Fødselen, væksten og fremtiden for vores univers er evigt fascinerende.
I de sidste årtier har teleskoper været i stand til at observere himlen med hidtil uset præcision og følsomhed.
Vores forskerteam på South Pole -teleskopet studerer, hvordan universet udviklede sig og har ændret sig over tid. Vi har netop frigivet to års værdi af kortlægning af spædbarnetsuniverset over 1/25 af himlen.
Disse observationer har skærpet vores forståelse af arten af mørk energi og den hastighed, hvorpå universet udvides.
Hvad er den nuværende teori om, hvordan vores univers begyndte?
Vores nuværende model for det tidlige univers er kendt som “Hot Big Bang.”
Den beskriver den første fase af vores univers som en oprindelig ildkugle sammensat af et meget varmt plasma, ligesom vores sol.
Big Bang startede for ca. 13,8 milliarder år siden, da et fænomen kendt som kosmisk inflation fik universet til at udvide sig hurtigere end lysets hastighed i en brøkdel af et sekund.
Da universet ekspanderede og afkøles efter inflation, lignede den almindelige sag (den type, vi kan se og interagere med) meget som vores sol, et superopvarmet plasma bestående af fotoner, elektroner og ioniserede (eller ladede) brint og heliumkerner.
Moderne teleskoper kan detektere svag stråling fra 400.000 år efter Big Bang, kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB). CMB er et øjebliksbillede af plasmaet og betingelserne på det tidspunkt, hvor plasmas temperatur var afkølet til ca. halvdelen af solen.
Denne afkøling gjorde det muligt for plasmaet at rekombinere og danne atomer som brint og helium. På tidspunktet for CMB var universet næsten perfekt ensartet med kun 1 del i 100.000 variationer i densitet over hele himlen.
Vores nuværende teori forudsiger, at mørkt stof kollapser for at danne tætte regioner, der trækker i det nærliggende almindelige stof. Gassen i disse tætte regioner afkøles og kollapser derefter for at danne galakser og stjerner, vi ser i dag.
Sammen omfatter disse faser den aktuelle bedste model for dannelsen af kosmos, kendt som Lambda-Cold Dark Matter eller Lambda-CDM-modellen.
Hvad er mørk energi, og hvorfor er det så vigtigt?
Hvis universet kun indeholdt almindeligt stof og mørkt stof, ville vi forvente, at tyngdekraften i hele messen i universet vil bremse universets ekspansion på samme måde som, hvis du kaster en bold op, trækker Jordens tyngdekraft det tilbage.
I 1998 opdagede astronomer, der målte afstanden til fjerntliggende supernovaer, at udvidelsen var begyndt at blive hurtigere i stedet for langsommere.
For at forklare dette påkaldte forskere mørk energi, et ukendt noget, der i modsætning til stof, gravitationsmæssigt afviser i stedet for at tiltrække, skubbe universet fra hinanden næsten som “anti-tyngdekraft.” Den enkleste version af Dark Energy er Einsteins originale idé til en kosmologisk konstant, som en måde at afbalancere tyngdekraften i hans teori om generel relativitet.
Den mystiske mørke energi udgør næsten 70% af universet i dag. Og selvom vi ikke kan se Dark Energy direkte, bestemmer det, hvordan vores univers udvides og dets eventuelle skæbne.
Hvad er de nye observationer?
Sydpoleteleskopet er et 10-meter teleskop med 16.000 detektorer, der er følsomme over for millimeterbølgelængde lys, der ligger ved Amundsen-Scott South Pole Station i Antarktis.
Vores internationale team indsamlede data over to år med hovedinstrumentet.
Vi analyserede disse data, der dækker 1/25 af himlen, for at foretage præcise målinger af temperatur- og polarisationsmønstre forårsaget af fordelingen af stof i den kosmiske mikrobølgebaggrund for det tidlige univers.
Vi kombinerede kortene over det tidlige univers fra South Pole -teleskopet med observationer af 3D -distributionen af galakser, der tidligere var foretaget af Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) -samarbejde.
Det, vi så i DESI-eksperimenterne, og nu styrket af vores South Pole-teleskopobservationer, er, at mørk energi bliver svagere med tiden eller tidsudvikling. Dark Energy’s acceleration af universets ekspansion kan stoppe langt i fremtiden.
Resultaterne er nu tilgængelige for adgang og er blevet indsendt til peer review.
Hvorfor kan teorien om universet have brug for opdatering?
De nye målinger med South Pole -teleskopet muliggør mere præcise begrænsninger for vores kosmologiske modeller. Især strammer dataene vores måling af lydhorisontskalaen for 13,8 milliarder år siden.
Tidligere blev guldstandarden for kosmiske mikrobølgebaggrundsmålinger leveret af Planck Satellitdata, taget for et årti siden.
De forbedrede målinger fra South Pole-teleskopet, når de kombineres med DESI-eksperimentet og andre CMB-datasæt, reducerer sandsynligheden for en kosmologisk konstant og øger præference for tidsudviklende mørke energimodeller.
Betydningen øges yderligere, når observationer af supernovaer tilføjes.
Så er Einsteins teori om relativitet forkert, eller har det bare brug for en finjustering?
Da Einstein først formulerede sin teori om relativitet i de tidlige 1900’ere, var den herskende model et statisk univers, i modsætning til dagens ekspanderende univers.
For at forhindre gravitationskollaps og tillade et evigt statisk univers tilføjede Einstein et frastødende udtryk til sin teori, kaldet en “kosmologisk konstant.” Einstein trak sig senere tilbage efter Edwin Hubbles opdagelse af, at universet ekspanderede i 1929.
Tre årtier efter hans død opdagede astronomer, der kiggede på supernovaer, universets ekspansion accelererede. Den enkleste forklaring på denne acceleration var at genoplive Einsteins kosmologiske konstant som en frastødende kraft.
Indtil for nylig kunne vores observationer af universet helt forklares med en kosmologisk konstant.
Hvis de nuværende antydninger om, at mørk energi svækkes, understøttes af yderligere forskning, vil det betyde, at vi er nødt til at gå ud over den kosmologiske konstant, hvad enten det er en ændring af teorien om generel relativitet eller for at omfatte tidsudviklende mørk energi.
Hvornår ved vi, om vi har brug for en ny teori?
Det er svært at sige! Det nuværende bevis for at udvikle mørk energi er stadig mindre end guldstandarden, hvilket er mindre end 1 chance i 3,5 millioner til at være falsk (også kendt som 5 Sigma).
DESI-samarbejdet planlægger et opgraderet instrument, DESI-2, efter den aktuelle undersøgelse, og ønsker til sidst at opbygge et meget mere ambitiøst spektroskopieksperiment, SPS-S5.
Vi kan se frem til en opgraderet modtager, der installeres på South Pole-teleskopet i 2028, samt fremtidige resultater fra Simons Observatory (begyndende undersøgelsesobservationer mod slutningen af dette år) og i 2030’erne CMB-S4-eksperimentet.
Engang langs dette spor vil vi forhåbentlig have nok bevis til endeligt at sige, om den accelererende udvidelse af universet virkelig mister damp.