Ny karta visar 11 miljarder år av universum

Detaljerade mätningar av mer än två miljoner galaxer har satts ihop till en tredimensionell karta över universums struktur, den mest detaljerade hittills. Detta har blivit möjligt efter den senaste mätperioden, under åren 2014–2019, inom det stora projektet SDSS, Sloan Digital Sky Survey.

Ju längre bort från oss en galax befinner sig, desto snabbare rör den sig bort från oss och desto rödare är ljuset som når oss därifrån. Genom att mäta denna rödförskjutning får vi ett mått på avståndet till galaxen. SDSS mäter både avståndet och galaxens exakta position på himlen. På så vis har den tredimensionella kartan byggts upp bit för bit. Därefter har forskare jobbat med att beräkna vad detta säger om universums egenskaper.

Eftersom det tar tid för ljus att nå oss från avlägsna platser i universum ser vi också bakåt i tiden. De mest avlägsna galaxerna i kartläggningen visar universum som det var för mer än elva miljarder år sedan. På så vis åskådliggör kartan hur universums struktur har utvecklats.

– De här resultaten går mycket djupare in i det förflutna än de tidigare. Nu kan vi följa universums expansion genom den kosmologiska tiden, säger Steffen Hagstotz, som forskar om kosmologi vid Stockholms universitet.

Vårt universum har utvecklats från ett tillstånd som något oegentligt brukar kallas för ”big bang”, trots att det egentligen inte var en smäll. Det handlar om att hela vårt universum för ungefär 13,8 miljarder år sedan var mycket litet, hett och sammanpressat.

– Den grundläggande idén är att alldeles i början var allting hopkopplat, säger Martin Rey, forskare i astronomi vid Lunds universitet.

I det lilla nyfödda universum var partiklar och ljus inte separerade från varandra, utan växelverkade hela tiden i en tät soppa, ett plasma av olika sorters partiklar som ständigt stötte i varandra.

– Små störningar spred sig som ljudvågor, ungefär som ringar på en damm, säger Martin Rey.

Men till skillnad från vågorna på en damm, som rör sig uppåt och nedåt, är ljudvågor skiftningar i tryck. I ljudvågorna blev plasmat omväxlande förtätat och förtunnat. Effekterna av de här små störningarna märks fortfarande.

Ju större universum blev, desto glesare blev det med kollisioner mellan partiklarna. Efter cirka 400 000 år hade universum utvidgats så mycket att en elektron som fastnat i en bana kring en proton inte omedelbart knuffades loss igen. Atomer bildades, och ljus kunde färdas fritt i mellanrummen utan att absorberas. Nu fanns inte längre ett tätt plasma där ljudvågor kunde fortplanta sig. Materian och strålningen i universum kopplades isär, och skiftningarna i täthet blev kvar.

– Ljudvågorna har gjort avtryck i fördelningen av materia, säger Martin Rey.

Det betyder att forskarna kan titta på den nya galaxkartan och följa hur de ursprungliga ljudvågorna har påverkat utvecklingen sedan dess.

Ljuset som släpptes fritt när materian kondenserades till atomer finns fortfarande kvar som kosmisk bakgrundsstrålning. Universums expansion har tänjt ut ljuset, så att våglängden har förskjutits mot det röda och ända in i radiodelen av spektrum. Därför fångar vi i dag upp den kosmiska bakgrundsstrålningen som mikrovågor.

Bakgrundsstrålningen är mycket jämn och enhetlig, men de små krusningarna från den ursprungliga plasmadammen går att urskilja. De studeras med hjälp av flera olika rymdbaserade instrument, och har gett en mängd detaljerad information till dagens förståelse av universums uppbyggnad och utveckling.

Efter att atomer bildats och bakgrundsstrålningen släppts loss följde en period som kallas för ”de mörka tidsåldrarna”, när det enda som fanns var en allt mer uttänjd gas av väte- och heliumatomer och mörk materia. Inga stjärnor lyste ännu genom rymden.

De ojämnheter som de ursprungliga krusningarna lämnat efter i form av tätare och glesare områden blev de första fröna till ytterligare förtätningar, som drogs ihop allt mer av gravitationen. Så uppstod efter kanske ett par hundra miljoner år de allra första stjärnorna, och så småningom också de första egentliga galaxerna. Forskare söker efter den första generationen av stjärnor och galaxer, men har ännu inte lyckats observera dem.

Ljudvågorna i det ursprungliga plasmat gav avtryck i hur galaxerna fördelades. Om man väljer ut en slumpmässig galax i rymden och mäter hur långt det är till omgivande galaxer, så ligger de utspridda på ett typiskt sätt där flest grannar hamnar på ett visst avstånd.

– Det är den karakteristiska skalan som finns infrusen från det tidiga universum som vi kan studera i fördelningen av galaxer, säger Steffen Hagstotz.

Allt eftersom universum har utvidgats har den här karakteristiska skalan följt med, och också tänjts ut. Med den nya kartan från SDSS har det blivit möjligt att följa och mäta den här utvecklingen längre bakåt i tiden än någonsin tidigare.

Universum har inte växt likadant hela tiden. Under en lång tid dominerades utvidgningen av gravitationen från materia, inklusive mörk materia, som bromsade in universums expansion. För kanske åtta miljarder år sedan tog en annan kraft överhanden, det okända fenomen som kallas mörk energi, och expansionen började långsamt accelerera. Så har det fortsatt fram till vår tid.

Den nya kartan ringar in den tid då den mörka energin tog över, vilket är intressant för dem som studerar den mörka energins egenskaper. Vad den mörka energin egentligen är går dock inte att läsa ut från en sådan här karta.

Kosmologin har gjort stora framsteg under de senaste 30 åren, och nya detaljer tillkommer hela tiden. I den nya kartan har forskarna nu fått nästa pusselbit.

– Det viktigaste är egentligen att resultaten inte är överraskande. De passar mycket väl in med den kosmologiska standardmodellen, säger Steffen Hagstotz.

Modellen han talar om säger bland annat vad universum är uppbyggt av. 5 procent är vanliga atomer – det vi brukar kalla materia. 27 procent är mörk materia som med sin gravitation bidrar till att materian samlar sig i galaxer och galaxhopar, och 68 procent är mörk energi som pressar isär universum och får expansionen att accelerera. Den här bilden har blivit allt mer väl utmejslad.

– När vi läser artiklarna blir vi imponerade av hur precisa resultaten är, säger Martin Rey.

Ett av de viktigaste rönen från analyser av den nya kartan är att universums geometri verkligen är platt. Det betyder att två parallella ljusstrålar fortsätter att vara parallella hur långt de än färdas, och att tre rymdskepp långt ifrån varandra kan mäta upp triangeln som de spänner upp mellan sig och finna vinkelsumman 180 grader. Rymden är visserligen lokalt krökt där den påverkas av gravitationen, men SDSS styrker de tidigare resultat som pekat mot att universum, som helhet, är platt.

En gåta som den nya kartan inte kunnat lösa handlar om värdet för hur snabbt universum expanderar: Hubbleparametern, (läs mer här). Olika sätt att mäta Hubbleparametern ger värden som inte stämmer överens. Beräkningar utifrån SDSS stämmer överens med ett av dessa värden, men ger ingen ledtråd till varför diskrepansen mellan olika mätningar uppstår.