Universet sett med Planck

Nye observasjoner av bakgrunnsstrålingen setter spørsmåltegn ved kosmologenes standardmodell.

Det første bildet av den kosmiske bakgrunnsstrålingen tatt av Planck-satellitten. Dette er det mest nøyaktige bildet av det tidlige univers som noen sinne har blitt tatt. De ulike fargene representerer ørsmå variasjoner i temperatur. Rødt er litt varmere enn gjennomsnittet, og blått er litt kaldere. Disse temperaturvariasjonene ved universets begynnelse var kilden til all fremtidig strukturdannelse i universet: galaksene og stjernene som vi ser i dag. Temperaturkartet er basert på de første 15 og en halv månedene med data fra Planck. Klikk her for større versjon. Bilde: ESA, Planck Collaboration. 

Kosmologi blir moro igjen!

Kosmologi er studiet av universets begynnelse, utvikling og sammensetning. Kosmologene jobber med mange ulike modeller av universet som helhet, men en av modellene skiller seg ut fordi den passer så godt overens med mange ulike observasjoner. Denne modellen er så godt kjent at den blir kalt den kosmologiske standardmodellen.

De nye observasjonene fra Planck-satellitten gir astronomene de mest nøyaktige svar noen sinne på hva universet består av og hvordan det har utviklet seg gjennom tidene.

– Mens man kanskje forventet at Planck kun skulle bekrefte tidligere resultater, så har det motsatte skjedd, sier professor Hans Kristian Eriksen ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA).

Planck-dataene tyder blant annet på at universet kan ha en foretrukket retning, stikk i strid med antagelsene i standardmodellen. I tillegg passer ikke standardmodellens forutsigelser så godt på de aller største skalaer.

– Planck har muligens funnet bevis for et brudd på den kosmologiske standardmodellen. Kort sagt, Planck gjør kosmologi moro igjen! Og det norske forskningsmiljøet har bidratt svært mye til dette.

Lang ventetid

Planck-satellittenPlanck-satellitten under tester i 2008 før oppskytningen. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: ESA.

Torsdag 21. mars 2013 ble de første kosmologiske resultatene fra Planck-satellitten offentliggjort fra den Europeiske romfartsorganisasjonen ESA. Planck har vært i bane i rommet siden 2009, og forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO, har vært involvert i prosjektet helt siden 1998.

I tillegg til å bidra til den vitenskapelige delen med numeriske simuleringer og analysering av observasjoner, har instituttet også vært med på utviklingen av LFI-instrumentet - det ene av de to instrumentene om bord på Planck.

– For Norge har dette vært en av de største romforskningssatsingene noensinne, og har lagt grunnlaget for å bygge opp en svært dyktig og produktiv kosmologi-forskningsgruppe ved Universitet i Oslo, sier professor og tidligere instituttleder ved ITA Per B. Lilje.

De siste par årene har den innerste kretsen av Planck-forskere jobbet intenst med analysering og kvalitetssjekking av observasjonene. Nå er tiden endelig inne til å dele funnene - og dataene - med resten av verden.

Strålingsekko fra Universets begynnelse

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen (Cosmic Microwave Background Radiation - CMB) er den eldste strålingen vi kan observere i universet. Denne strålingen i mikrobølgeområdet strømmer hele tiden mot oss fra alle kanter i verdensrommet. Strålingen ble sendt ut omtrent 380 000 år etter Big Bang, da universet bare var en liten brøkdel av dets nåværende nærmere 14 milliarder år gammelt. Denne strålingen kan på mange måter kalles ekkoet fra Big Bang. Det er den eldste strålingen vi i det hele tatt kan observere, fordi lyspartiklene først da slapp fri fra de andre partiklene og kunne strømme fritt.

Instrumentene om bord på satellitten Planck måler variasjoner i temperaturen til denne strålingenen; ørsmå forandringer i temperatur fra sted til sted. Det er snakk om forandringer så små som en ti-tusendedels grad. Slik får man til slutt dannet et kart over temperaturvariasjonene på hele himmelkulen. Kartet som nå er observert med Planck er langt mer detaljert enn tidligere observasjoner.

Temperatur gir struktur

Temperaturvariasjonene i bakgrunnsstrålingen er viktige fordi de viser oss hvor dannelsen av struktur i universet begynte. Med struktur mener man fordelingen av stjerner, galakser og galaksehoper i universet. Kartet over bakgrunnsstrålingen kan altså brukes til å undersøke hvorfor Universet ser ut som det gjør i dag!

