Det har länge talats om att kosmologin är i kris. Kosmologin är alltså studiet av universums uppkomst och dess storskaliga struktur. Det största du över huvud taget kan studera.
Våra tidigare studier av kosmos har lärt oss att universum inte bara utvidgas – utvidgningstakten accelererar dessutom. Det här var kosmologins stora aha-upplevelse på 1900-talet.
Men på sistone har studier av utvidgningen skvallrat för forskarna om att det är något fundamentalt med universum, framför allt det tidiga universum, som vi inte förstår. Något som i värsta fall leda till att självaste Albert Einsteins allmänna relativitetsteori behöver justeras. Det skulle i så fall vara helt oerhört.
Hubble-spänningen: Konflikten mellan teori och observation
Vår förståelse av universums utvidgning och storskaliga struktur sammanfattas av någonting kallat den kosmologiska standardmodellen. Den har nu börjat vackla, när universums utvidgningstakt i allt högre grad avviker från modellens förutsägelser.
Länge har forskarna antagit att observationerna och förutsägelserna skulle börja stämma överens när mätningarna förbättrats. Men de senaste, alltmer precisa observationerna visar en allt klarare skillnad – den så kallade Hubble-spänningen.
Det här kan leda till att vi får rucka på det vi tror oss veta om både universums början, dess ålder och dess storlek. Universums slut kan också bli ett helt annat än det som vetenskapen utgår från just nu.
Från Newtons gravitation till Einsteins relativitet
I problemets kärna hittar vi gravitationen. Redan Isaac Newton, som formulerade den första universala matematiska teorin om tyngdkraften, insåg att det faktum att allting i universum oundvikligen drar allting annat till sig, har konsekvenser.
Newtons gravitationslag antydde med andra ord att universum med tiden borde kollapsa under sin egen tyngd.
När Albert Einstein senare formulerade sina egna ekvationer på samma tema, ledde de honom till samma sorts slutsats: universum borde antingen kollapsa eller expandera.
Det här var en motbjudande tanke för Einstein som ville ha stabilitet. För att stötta upp universum bakade han in den så kallade kosmologiska konstanten, Lambda, i sin allmänna relativitetsteori – ett steg som senare skulle visa sig kontroversiellt.
Edwin Hubbles upptäckt 1929 att universum faktiskt expanderar, fick Einstein att utbrista att Lambda var hans ”största tabbe någonsin”.
Universums sammansättning – en kosmisk kokbok
Lambda lever dock och mår väl än i dag. Den har ”återvunnits” och finns i hjärtat på den kosmologiska standardmodellen, också kallad Lambda-CDM (Cold Dark Matter).
Vilka är då ingredienserna i universum enligt Lambda-CDM? I ett nötskal beskriver modellen universum som en blandning av tre huvudsakliga beståndsdelar:
- Vanlig materia (5 procent): Allt vi kan se – stjärnor, planeter, gasmoln, du, din soffa, din cykel ...
- Mörk materia (27 procent): Osynlig materia som inte interagerar med det övriga universum genom något annat än sin gravitation som påverkar galaxernas rotation och formation.
- Mörk energi (68 procent): Den mystiska kraften, en turboversion av Einsteins Lambda, som får universum att expandera allt snabbare.
Det är den mörka energin, en form av ”antigravitation”, som ligger bakom den accelererande expansionen. Trots sin nyckelroll är den fortfarande ett totalt mysterium för kosmologerna.
Den kosmiska bakgrundsstrålningen, universums babyporträtt
En avgörande pusselbit i kosmologins förståelse av universums historia är den kosmiska bakgrundsstrålningen, det kvardröjande ekot från självaste big bang.
380 000 år efter big bang hade saker och ting hunnit svalna tillräckligt för att elektroner och protoner kunde bilda neutrala atomer. Det här gjorde att ljuset för första gången kunde flöda fritt genom det unga universum.
Den här ”ljusblixten”, som fortfarande ekar genom världsalltet i form av mikrovågsstrålning, har mätts noggrant med satelliter som COBE, WMAP och Planck.
Också om den här ”efterglöden från big bang” är extremt jämnt fördelad över universum finns det små variationer, så kallade anisotropier, som skvallrar om små kvantfluktuationer under den superkorta, extremt snabba ”inflationsfasen” strax efter big bang.
De här små ojämnheterna lade grunden för den senare galaxbildningen och avgjorde hur galaxerna lade sig i de glittrande pärlband vi kan observera idag.
DESI – från big bang till ”stora studsen”?
Kosmologins kris gick upp i varv nyligen när ett internationellt projekt med över 900 forskare publicerade sina resultat. Med ett teleskop kallat DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) kammade man igenom tre års data från femton miljoner galaxer och kvasarer.
Med hjälp av observationerna har man skapat den hittills största 3D-kartan över universum – och i samma veva förvärrat kosmologins kris. Resultaten visar att den mörka energins inflytande kan vara på väg att försvagas.
Om slutsatserna håller i sig kan det innebära att universum i framtiden slutar expandera och i stället börjar dra ihop sig – ett scenario känt som ”Big Crunch”.
En ännu radikalare konsekvens kan bli att vi får lov att ompröva hela big bang-modellen till förmån för en ny hypotes: en cyklisk ”big bounce”, den stora studsen, där universum genomgår ständiga faser av expansion och sammandragning.
Konsekvenserna för framtidens kosmologi
Om de nya mätningarna bekräftas får vi tvingas omvärdera fundamentala aspekter av det vi har trott oss veta om universums ålder, storlek och framtid.
Det kan innebära att den allmänna relativitetsteorin, trots att den länge varit den bästa beskrivningen av gravitation på kosmisk skala, måste revideras eller kompletteras med ny fysik.
Vår nuvarande förståelse – där universum är cirka 13,8 miljarder år gammalt kan behöva ersättas med ett scenario där världsalltet i praktiken är evigt och cykliskt.
Samtidigt visar den här förvirringen att också de mest etablerade teorierna kan behöva justeras i ljuset av ny överraskande data. Kosmologins kris ger oss en unik inblick i universums komplexitet och påminner oss om att vår världsbild ständigt är under utveckling.
Precis som universum självt.
