Nu ska universums mörker mätas

Sedd på avstånd är vår sol en rätt anspråkslös stjärna. Den ligger en bit ut i en spiralarm i vår galax, Vintergatan. Från en utkikspunkt lite längre bort skulle en hypotetisk betraktare se den omgiven av några små dvärggalaxer, och en bit bort finns den ståtliga Andromedagalaxen.

Skulle vi ta en ännu bredare titt på omgivningen finner vi att Vintergatan och dess närmaste grannar finns i utkanten av ett jämförelsevis galaxtomt område – ett kosmiskt tomrum. En stor del av universums galaxer ligger som pärlor på tunna trådar kring sådana tomrum.

– Om vi tar en kub av universum med en sida på hundra miljoner ljusår har den en struktur som påminner om en tvättsvamp, säger Joop Schaye, professor vid universitetet i Leiden, Nederländerna.

På den skalan är universum likadant överallt. Det går inte att se någon egentlig skillnad mellan ett svampliknande område och ett annat.

Joop Schaye är en av de ledande personerna i ett projekt för att bygga datormodeller av hur materia av olika slag är fördelad i universum och hur det har förändrats med tiden. Sådana simuleringar är stora nog för att ge en representativ bild av hur strukturer har uppstått och förändrats.

– I en bild av vår simulering är varje galax mindre än en pixel, säger Joop Schaye.

De enskilda galaxerna och deras inre dynamik syns alltså inte ens i simuleringen på de här stora skalorna. Det är ändå det som händer på dessa enorma avstånd som skapar förutsättningarna för att stjärnor och galaxer ska kunna uppstå.

I världsalltets första tid var all materia och energi mycket jämnt fördelad. Allting hade samma temperatur, så när som på ytterst små slumpmässiga variationer. Vi kan se avtrycket av de här små variationerna i den kosmiska bakgrundsstrålningen, som kommer från ungefär 380 000 år efter att universum uppstod.

De minimala skillnaderna har fungerat som frön, som har kunnat växa till strukturer där så småningom stjärnor och galaxer har bildats. Där det fanns lite mer materia blev gravitationskraften lite starkare. Ännu mer materia drogs då åt det hållet, och tätheten ökade ytterligare. Som en rullande snöboll drog materia med sig mer materia i ett gemensamt fall åt samma håll.

Till slut bildades extra täta knutor av gas, där vissa delar kan förtätas så mycket att de tänds till stjärnor i galaxer.

Vilka typer av partiklar och krafter som är inblandade påverkar hur fort den här processen går, hur stora ansamlingar som bildas, och så vidare. På så vis kan universums storskaliga struktur ge viktiga ledtrådar till några stora gåtor som återstår att lösa. Inte minst gäller det universums okända, ”mörka” komponenter: den mörka materian som med sin gravitation hjälper till att samla ihop gas till galaxer och stjärnor, och den mörka energin som i stället föser galaxerna ifrån varandra genom att få rymdens expansion mellan galaxerna att accelerera.

Ingen vet ännu vad den mörka materian och den mörka energin faktiskt är för något. Däremot vet vi att en ”kall” mörk materia, som består av någon form av partiklar som rör sig relativt långsamt, passar bra ihop med de strukturer som faktiskt har uppstått i vårt universum.

För att undersöka hur universums strukturer bildas jobbar Joop Schaye tillsammans med många kollegor på att göra enorma datorsimuleringar inom ett projekt som heter Flamingo. Principen är att beräkna hur materia har dragits ihop till strukturer med galaxer och galaxhopar, genom att låta gravitationen och andra krafter ha sin gång från kort efter big bang och genom miljarder år fram till vår tid. 2023 presenterade de sina största resultat hittills, i form av ett paket av flera olika typer av simuleringar. Den största av dem krävde trettioen miljoner processortimmar vid ett brittiskt superdatorcentrum. För att en sådan simulering ska bli klar på rimlig tid används många processorer parallellt – i just den simuleringen ingick 15 360 processorer.

– Astronomer kan inte ha en galax i ett labb och se den utvecklas. Vi måste accelerera processen i en dator. Då kan vi snabbspola och se vad som händer, säger Joop Schaye.

