Mørk energi

Universet utvider seg med en akselerert hastighet. Hva som driver denne akselerasjonen, ofte kalt mørk energi, er fremdeles et av de store mysteriene innen kosmologien. Det finnes flere forskjellige teorier, men alle har sine svakheter.

Fordelingen av mørk energi, mørk materie og vanlig materie i universet. Illustrasjon: ESA/Planck.

Hubbles oppdagelse av universets ekspansjon er en av de store milepælene i kosmologien. Oppdagelsen var basert på målinger av rødforskyvning (som er enkelt å bestemme) og avstand (som er vanskelig å måle) til en rekke galakser. I 1998 opplevde vi en liten sensasjon i kosmologien basert på den samme type observasjoner som Hubble gjorde. To grupper av astronomer hadde bestemt rødforskyvning og avstand til svært fjerne galakser ved å se på lyset fra et fenomen som kalles en supernova av type Ia. En slik supernova er en enormt energirik eksplosjon av en såkalt hvit dvergstjerne, og det spesielle er at energien som frigjøres, er omtrent den samme i alle slike eksplosjoner. Siden vi også kan måle hvor mye energi vi mottar fra eksplosjonen her på jorda, kan vi regne ut avstanden til supernovaen, og dermed vet vi også avstanden til galaksen den befinner seg i.

Hva var det sensasjonelle med disse resultatene? Vi er vant til at tyngdekraften alltid er tiltrekkende. Derfor burde vi forvente at universet utvider seg saktere etter som tiden går, fordi tyngdefeltet fra massen som finnes i universet, forsøker å bremse utvidelsen. Men observasjonene som ble offentliggjort i 1998, viste at universet faktisk utvider seg raskere nå enn det gjorde tidligere! Dette er rett og slett umulig å forstå dersom universet bare inneholder masse som oppfører seg slik vi er vant til. Den mye omtalte mørke materien kan ikke være løsningen, for den setter opp tiltrekkende tyngdefelter, akkurat som den lysende materien.

Den kosmologiske konstant

Hva kan forklaringen på akselerasjonen være? Den enkleste forklaringen finnes i en artikkel Albert Einstein publiserte i 1917, der han anvendte sin generelle relativitetsteori på universet. Han satte opp en enkel modell for universet, og fant at ut at det enten måtte utvide seg eller trekke seg sammen. Hubbles oppdagelse lå ennå noen år fram i tid, og den gjengse oppfatning, som Einstein delte, var at universet er statisk. For å få lage en statisk universmodell, innførte Einstein et nytt ledd i ligningene sine, den såkalte kosmologiske konstanten. Dette leddet oppfører seg som en frastøtende tyngdekraft, og ved å justere verdien på den, kunne Einstein balansere de tiltrekkende tyngdekreftene fra materien med den kosmologiske konstanten. Nå vet vi at universet utvider seg, men vi kan også bruke den kosmologiske konstanten til å forklare hvorfor det utvider seg raskere enn tidligere. Dersom den er stor nok, vil den kosmologiske konstanten gi det dominerende bidraget til tyngdefeltene i universet, og være større enn kreftene som forsøker å bremse ned utvidelsen.

Siden Einstein innførte den kosmologiske konstanten, har vi lært at den kan tolkes som energien til det tomme rom, vakuum. Kvantemekanikken, lovene som styrer mikrokosmos, har lært oss at det tomme rom aldri er helt tomt, men er fylt av aktivitet: Partikler skapes og forsvinner i en evig runddans. Denne aktiviteten fører til at vakuum har en energi, og den kosmologiske konstant er bestemt av denne energien. For å forklare supernovaobservasjonene, må omtrent 70 prosent av universets totale energi komme fra vakuumenergien. Men dersom vi regner ut vakuumenergien med de beste teoriene vi har, og sammenligner med den målte energien, viser det seg at vi har et problem: Den teoretiske verdien er større enn den observerte verdien med en faktor som svarer til 10 etterfulgt av 120 nuller! Dette er mildt sagt et kjempeproblem, og det forteller oss at våre modeller for vakuum ikke er gode nok. Hadde vakuumenergien vært så stor som teorien forutsier, ville vi faktisk ikke eksistert i det hele tatt. Da ville nemlig universet ha begynt å akselerere lenge før materien hadde rukket å samle seg i stjerner og galakser, og universet ville endt opp som en tynn suppe av partikler som suste vekk fra hverandre med stadig større hastighet

Det er mulig at nøkkelen til å forstå vakuumenergien ligger i å få til en vellykket forening av den generelle relativitetsteorien med kvantemekanikken. En slik forent teori finnes for øyeblikket ikke, og det er derfor mange som har sett seg om etter andre muligheter til å forklare den akselererte ekspansjonen. Det mystiske stoffet som står bak akselerasjonen kalles mørk energi, og vi ønsker å bruke observasjoner til å sette føringer på egenskapene til dette stoffet.

