Skalaen på rommet er vanskelig å forestille seg og enda vanskeligere å bestemme nøyaktig. Men takket være fysikernes strålende gjetninger, tror vi at vi har en god ide om hvor stort kosmos er. "La oss ta en tur i universet," sendte den amerikanske astronomen Harlow Shapley en slik invitasjon til et publikum i Washington DC i 1920. Han deltok i den såkalte Great Discussion på skalaen til Universet med kollega Heber Curtis.
Shapley mente at Melkeveisgalaksen vår var 300 000 lysår. Dette er tre ganger mer enn folk tror nå, men for den tiden var målingene ganske gode. Spesielt beregnet han de generelt korrekte proporsjonale avstandene innenfor Melkeveien - vår sols posisjon i forhold til sentrum av galaksen, for eksempel.
På begynnelsen av 1900-tallet virket imidlertid 300 000 lysår for mange av Shapleys samtid som et absurd stort antall. Og ideen om at andre spiralgalakser som Melkeveien - som var synlige gjennom teleskoper - var like store, ble ikke tatt seriøst.
Og Shapley selv mente at Melkeveien skulle være spesiell. "Selv om spiralene er representert med stjerner, er de ikke sammenlignbare i størrelse med vårt stjernesystem," sa han til lytterne sine.
Curtis var uenig. Han trodde, og med rette, at det var mange andre galakser i universet, spredt som våre. Men utgangspunktet hans var antagelsen om at Melkeveien var mye mindre enn Shapley beregnet. I følge Curtiss beregninger var Melkeveien bare 30 000 lysår i diameter - eller tre ganger mindre enn dagens beregninger tilsier.
Tre ganger mer, tre ganger mindre - vi snakker om så store avstander at det er ganske forståelig at astronomer som tenkte på dette emnet for hundre år siden, kunne ta så feil.
I dag er vi ganske sikre på at Melkeveien er et sted mellom 100.000 og 150.000 lysår på tvers. Det observerbare universet er selvfølgelig mye, mye, mye mer. Det antas å være 93 milliarder lysår på tvers. Men hvorfor en slik tillit? Hvordan kan du til og med måle noe sånt fra jorden?
Kampanjevideo:
Helt siden Copernicus uttalte at jorden ikke er sentrum for solsystemet, har vi alltid hatt vanskelig for å skrive om våre ideer om hva universet er - og spesielt hvor stort det kan være. Selv i dag, som vi vil se, samler vi inn nye bevis på at hele universet kan være mye større enn vi nylig trodde.
Caitlin Casey, en astronom ved University of Texas i Austin, studerer universet. Hun sier at astronomer har utviklet et sett med geniale instrumenter og målesystemer for ikke bare å beregne avstanden fra jorden til andre legemer i solsystemet vårt, men også kløften mellom galakser og til og med helt til slutten av det observerbare universet.
Trinnene for å måle det hele går over avstandsskalaen i astronomi. Det første trinnet i denne skalaen er ganske enkelt og er avhengig av moderne teknologi i disse dager.
"Vi kan rett og slett sprette radiobølger fra nærliggende planeter i solsystemet, som Venus og Mars, og måle tiden det tar for disse bølgene å komme tilbake til jorden," sier Casey. "Målingene vil dermed være veldig nøyaktige."
Store radioteleskoper som Arecibo i Puerto Rico kan gjøre jobben - men de kan også gjøre mer. Arecibo, for eksempel, kan oppdage asteroider som flyr rundt solsystemet vårt og til og med lage bilder av dem, avhengig av hvordan radiobølger reflekteres fra overflaten til asteroiden.
Men å bruke radiobølger for å måle avstander utenfor solsystemet vårt er upraktisk. Det neste trinnet i denne kosmiske skalaen er parallaksmåling. Vi gjør det hele tiden, uten selv å vite det. Mennesker, som mange dyr, forstår intuitivt avstanden mellom seg selv og gjenstander, takket være det faktum at vi har to øyne.
Hvis du holder en gjenstand foran deg - for eksempel en hånd - og ser på den med ett åpent øye og deretter bytter til det andre øyet, ser du hånden bevege seg litt. Dette kalles parallaks. Forskjellen mellom disse to observasjonene kan brukes til å bestemme avstanden til objektet.
Hjernen vår gjør dette naturlig med informasjon fra begge øyne, og astronomer gjør det samme med stjerner i nærheten, bare ved hjelp av andre sanser: teleskoper.