För att beräkningarna ska bli hanterliga måste forskarna göra en del förenklingar. De kan inte beräkna läget för varenda atom, utan de hanterar större enheter som innehåller från hundra miljoner till flera miljarder gånger solens massa. Sedan får dessa delar växelverka med varandra. Alltihop hanteras ungefär som en stor gas eller vätska med strömmar och virvlar.

Redan ganska enkla simuleringar med bara gravitation och utan kollisioner kan ge något som påminner om universums verkliga struktur. För att verkligen begripa hur förutsättningarna för stjärnor och galaxer uppstår behövs trots detta fler av universums ingredienser. Det blir snabbt mer komplicerat därför att det finns massor av återkoppling från fysik på mindre storleksskalor som påverkar de stora skalorna. Det handlar till exempel om stjärnvindar och supernovor som hettar upp gasen omkring sig och motverkar att den klumpar ihop sig, men i ännu högre grad de galaxvindar som orsakas av supermassiva svarta hål i galaxernas mitt. När de svarta hålen drar till sig gas hettas den upp och strålar ut enorma mängder energi. För att få en realistisk modell måste forskarna därför stoppa in parametrar som står för fysiken inom massklumparna som utgör de minsta delarna i simuleringen.

Den senaste stora simuleringen från Flamingo är den största som gjorts som både innehåller mörk materia och vanlig materia, som består av atomer, och en typ av partiklar som kallas neutriner.

Om andelen av de olika ingredienserna ändras, eller om återkopplingen från galaxvindarna modifieras, då uppstår ett annorlunda universum. De olika strukturerna blir större eller mindre, och tiden de tar på sig att bildas varierar.

– Vi kan vrida på inställningarna och se vad det ger för resultat, säger Joop Schaye.

Med vissa kombinationer av materia och krafter i universum blir resultatet mer likt det universum som faktiskt omger oss. På så vis går det att dra slutsatser om den fysik som påverkar världsalltet. Simuleringarna kommer till nytta för att tolka de observationer astronomer gör i stora genommönstringar av stjärnhimlen med teleskop.

Forskningen om universums innehåll och struktur är precis på väg att få nya data från det storskaliga kartläggningsprojekt som nyligen har påbörjats med det europeiska rymdteleskopet Euclid.

Euclid skickades ut i rymden sommaren 2023. En forskare som varit inblandad i förberedelserna är Martin Sahlén, forskare och docent i astronomi vid Uppsala universitet.

– Euclid kommer att kartlägga den sentida storskaliga strukturen. Då pratar vi om de senaste tio miljarder åren, så det är ju ändå ganska lång tid sedan, säger Martin Sahlén.

Den delen av projektet är tänkt att täcka in mer än en tredjedel av himlen, för att ge underlag till en omfattande, tredimensionell karta.

Dessutom ska Euclid titta noggrannare på en liten del av himlen, men då i stället se väldigt djupt och noggrant, ända tillbaka till några hundra miljoner år efter big bang.

För en betraktare av de läckra teleskopbilder som visar ett världsallt fyllt av stjärnor och stoftmoln kan det vara svårt att greppa att vi bara kan se en liten bråkdel av universums innehåll. Massa ger både upphov till gravitation och påverkas av den. Av all massa i universum är det bara en femtedel som består av vanliga atomer – baryonisk materia som kosmologer kallar det. Av den baryoniska materian är dessutom en stor del i form av glest utspridd gas mellan galaxerna, som är mörk och inaktiv och delvis oerhört svår att mäta.

Resten av materian i universum är den tidigare nämnda mörka materian, som kanske hellre borde kallas osynlig materia. Den växelverkar inte med ljus, och märks inte på något annat sätt än genom gravitationen. Utöver det är rymden fylld av mörk energi, som finns överallt men är så subtil att den bara märks när vi observerar universum på oerhörda avstånd. Den får universums stadiga expansion att accelerera.

Men hur kan vi veta att de här mörka delarna finns, när de inte syns?

– Alla observationer stämmer väl tillsammans och kan pusslas ihop till enhetlig bild med hjälp av mörk materia och mörk energi. Det är nära nog omöjligt att få ihop det utan dem, säger Martin Sahlén.