Skalarfelt

Forlater vi vakuumenergien som modell for mørk energi, står vi egentlig på bar bakke. Vi må finne på noe helt nytt. En av de første ideene var tanken om at universet er fylt med et såkalt skalarfelt. Fra dagliglivet kjenner vi elektriske og magnetiske felter. Slike felt sier noe om styrken til elektriske krefter på et hvert punkt i rommet til bestemte tider. Elektriske og magnetiske felter har en retning, og på fint sier vi at de er vektorfelter. Et skalarfelt er på mange måter som elektromagnetiske felter, men det mangler retning. Eksempler på et skalarfelt fra dagliglivet er temperatur: til hvert punkt i rommet kan vi tilordne et tall som er lik temperaturen i dette punktet. Dersom naturen inneholder et hittil ukjent skalarfelt som fyller hele universet, og som endrer seg svært langsomt med tiden, så viser det seg at det oppfører seg svært likt vakuumenergi. Egenskapene til feltet kan konstrueres på mange forskjellige måter, og den generelle betegnelsen på denne type modeller for mørk energi er ”kvintessens”. Kvintessens betyr ”det femte elementet” og navnet er hentet fra gresk naturfilosofi, der enkelte filosofer så for seg at det i tillegg til de fire elementene jord, luft, ild og vann fantes et femte element.

Selv om det mesteparten av universets energi i dag er i form av mørk energi, så er ikke forskjellen mellom bidragene fra materien og mørk energi enorm. Det er bare en faktor på omtrent tre som skiller dem. Mørk materie og mørk energi har antakeligvis sin opprinnelse i vidt forskjellige fysiske prosesser. Da virker det litt merkelig at de i dag gir såpass like bidrag til universets energitetthet. Vakuumenergien som mørk energi gir ingen hint om svaret på dette problemet. Dersom den mørke energien er et skalarfelt, kan dette problemet løses. Et skalarfelt har til forskjell fra vakuumenergien en dynamikk og kan variere i tiden. Det er mulig å konstruere kvintessensmodeller der dynamikken til skalarfeltet naturlig fører til at det i dag bidrar omtrent like mye som materien til universets energitetthet. Problemet med en slik løsning er imidlertid at den er konstruert for formålet, og at lovene som styrer oppførselen til skalarfeltet må finjusteres for at vi skal ende opp med riktig verdi for energitettheten i dag.

På samme måte som med den mørke materien, kan observasjonene som tyder på at det finnes mørk energi også tolkes som at det er noe feil med gravitasjonsteorien vi bruker. Observasjoner av supernovaer og den kosmiske bakgrunnsstrålingen tolkes innenfor modeller som har den generelle relativitetsteorien som grunnlag. Disse viser at universet utvider seg annerledes enn vi ville forvente dersom det bare inneholdt materie. I stedet for å tolke dette som tegn på at det må finnes mystisk stoff med frastøtende tyngdekraft, kan vi se på det som et tegn på at den generelle relativitetsteorien ikke har absolutt gyldighet. Kanskje vi må bruke en annen gravitasjonsteori når vi skal studere effekter som foregår på lengdeskalaer som strekker seg over flere milliarder lysår?

Det kopernikanske prinsipp

En annen mulig løsning på mørk energi-problemet , er ideen om at det ikke finnes noen mørk energi og at alt er i orden med vår forståelse av tyngdekraften, men at det kopernikanske prinsipp ikke er gyldig. Det kopernikanske prinsipp sier at vi ikke befinner oss i en privilegert posisjon i universet. Denne antagelsen er svært naturlig, og gjør livet svært mye lettere når man skal konstruere matematiske modeller for universets historie og struktur. Men i naturvitenskapen kan ingen prinsipper være hellige, så det er viktig å undersøke hva som skjer dersom vi lar det kopernikanske prinsipp fare. Det er gjort flere forsøk på å konstruere universmodeller som bryter med det kopernikanske prinsipp på en eller annen måte. De norske fysikerne Øyvind Grøn, Håvard Alnes og Morad Amarzguioui lagde for noen år siden en relativt enkel modell der supernovadataene forklares uten noen mørk energi eller akselerasjon. I modellen deres befinner vi oss nær sentrum av et kuleformet område i universet, med radius på noen hundre millioner lysår, der tettheten er lavere enn i området utenfor. At tettheten er lavere, betyr at nedbremsingen av universets ekspansjon er mindre effektiv innenfor denne boblen enn utenfor, og dette er nok til å forklare hvorfor supernovaene er mer lyssvake enn vi skulle forvente. I stedet for mørk energi kan altså det vi ser skyldes at vi befinner oss nær universets sentrum!

Det ville være litt av en skjebnens ironi dersom vi nesten fem hundre år etter den kopernikanske revolusjon skulle ende opp nær universets sentrum igjen. Av denne grunnen er det vanskelig å ta modellen helt alvorlig, selv om det selvsagt ikke er noe godt argument mot den at vi ikke skulle forvente å være i sentrum av universet. Et mulig kompromiss er om universet består av flere slike bobler, slik at vi befinner oss i sentrum av en boble som ikke er spesiell. Eller at man kan klare seg med en mindre dramatisk tetthetsvariasjon, som vi ikke trenger å befinne oss i midten av.

Vi er ennå langt unna noe svar på hva den mørke energien er. Ambisiøse observasjonelle prosjekter er under planlegging, og forhåpentligvis vil årene som kommer ikke bare bringe nye overraskelser, men også økt forståelse av hva det er som får universet til å utvide seg stadig raskere.

Av Øystein Elgarøy
Publisert 2. mai 2011 10:58 - Sist endret 28. juli 2014 10:44