Kanskje den største oppdagelsen om universet vi gjorde på slutten av forrige århundre, da vi oppdaget en av de underligste kosmiske sannheter: fjerne galakser flyr ikke bare bort fra oss når tiden beveger seg fremover, men flyr også raskere og raskere. Oppdagelsen av den akselererende utvidelsen av universet som en del av Supernova Cosmology Project med hjelp av High-z Supernova Search Team, skaffet forskerne Nobelprisen i fysikk. Selv om dette er et av de merkeligste og mest uvanlige fenomenene i universet.
Fakta er at universet ikke alltid akselererte, og flyr bort fra oss. I milliarder av år har utvidelsen avtatt, og for noen som bodde for ti milliarder år siden, kan det se ut til at den trekker seg sammen. Hva skjedde?
På 1920-tallet ble fire bevisoppgaver presentert - tre observerbare og en teoretisk - for at universet ekspanderte. Her er de:
1. Oppdaget at spiralnebularene på nattehimmelen var ekte galakser, eller "øyauniverser", som inneholdt milliarder av stjerner og ligger langt utenfor Melkeveien.
2. Måling av røde og blåskift av disse galaksene av Vesto Slifer viste hvor raskt disse galaksene enten beveger seg bort fra oss (rødforskyvning) eller nærmer oss oss (blåskift), og de aller fleste fulgte det første scenariet.
3. Avstandsmålinger til hver av disse galaksene ble utført av Edwin Hubble og hans assistent Milton Humason. Kombinert med Slifers observasjoner, avslørte de et tydelig forhold: jo lenger galaksen var, jo raskere så det ut til å bevege seg bort fra oss.
4. Til slutt, et kraftig teoretisk sprang gjort av Einsteins generelle relativitetsteori: erkjennelsen av at universet, som er fylt med galakser med omtrent samme tetthet i alle retninger, må være ustabilt med mindre det utvides eller trekker seg sammen.
Dette førte til et bilde av universet fra 1929: det var varmere, tettere og ekspanderte raskere i det siste, og ble deretter kaldere, mindre tett og ekspanderte saktere etter hvert.
Salgsfremmende video:
Dette er ganske logisk sett fra Big Bang-synspunktet. Se for deg Big Bang som startpistolen for et stort romløp, et løp mellom den første utvidelsen på den ene siden, som var veldig rask i begynnelsen, og tyngdekraften på den andre siden, som drar alt sammen. Det er lett å forestille seg tre forskjellige alternativer, som hvert resulterer i et annet tempo i universet:
1. Stor komprimering. Kanskje var den første utvidelsesgraden ganske høy, men tyngdekraften var sterkere. Utvidelsen skal bremse og stoppe. Universet må nå sin maksimale størrelse og begynne å krympe. Og til slutt må den kollapse igjen og vende tilbake til staten før Big Bang.
2. Stor frysing. Dette er motsatt scenario enn det forrige: der utvidelsen starter raskt og tyngdekraften bremser den, men ikke nok. Utvidelsen varer for alltid, tyngdekraften bremser den hele tiden, men kan ikke stoppe den. Dette scenariet er kjent som Heat Death of the Universe: The Great Freeze.
3. Kritisk univers. Det er også mulighet for at du vil finne deg selv i midten, når utvidelsesgraden og tyngdekraften utjevner hverandre, og utvidelsesgraden vil avta over tid. Én partikkel mindre, en mer partikkel i universet - og du får det første eller andre scenariet. Men denne partikkelen eksisterer ikke. Scenarioet "kritiske univers" ville føre til den tregeste mulige varmedød.
I milliarder av år så det ut til at det kritiske alternativet ville vinne. Du ser, når du bor i universet og ser på forskjellige galakser, kan du ikke bare måle den nåværende ekspansjonshastigheten, men ved å se på de fjerneste galakser, kan du også måle ekspansjonshastigheten i begynnelsen av universets historie.
Dette bildet viser galakser som allerede er uoppnåelige for oss.
I milliarder av år - omtrent syv milliarder for å være nøyaktig - virket det som om vi bodde i et kritisk univers. Utvidelsen begynte i epoken med stråling (fotoner og nøytrinoer), og så avkjølte alt seg nok til at materien (både vanlig og mørk) begynte. Da universet fortsatte å utvide, falt tettheten av materie og falt etter hvert som volumet av materie økte og massen forble den samme.
Men på et tidspunkt falt stoffets tetthet til en så lav verdi at en annen, mer subtil bidragsyter til universets energitetthet dukket opp: mørk energi. På rundt syv milliarder år nådde verdien av mørk materie flere prosent av den totale energitettheten, og da universet var 7,8 milliarder år gammelt hadde tettheten av mørk energi nådd en viktig verdi: 33% av den totale energitettheten i universet. Dette er viktig fordi den mengden mørk energi er nødvendig for at ekspansjonshastigheten skal begynne å stige.
Siden den gang, for rundt 6 milliarder år siden, begynte tettheten av materiell å avta, mens mørk energi forble konstant. For tiden utgjør mørk materie omtrent 68% av universets totale energi, og materien har sunket til 32% totalt (27% mørk materie og 5% vanlig materie). Over tid, fremover, vil tettheten av materie fortsette å falle, mens tettheten av mørk energi vil forbli konstant, mørk energi vil være mer og mer utbredt.
Energitetthet i universet til forskjellige tider i fortiden
For individuelle galakser vil dette bety at en galakse som begynte å bevege seg bort fra oss på tidspunktet for Big Bang raskere enn andre, vil demonstrere en åpenbar reduksjon i hastighet (fra vårt synspunkt) de første 7,8 milliarder årene. Da vil retardasjonshastigheten slutte å falle og vil forbli uendret i noen tid. Så vil den begynne å vokse, og galaksen vil begynne å bevege seg fra oss enda raskere enn før, siden rommet mellom oss og fjerne galakser utvider seg med en enorm hastighet. På et tidspunkt - og dette er skummelt fordi det gjelder 97% av galaksene i vårt synlige univers - vil hver galakse utenfor vår lokale gruppe bevege seg bort med en hastighet som overskrider lysets hastighet, og dermed bli utenfor vår rekkevidde på grunn av fysiske begrensninger.
Skissert i gult er den nåværende størrelsen på det synlige universet: 46 milliarder lysår; Størrelsen vi kan oppnå er i rosa: 14,5 milliarder lysår
Så langt vi kan si, har universet alltid hatt den mengden mørk energi det nå har innebar i selve kosmos. Men det tok 7,8 milliarder år, eller hele historien til universet halvannen milliard år før solsystemet vårt dannet, for at tettheten av materie skulle falle til et slikt nivå at mørk energi overtok universets utvidelse. Siden den gang har alle galakser utenfor vår lokale gruppe sunket fra oss og vil fortsette å trekke seg til den siste forsvinner. Universet har ekspandert de siste seks milliarder årene, og hvis vi hadde dukket opp tidligere, hadde vi kanskje ikke gått ut over disse tre alternativene som intuisjonen vår tilbyr. I beste fall kunne vi bare gjette hva universet er. Og det ville være vår største belønning.