De observationer han syftar på omfattar bland annat hur olika objekt rör sig, till exempel hur galaxhopar kan hållas samlade trots att galaxerna har så hög fart att de borde skingras. Utöver det handlar det också om hur stora strukturer ser ut och hur de är fördelade.

En annan ingrediens i universum är neutriner, en typ av elementarpartiklar som har så liten massa att det hittills inte finns någon direkt mätning av den. Därför rör sig en neutrino mycket snabbt. Trots att de växelverkar oerhört lite med vanlig materia är de så många att de också påverkar strukturbildningen. Tvärtemot den kalla mörka materian, som hjälper till med att skapa förtätade områden med hög gravitation, så bidrar de snabba neutrinerna till att jämna ut strukturerna.

Stora kartläggningar av universum kan ge ett mått på massan hos neutrinerna, och det är något som forskarna bakom Euclid vill göra, påpekar Joop Schaye. Neutrinernas effekt kan vara svår att skilja från effekten av galaktiska vindar som drivs av stjärnor och svarta hål. Simuleringar kan hjälpa till med att tolka och skilja mellan olika företeelser som kan ha liknande konsekvenser för universums strukturer.

Utöver resultatet av detaljerade storskaliga simuleringar använder forskare emulatorer – maskininlärningsmodeller som kan återskapa simuleringarna tillräckligt bra för att kunna testa vilka kombinationer av parametrar som ger ett universum med ett visst utseende.

Både Martin Sahlén och Joop Schaye har arbetat med sådana. Principen är att göra ett antal simuleringar av mindre volymer av universum med olika värden på olika parametrar. Resultaten används som träningsdata för maskininlärning.

– Vi tränar maskinen för att förutsäga resultatet av varje simulering. Sedan kan vi vända på det och fråga maskinen vilka parametrar som behövs för att ge ett visst resultat förklarar Joop Schaye.

Genom att ge en sådan maskin värden på de observerade egenskaperna i universum – typiskt antalet galaxer för en given mängd massa och mängden gas per galaxhop – går det alltså att få ut värden på de underliggande parametrarna. Då går det att allt bättre ringa in de egenskaper universum behöver ha för att ge upphov till just de strukturer som observeras.

Dagens kosmologiska standardmodell förklarar det mesta i det universum som visar sig i tele­skopen, och inget tyder på att den kommer att kastas omkull. Det finns ändå några viktiga gåtor som kan rymma ledtrådar till något nytt. En av gåtorna är värdet på Hubblekonstanten, som är ett mått på hur fort universum utvidgas. Olika sätt att mäta ger olika värden på denna konstant, och det är svårt att se hur de olika mätresultaten ska kunna förenas med varandra.

Många forskare undrar om det kan finnas okänd fysik som kan upptäckas genom att undersöka de här olika fenomenen. En sak de vill göra med data från Euclid är att försöka se om universums expansion har förändrats på något sätt som inte finns med i den rådande modellen. Det skulle kunna leda till nya insikter om universums uppbyggnad.

Ett annat spår att utforska är att vi kanske inte befinner oss på en typisk plats i universum.

– En möjlig förklaring som har väckts av och till är att det tomrum vi befinner oss i utkanten av expanderar. Det skapar en rörelse, och då kanske universums expansion ser annorlunda ut just här, säger Martin Sahlén.

Han har själv haft en student som försökt testa om det verkar vara så, men inte hittat några tecken som stöder det. Andra forskare som har dragit upp hypotesen hävdar att det kan vara en möjlig förklaring till problemet med Hubblekonstanten.

Ytterligare en hypotes som kan testas med Euclid och med stöd av stora simuleringar är om det finns tecken på avvikelser från Albert Einsteins beskrivning av gravitationen. Beroende på vilken typ av avvikelse som i så fall upptäcks kan det påverka bedömningarna av hur mycket mörk materia eller mörk energi det finns.

Ingenting tyder just nu på att hela kosmologins modell för universum står på spel. Det finns ändå en räcka gåtor och mysterier som kan få sina lösningar genom de stora satsningarna på att kartlägga universums struktur.