Planck- universets historieStrukturdannelsens historie i Universet: nesten 14 milliarder års utvikling oppsummert. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: ESA – C. Carreau

Planck satelitten ser tilbake i tid. Jo lenger ut i universet man ser, desto lenger bakover i tid ser man siden lyset da bruker lenger tid på å komme frem til oss. Planck har sett så langt ut i universet, altså så langt tilbake i tid, at man kan se det i en epoke - kort tid etter Big Bang - da det bare bestod av en tett og varm gass.

Denne gassen var ikke helt jevn, men hadde noen fortetninger i seg. Noen steder var gassen tettere enn andre steder. Det er disse stedene på bakgrunnsstrålingskartet som er litt varmere enn gjennomsnittet.

Disse tetthetsklumpene har med tiden, ved hjelp av gravitasjonskreftene, vokst seg større og større og til slutt dannet de strukturene som vi ser i universet i dag: galaksehoper, galakser, stjerner.

Standardmodellen for universet

Astronomene har fra før en modell for universets utvikling og innhold som stemmer så bra med flere ulike typer observasjoner at den er blitt hetende den kosmologiske standardmodellen.

Innholdet i universetUniversets ingredienser før og etter de nye Planck-resultatene. Vanlig materie, som stjerner og galakser er bygget opp av, bidrar med 4.9% av den totale energitettheten i universet. Mørk materie, som kan observeres indirekte på grunn av effekten den har via tyngdekraften på vanlig materie, utgjør 26.8%, mens den mystiske mørke energien som er årsaken til at universet utvider seg fortere og fortere, utgjør nå 68.3%. Figuren som viser tallene «Før Planck» er basert på data fra WMAP-satellitten, Hinshaw et al. (2013). Klikk på bildet for større versjon. Bilde: ESA and the Planck Collaboration.

Mange av de nye observasjonene fra Planck støtter opp om standardmodellen og legger enda mer nøyaktige føringer på modellen enn man har hatt før. Blant annet har man nå mer nøyaktige tall for universets tre ingredienser: vanlig (såkalt baryonisk) materie, mørk materie og mørk energi.

Planck-dataene setter også en ny verdi for universets utvidelseshastighet i dag, den såkalte Hubble-parameteren. Planck måler denne til å være 67.15 km/s/Mpc (km per sekund per megaparsec), noe som er lavere enn den mest brukte verdien i dag.

De nye Planck-dataene indikerer at universet i dag er 13.82 millarder år gammelt.

De nye resultatene: Brudd med standardmodellen?

Et av de viktigste momentene i standardmodellen er at massen i Universet er jevnt fordelt bare man ser på store nok avstander, eller skalaer som kosmologene gjerne sier. Universet blir på de største skalaer beskrevet som homogent (likt alle steder) og isotropt (likt i alle retninger).

Planck-anomalierSammenligning av de nye Planck-observasjonene og kosmologiens standardmodell. Den høye oppløsningen i dataene fra Planck avslører at temperaturvariasjonene i den kosmiske bakgrunnsstrålingen på store skala ikke er så sterke som forventet. Kartet merket Anomalies viser hvordan dette avviket fra standardmodellen ser ut. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: ESA and the Planck Collaboration

Fordi Planck-observasjonene har så høy oppløsning, har man kunnet se at ikke alle standardmodellens forutsigelser passer overens med de nye observasjonene.

Forskerne ved ITA har vært mest involvert i studiene av himmelen på stor skala, avstander som er mer enn 1000 ganger større enn avstander mellom galakser. På disse store avstandene viser de nye observasjonene fra Planck at standardmodellens forutsigelser for hvor sterke temperaturvariasjonene i bakgrunnsstrålingen er, passer mye dårligere med det man faktisk observerer enn man hadde trodd.

De nye observasjonene er omtrent 10% svakere enn forutsigelsen fra standardmodellen.

Dette gir en utfordring til kosmologene om å tenke nytt om en av grunnpilarene i vår forståelse av universet.

Er ikke universet likt i alle retninger?

Et annet mulig brudd på standardmodellen som Planck har vist, er at det ser ut som universet har en foretrukket retning.

Professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA) Frode Kristian Hansen, forklarer:

– Kort tid etter Big Bang besto universet av en gass som var litt tettere og mer klumpete noen steder enn andre. Fra tidligere observasjoner fra WMAP-satelitten, har forskningsgruppen vår sett at klumpene i gassen var betydelig tettere (og varmere) hvis man kikket i en retning av unvierset, enn hvis man kikket i den motsatte retningen. Dette er stikk i strid med selve grunnprinsippene i kosmologien, nemlig at universet har de samme egenskapene overalt og i alle retninger.