Tenk deg at det er to øyne som flyter i rommet, på hver side av solen vår. Takket være jordens bane har vi disse øynene, og vi kan observere forskyvningen av stjerner i forhold til objekter i bakgrunnen ved hjelp av denne metoden.
"Vi måler stjernenes stilling på himmelen, for eksempel i januar, og venter deretter seks måneder og måler posisjonen til de samme stjernene i juli, når vi befinner oss på den andre siden av solen," sier Casey.
Imidlertid er det en terskel utover hvilke objekter som allerede er så fjerne - omtrent 100 lysår - at den observerte forskyvningen er for liten til å gi en nyttig beregning. På denne avstanden vil vi fortsatt være langt fra kanten av vår egen galakse.
Neste trinn er installasjonen av hovedsekvensen. Det trekker på vår kunnskap om hvordan stjerner av en viss størrelse - kjent som hovedsekvensstjerner - utvikler seg over tid.
Først endrer de farge og blir rødere med alderen. Ved å måle fargen og lysstyrken nøyaktig, og deretter sammenligne dette med det som er kjent om avstanden til hovedsekvensstjernene, som måles ved den trigonometriske parallaksemetoden, kan vi estimere posisjonen til disse fjernere stjernene.
Prinsippet bak disse beregningene er at stjerner med samme masse og alder vil virke like lyse for oss hvis de var i samme avstand fra oss. Men siden dette ofte ikke er tilfelle, kan vi bruke forskjellen i målinger for å finne ut hvor langt borte de egentlig er.
Hovedsekvensstjernene som brukes til denne analysen anses å være en av typene "standardlys" - kropper hvis størrelse (eller lysstyrke) vi kan beregne matematisk. Disse lysene er spredt over hele kosmos og lyser forutsigbart universet. Men hovedsekvensstjerner er ikke de eneste eksemplene.
Denne forståelsen av hvordan lysstyrke er relatert til avstand, lar oss forstå avstander til enda fjernere gjenstander - som stjerner i andre galakser. En grunnleggende sekvenstilnærming vil ikke lenger fungere fordi lyset fra disse stjernene - som er millioner av lysår unna, om ikke mer - er vanskelig å analysere nøyaktig.
Men i 1908 gjorde en forsker ved navn Henrietta Swan Leavitt fra Harvard en fantastisk oppdagelse som hjalp oss med å måle disse kolossale avstandene. Svanen Leavitt innså at det var en spesiell klasse stjerner - Cepheidene.
"Hun la merke til at en bestemt type stjerne endrer lysstyrken over tid, og denne endringen i lysstyrke, i pulsen til disse stjernene, er direkte relatert til hvor lyse de er i naturen," sier Casey.
En lysere stjerne i Cepheid-klassen vil med andre ord "pulsere" saktere (over mange dager) enn en svakere Cepheid. Siden astronomer ganske enkelt kan måle pulsen til en Cepheid, kan de fortelle hvor lys en stjerne er. Deretter, ved å observere hvor lyst det ser ut for oss, kan de beregne avstanden til det.
Dette prinsippet ligner hovedsekvenstilnærmingen i den forstand at lysstyrke er nøkkelen. Det er imidlertid viktig at avstanden kan måles på forskjellige måter. Og jo flere måter vi måler avstander på, jo bedre kan vi forstå den virkelige skalaen til våre kosmiske bakgårder.
Det var oppdagelsen av slike stjerner i vår egen galakse som overbeviste Harlow Shapley om sin store størrelse.
Tidlig på 1920-tallet oppdaget Edwin Hubble Cepheids i nærmeste galakse, Andromeda, og konkluderte med at det bare var en million lysår unna.
I dag, ifølge våre beste estimater, er denne galaksen 2,54 millioner lysår unna. Derfor tok Hubble feil. Men dette reduserer ikke hans fortjeneste i det minste. Fordi vi fortsatt prøver å beregne avstanden til Andromeda. 2,54 millioner år er faktisk resultatet av relativt nylige beregninger.
Selv nå er omfanget av universet vanskelig å forestille seg. Vi kan estimere det, og veldig bra, men i sannhet er det veldig vanskelig å beregne avstandene mellom galakser nøyaktig. Universet er utrolig stort. Og galaksen vår er ikke begrenset.
Hubble målte også lysstyrken til eksploderende hvite dverger - type 1A supernovaer. De kan sees i ganske fjerne galakser, milliarder lysår unna. Siden lysstyrken til disse beregningene kan beregnes, kan vi bestemme hvor langt borte de er, slik vi gjorde med Cepheidene. Type 1A-supernovaer og kepheider er eksempler på hva astronomer kaller standardlys.
