Kanske den största upptäckten om universum som vi gjorde i slutet av förra seklet, när vi upptäckte en av de konstigaste kosmiska sanningarna: avlägsna galaxer flyger inte bara bort från oss när tiden går framåt, utan flyger också snabbare och snabbare. Upptäckten av den snabbare expansionen av universum som en del av Supernova Cosmology Project med hjälp av High-z Supernova Search Team fick forskare Nobelpriset i fysik. Även om detta är ett av de konstigaste och mest ovanliga fenomenen i universum.
Faktum är att universum inte alltid accelererade och flydde bort från oss. Under miljarder år har utbyggnaden avtagit och för någon som levde för tio miljarder år sedan kan det tyckas att den drar ihop. Vad hände?
På 1920-talet presenterades fyra bevis - tre observerbara och en teoretisk - att universum expanderade. Här är de:
1. Upptäckte att natthimlets spiralnebulor var riktiga galaxer, eller "öununivers" som innehöll miljarder stjärnor och ligger långt bortom Vintergatan.
2. Mätning av röda och blåskift av dessa galaxer av Vesto Slifer visade hur snabbt dessa galaxer antingen rör sig bort från oss (rödskift) eller närmar oss oss (blåskift), och de allra flesta följde det första scenariot.
3. Avståndsmätningar till var och en av dessa galaxer utfördes av Edwin Hubble och hans assistent Milton Humason. I kombination med Slifers observationer avslöjade de ett tydligt förhållande: ju längre galaxen var, desto snabbare verkade den röra sig bort från oss.
4. Slutligen, ett kraftfullt teoretiskt språng som gjorts av Einsteins allmänna relativitetsteori: insikten att universum, som är fylld med galaxer med ungefär samma densitet i alla riktningar, måste vara instabilt såvida det inte expanderar eller sammandras.
Detta ledde till en bild av universumet från 1929: det var varmare, tätare och expanderade snabbare tidigare och blev sedan kallare, mindre tät och expanderade långsammare med tiden.
Kampanjvideo:
Detta är ganska logiskt med tanke på Big Bang. Föreställ dig Big Bang som startpistolen för ett stort rymdlopp, ett lopp mellan den första utvidgningen på ena sidan, som var mycket snabb till en början, och tyngdkraften på den andra sidan, som drar allt tillsammans. Det är lätt att föreställa sig tre olika alternativ, som var och en resulterar i en annan takt i universum:
1. Stor komprimering. Kanske var den initiala expansionshastigheten ganska hög, men tyngdkraften var starkare. Utvidgningen bör bromsa ner och stoppa. Universum måste nå sin maximala storlek och börja krympa. Och slutligen måste den kollapsa igen och återvända till staten före Big Bang.
2. Stor frysning. Detta är det motsatta scenariot från det föregående: där expansionen startar snabbt och tyngdkraften bromsar det, men inte tillräckligt. Expansionen varar evigt, tyngdkraften bromsar den hela tiden, men kan inte stoppa den. Detta scenario är känt som världens död av universum: The Great Freeze.
3. Kritiska universum. Det finns också möjligheten att du befinner dig i mitten, när expansionshastigheten och tyngdkraften utjämnar varandra och expansionshastigheten kommer att avta med tiden. En partikel mindre, ytterligare en partikel i universum - och du får det första eller andra scenariot. Men denna partikel finns inte. Scenarioet "kritiska universum" skulle leda till den långsammaste värmedöd.
Under miljarder år verkade det som om det kritiska alternativet skulle vinna. Du ser, när du bor i universum och tittar på olika galaxer, kan du inte bara mäta den nuvarande expansionshastigheten, men genom att titta på de mest avlägsna galaxerna, kan du också mäta expansionshastigheten i början av universums historia.
Denna bild visar galaxer som redan är ouppnåelig för oss.
Under miljarder år - ungefär sju miljarder exakt - verkade det som om vi bodde i ett kritiskt universum. Utvidgningen började i strålningstiden (fotoner och neutrino), och sedan kyldes allt tillräckligt för att materiens era (både vanligt och mörkt) började. När universum fortsatte att expandera föll materiens densitet och föll när materiens volym ökade och massan förblev densamma.
Men vid någon tidpunkt sjönk materialets täthet till ett så lågt värde att en annan, subtilare bidragare till universums energitäthet dök upp: mörk energi. På ungefär sju miljarder år nådde värdet på mörk materia flera procent av den totala energitätheten, och när universum var 7,8 miljarder år gammalt hade densiteten på mörk energi nått ett viktigt värde: 33% av den totala energitätheten i universum. Detta är viktigt eftersom den mängden mörk energi behövs för att expansionshastigheten börjar öka.
Sedan dess, för cirka 6 miljarder år sedan, började materialets täthet att minska, medan mörk energi förblev konstant. För närvarande utgör mörk materia cirka 68% av universumets totala energi, och materien har minskat till 32% totalt (27% mörk materia och 5% vanlig materia). Med tiden, i framtiden, kommer materialens densitet att fortsätta att falla, medan densiteten för mörk energi kommer att förbli konstant, mörk energi kommer att bli mer och mer utbredd.
Energitäthet i universum vid olika tidpunkter i dess förflutna
För enskilda galaxer kommer detta att innebära att en galax som började röra sig bort från oss vid Big Bang-tiden snabbare än andra kommer att visa en uppenbar nedgång i hastighet (ur vår synvinkel) under de första 7,8 miljarder åren. Sedan slutar retardationsfrekvensen att tappa och kommer att förbli oförändrad under en tid. Då börjar den växa, och galaxen kommer att börja röra sig från oss ännu snabbare än tidigare, eftersom utrymmet mellan oss och avlägsna galaxer expanderar med en enorm hastighet. Vid någon tidpunkt - och detta är skrämmande eftersom det gäller 97% av galaxerna i vårt synliga universum - kommer varje galax utanför vår lokala grupp att röra sig bort med en hastighet som är snabbare än ljusets hastighet och på så sätt blir utom räckhåll på grund av fysiska begränsningar.
I det gula är det synliga universumets nuvarande storlek: 46 miljarder ljusår; Storleken vi kan uppnå är i rosa färger: 14,5 miljarder ljusår
Så långt vi kan säga har universum alltid haft den mängd mörk energi som det nu har inneboende i själva kosmos. Men det tog 7,8 miljarder år, eller universums historia en och en halv miljard år innan vårt solsystem bildades, för att materialets täthet skulle sjunka till en sådan nivå att mörk energi tog över universums expansion. Sedan dess har alla galaxer utanför vår lokala grupp avtagit från oss och kommer att fortsätta att avta tills den sista försvinner. Universum har expanderat under de senaste sex miljarder åren, och om vi hade dykt upp tidigare, kanske vi inte hade gått längre än dessa tre alternativ som erbjuds av vår intuition. I bästa fall kunde vi bara gissa vad universum är exakt. Och det skulle vara vår största belöning.