Med tidligere data har man bare kunnet observere de aller største klumpene tydelig, og selv om man så en foretrukket retning i klumpene, var man ikke sikker på om denne asymmetrien kunne komme av problemer med observasjonene i seg selv eller rett og slett av statisiske tilfeldigheter.

– Med Planck har vi nå også kunne se de klumpene i gassen som har mindre utstrekning og som tidligere eksperimenter ikke har kunnet observere, forteller Hansen.

– I tillegg til å bekrefte asymmetrien i de store klumpene fant vi at også klumpene med mindre utstrekning var asymmetriske, altså tettere (og varmere) i en retning en i den motsatte retningen. Og den asymmetriske retningen for de mindre klumpene viste seg å stemme overens med den man tidligere hadde observert for de store klumpene.

Det ser altså ut som om universet har en slags innebygget akse eller retning, der egenskapene til materien viser seg å være noe forskjellige avhengig av hvilken retning man ser. Dette er stikk i strid med selve grunnlaget for nesten alt som gjøres innen kosmologien.

Den forstyrrende forgrunnsstøyen

For å studere himmelkartet fra Big Bang ønsker vi å se så langt ut i universet som mulig. I denne sammenheng er lyset fra vår egen galakse Melkeveien å regne som forgrunnsstøy: lys som er i veien for oss og som forurenser det lyset man egentlig vil observere. Det samme gjelder lys fra andre galakser og galaksehoper; for å kunne se ekkoet fra Big Bang så nøyaktig som mulig må man fjerne all denne forstyrrende «støyen» i forgrunnen.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen åpenbarer seg for Planck: Denne animasjonsfilmen viser det store arbeidet som har blitt gjort i den internasjonale Planck-gruppen for å komme frem til selve urlyset fra Big Bang: bakgrunnsstrålingen. Kosmologene måtte først fjerne all mulig annen stråling fra Planck-dataene; stråling fra stjerner og galakser, fra Melkeveien og fra støv. Det første bildet viser all stråling som Planck observerer i mikrobølgeområdet på hele himmelen (bølgelengdeområdet fra 11.1mm til 0.3mm). De ulike strålingskildene er: stråling fra stjerner og enkeltgalakser, radiostråling fra partikler mellom stjernene i Melkeveien, varmestråling fra støv mellom stjernene i Melkeveien og - til slutt - selve den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Bilde: ESA and the Planck Collaboration

Etter årevis med nitid arbeid har forskerne nå klart å trekke ut den lysende forgrunnen som ligger mellom oss og den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Først måtte de fjerne forstyrrelser fra stråling fra stjerner og gass både i selve Melkeveien og fra andre galakser. Det norske kosmologimiljøet har vært aktiv også i denne delen av prosessen.

Forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk har vært med på å utvikle moderne statistiske algoritmer for å fjerne stråling fra støv og fra skyer av karbonmonoksid i vår egen galakse. Dette er arbeid som har vært helt avgjørende for å nå frem til observasjonene av selve bakgrunnsstrålingen.

Anomalier? Spennende!

En anomali er en uregelmessighet eller et avvik. I denne sammenhengen er det altså snakk om mulige avvik fra den kosmologiske standardmodellen.

– Anomaliene peker på at det muligens er noe som mangler i vår nåværende forståelse av universet, sier Paolo Natoli fra universitetet i Ferrara, Italia, i pressemeldingen fra ESA. – Vi trenger en modell hvor disse merkelige trekkene ikke lenger er anomalier men er forutsigelser av modellen selv.

En av de store utfordringene blir å forklare observasjonene på stor skala, og samtidig beholde det gode samsvaret mellom modell og data som standardmodellen gir på mindre skala.

– Det er slett ikke utenkelig at anomaliene som nå er bekreftet henger sammen, forteller Hans Kristian Eriksen fra ITA. – Kanskje er avviket fra standardmodellen på stor skala og assymetrien i universet to sider av samme sak. Nå må teoretikerne altså komme på banen, og lage en kosmologisk modell som klarer å forklare alt dette.

En rekke vitenskapelige artikler om de nye Planck-observasjonene blir publisert 22. mars.

I 2014 vil et nytt sett med observasjoner fra Planck publiseres.

 
Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 21. mars 2013 11:59 - Sist endret 1. aug. 2014 11:38