Det er en annen funksjon i universet som kan hjelpe oss med å måle virkelig store avstander. Dette er rødskiftet.
Hvis sirenen til en ambulanse eller politibil noen gang har suset forbi deg, er du kjent med Doppler-effekten. Når ambulansen nærmer seg, høres sirenen skingrende ut, og når den beveger seg bort, dør sirenen igjen.
Det samme skjer med lysbølger, bare i liten skala. Vi kan fikse denne endringen ved å analysere lysspekteret fra fjerne kropper. Det vil være mørke linjer i dette spekteret ettersom individuelle farger absorberes av elementer i og rundt lyskilden - overflatene til stjerner, for eksempel.
Jo lenger objekter er fra oss, jo lenger mot den røde enden av spekteret vil disse linjene bevege seg. Og dette er ikke bare fordi gjenstander er langt fra oss, men fordi de også beveger seg vekk fra oss over tid, takket være utvidelsen av universet. Og å observere rødforskyvning av lys fra fjerne galakser, gir oss faktisk bevis på at universet virkelig utvides.
NASA-forsker Kartik Sheth tilbyr denne analogien: Plasser punkter på overflaten av en ballong - som hver vil representere en galakse - og blåser deretter opp ballongen. Når gummien utvides, øker avstanden mellom punktene på overflaten. “Når universet utvides, beveger hver galakse seg bort fra de andre. Vanligvis skulle bølgen være den samme frekvensen som den ble sendt ut, men nå har romtiden strukket seg ut, så bølgen begynte å vises lenger."
Jo raskere galaksen beveger seg bort fra oss, jo lenger skal den være - og jo mer rødskift kan vi oppdage i lys etter å ha mottatt den på jorden. Igjen var det Edwin Hubble som oppdaget det proporsjonale forholdet mellom Cepheidene sine i fjerne galakser og hvor mye lys fra disse galaksene som gikk gjennom rød forskyvning.
Og nå nøkkelen til puslespillet vårt. Den sterkeste lysrødforskyvningen vi kan oppdage i det observerbare universet viser at lyset kom til oss fra galakser som er 13,8 milliarder år gamle.
Siden dette er det eldste lyset vi har funnet, lar det oss også måle alderen til selve universet.
Men i løpet av de siste 13,8 milliarder årene har universet utvidet seg konstant - og det gjorde det først veldig raskt. Med tanke på dette har astronomer kommet til at galakser ved kanten av det observerbare universet, hvis lys kom til oss i 13,8 milliarder år, burde være 46,5 milliarder lysår unna.
Dette er radiusen til det observerbare universet. Multipliser den for å få diameteren: 93 milliarder lysår. Dette tallet er basert på mange andre målinger og vitenskapelig forskning, og det er kulminasjonen av århundrer med arbeid. Men som Casey sier, er anslaget litt grovt.
På den ene siden, med tanke på kompleksiteten til noen av de eldste galaksene som vi kan oppdage, er det uklart hvordan de klarte å danne seg så raskt etter Big Bang. Kanskje noen av beregningene våre er feil.
"Hvis en av karakterene i den astronomiske avstandsskalaen er feil med 10%, er de andre feil, fordi de stoler på hverandre," sier Casey.
Ting blir enda mer kompliserte når vi prøver å tenke på universet, som ligger utenfor det observerbare. Om det "hele" universet. Avhengig av hvilken teori du foretrekker, kan hele universet være endelig eller uendelig.
Nylig analyserte Mihran Vardanyan og kollegaer ved Oxford University i Storbritannia kjente data om gjenstander i det observerbare universet for å se hva som kan læres av denne kunnskapen om formen til hele universet. Resultatene førte til nye estimater: hele universet er 250 ganger større enn det observerte.
Vi vil aldri kunne se disse fjerne områdene. Men det observerbare universet er nok for de fleste av oss. For forskere som Casey og Sheth er det uendelig utrolig.
"Alt vi lærte om universet - hvor stort det er, hvor fantastiske gjenstandene i det er - vi samlet bare disse lysfotonene som har reist millioner og millioner av lysår for å komme inn i detektorene og kameraene våre og dø," sier Shet.
"Det er ydmykende," sier Casey. "Astronomi har lært oss at vi ikke er i sentrum av universet, vi er ikke engang i sentrum av vårt solsystem eller galakse."
En dag vil vi klatre så langt inn i universet at det er vanskelig å forestille seg. Foreløpig kan vi bare se. Men bare å se kan være uendelig langt.
ILYA KHEL
