Måske den største opdagelse om universet, vi gjorde i slutningen af forrige århundrede, da vi opdagede en af de underligste kosmiske sandheder: fjerne galakser flyver ikke kun væk fra os, når tiden bevæger sig fremad, men flyver også hurtigere og hurtigere væk. Opdagelsen af den accelererende ekspansion af universet som en del af Supernova Cosmology-projektet ved hjælp af High-z Supernova Search Team fik forskere Nobelprisen i fysik. Mens dette er et af de underligste og mest usædvanlige fænomener i universet.
Faktum er, at universet ikke altid accelererede og flyvede væk fra os. I milliarder af år er ekspansionen bremset ned, og for en person, der lever for ti milliarder år siden, kan det se ud til, at den trækker sig sammen. Hvad skete der?
I 1920'erne blev der fremlagt fire beviser - tre observerbare og en teoretisk - for at universet ekspanderede. Her er de:
1. Opdagede, at natthimlenes spiralnebler var ægte galakser, eller "ø-universer", der indeholdt milliarder af stjerner og placeret langt ud over Mælkevejen.
2. Måling af røde og blåskifter af disse galakser med Vesto Slifer viste, hvor hurtigt disse galakser enten bevæger sig væk fra os (rødskift) eller nærmer os (blåskift), og langt de fleste fulgte det første scenarie.
3. Afstandsmålinger til hver af disse galakser blev udført af Edwin Hubble og hans assistent Milton Humason. Kombineret med Slifers observationer afslørede de et klart forhold: jo længere galaksen var, jo hurtigere så det ud til at bevæge sig væk fra os.
4. Endelig et kraftfuldt teoretisk spring, der er foretaget af Einsteins generelle relativitetsteori: erkendelsen af, at universet, der er fyldt med galakser med omtrent samme densitet i alle retninger, skal være ustabilt, medmindre det udvides eller sammentrækkes.
Dette førte til et billede af universet fra 1929: det var varmere, tættere og ekspanderede hurtigere i fortiden og blev derefter koldere, mindre tæt og ekspanderede langsommere med tiden.
Salgsfremmende video:
Dette er ret logisk set fra Big Bang. Forestil dig Big Bang som startpistolen i et stort rumløb, et løb mellem den første udvidelse på den ene side, der var meget hurtig i starten, og tyngdekraften på den anden side, der trækker alt sammen. Det er let at forestille sig tre forskellige muligheder, som hver resulterer i et forskelligt tempo i universet:
1. Stor komprimering. Måske var den oprindelige ekspansionshastighed ganske høj, men tyngdekraften var stærkere. Udvidelsen skal bremse og stoppe. Universet skal nå sin maksimale størrelse og begynde at krympe. Og til sidst må den kollapse igen og vende tilbage til staten inden Big Bang.
2. Stor frysning. Dette er det modsatte scenario som det foregående: hvor ekspansion starter hurtigt og tyngdekraften bremser den, men ikke nok. Udvidelsen varer evigt, tyngdekraften bremser den hele tiden, men kan ikke stoppe den. Dette scenarie er kendt som Universets varmedød: Den store fryse.
3. Kritisk univers. Der er også muligheden for, at du finder dig selv i midten, når ekspansionshastigheden og tyngdekraften udjævner hinanden, og ekspansionshastigheden aftager med tiden. Én partikel mindre, en mere partikel i universet - og du får det første eller andet scenarie. Men denne partikel findes ikke. Scenarioet "kritiske univers" ville føre til den langsomste mulige varmedød.
I milliarder af år så det ud til, at den kritiske mulighed ville vinde. Du ser, når du bor i universet og ser på forskellige galakser, kan du ikke kun måle den aktuelle ekspansionshastighed, men ved at se på de fjerneste galakser kan du også måle ekspansionshastigheden i begyndelsen af universets historie.
Dette billede viser galakser, der allerede er uopnåelige for os.
I milliarder af år - cirka syv milliarder for at være nøjagtige - så det ud til, at vi levede i et kritisk univers. Udvidelsen begyndte i strålingens æra (fotoner og neutrinoer), og derefter afkøles alt nok til, at materien (både almindelig og mørk) blev startet. Da universet fortsatte med at udvide sig, faldt stoffets tæthed og faldt, efterhånden som stofmængden steg, og massen forblev den samme.
Men på et tidspunkt faldt materialetætheden til en så lav værdi, at der opstod en anden, mere subtil bidragyder til universets energitæthed: mørk energi. På omkring syv milliarder år nåede værdien af mørkt stof adskillige procent af den samlede energitæthed, og på det tidspunkt, hvor universet var 7,8 milliarder år gammelt, havde densiteten af mørk energi nået en vigtig værdi: 33% af den samlede energitæthed i universet. Dette er vigtigt, fordi den mængde mørk energi er nødvendig for, at ekspansionstakten begynder at stige.
Siden da, for ca. 6 milliarder år siden, begyndte materialetætheden at falde, mens mørk energi forblev konstant. I øjeblikket udgør mørk stof ca. 68% af universets samlede energi, og materien er faldet til 32% i alt (27% mørk stof og 5% almindelig stof). Over tid, fremover, vil materialetætheden fortsætte med at falde, mens densiteten af mørk energi forbliver konstant, mørk energi vil være mere og mere udbredt.
Energitæthed i universet på forskellige tidspunkter i sin fortid
For individuelle galakser vil dette betyde, at galaksen, der begyndte at bevæge sig væk fra os på tidspunktet for Big Bang hurtigere end andre, vil demonstrere et tydeligt fald i hastighed (fra vores synspunkt) i de første 7,8 milliarder år. Derefter vil decelerationshastigheden stoppe med at falde og forbliver uændret i nogen tid. Så vil den begynde at vokse, og galaksen vil begynde at bevæge sig væk fra os endnu hurtigere end før, da rummet mellem os og fjerne galakser udvides med en enorm hastighed. På et tidspunkt - og dette er skræmmende, fordi det gælder for 97% af galakser i vores synlige univers - vil hver galakse uden for vores lokale gruppe bevæge sig væk med en hastighed, der overstiger lysets hastighed, og dermed komme uden for vores rækkevidde på grund af fysiske begrænsninger.
I det gule er den aktuelle størrelse af det synlige univers skitseret: 46 milliarder lysår; Den størrelse, vi kan opnå, er i lyserød: 14,5 milliarder lysår
Så vidt vi kan sige, har universet altid haft den mængde af mørk energi, det nu har iboet i selve kosmos. Men det tog 7,8 milliarder år, eller hele universets historie halvanden milliard år før vores solsystem blev dannet, for stoffets massefylde faldt til et sådant niveau, at mørk energi overtog universets udvidelse. Siden da er alle galakser uden for vores lokale gruppe forsvundet fra os og vil fortsætte med at trække sig tilbage, indtil den sidste forsvinder. Universet har ekspanderet i løbet af de sidste seks milliarder år, og hvis vi havde vist sig tidligere, var vi måske ikke gået ud over disse tre muligheder, som vores intuition tilbyder. I bedste fald kunne vi kun gætte, hvad præcist universet er. Og det ville være vores største belønning.