock att mängden av denna mörka energi, enligt den enklaste kvantfysikaliska uppskattningen, inte det minsta stämmer överens med vad som har uppmätts i rymden – den blir 10120 (en etta följd av 120 nollor) gånger större. Det finns ett oförklarligt gigantiskt gap mellan teorin och observationerna – på jordens alla stränder finns det inte fler än 1020 (en etta med 20 nollor) sandkorn.

Det har också spekulerats om att den mörka energin snarare har sitt ursprung i något okänt kraftfält som fyller rymden, och då och då ger upphov till mörk energi. Det finns många sådana fält i fysiken med samlingsnamnet kvintessens, efter grekiskans ord för det femte elementet.

Vad den mörka energin än är för något verkar den vara här för att stanna. Den passar väl in i det kosmiska pussel som sedan länge håller på att läggas av fysiker och astronomer. Enligt den bilden består universum till cirka 75 procent av mörk energi. Resten är materia, men det stoff som galaxerna, stjärnorna, vi och blommorna är gjorda av utgör bara ynka fem procent av universum. De resterande 20 procenten kallas mörk materia och är av okänt slag.

Mörk materia är ytterligare ett mysterium i det redan till största delen okända kosmos. Liksom den mörka energin är den mörka materian osynlig. Båda ger sig till känna bara genom sin inverkan på omgivningen – den ena drar ihop, den andra pressar på.

– Vi befinner oss i just rätt ögonblick av universums miljarder år långa historia, säger Saul Perlmutter. Vi kan blicka tillbaka mot världsalltets våldsamma början i big bang och samtidigt försöka spana framåt. Jag tycker att kosmos är en mysig plats att vistas i.

Kanske mysig, men också nästan helt okänd, när vi numera måste konfrontera ett universum där 95 procent av innehållet är en gåta.