N?r den europeiske romfartsorganisasjonen ESA skyter opp romteleskopet Euclid om fem ?r, har astrofysikerne store forh?pninger om ? avkle noen av hemmelighetene til m?rk materie og m?rk energi. Bare fire prosent av innholdet i universet er synlig. Nesten hele universet best?r av m?rk materie og m?rk energi.
Den eneste m?ten ? observere denne m?rke delen p?, er ? regne seg frem til hvordan ulike krefter, slik som gravitasjonskraften, p?virker bevegelsene til den synlige massen i universet.
Romteleskopet skal derfor skanne himmelen, bit for bit, og avfotografere og finne 2000 egenskaper til hver eneste synlige galakse. Hver galakse best?r av mellom ti millioner og hundre tusen milliarder stjerner. Selv om forskerne regner med ? finne mellom fem og femten milliarder galakser, er dette likevel bare en liten br?kdel av alle galaksene i universet. De fleste er s? langt unna at de aldri vil bli mulig ? observere. Mange av galaksene er s? lyssvake at teleskopet m? bruke sv?rt lange eksponeringstider.
Det finnes en rekke hypoteser om m?rk materie og m?rk energi. Astrofysikerne er avhengige av enorme mengder med data for ? kunne dementere eller bekrefte dem. Poenget deres er ? kunne skille dem gjennom ?rsm? variasjoner i de statistiske beregningene.
Frast?tende gravitasjon
Universet har de siste milliarder ?rene utvidet seg stadig raskere. Det betyr at de galaksene som er lengst vekke fra v?r hjemlige galakse, Melkeveien, beveger seg langt raskere vekk fra oss enn de n?rmere galaksene.
– Denne utvidelsen er en av astrofysikkens g?ter. Tyngdekraften burde ha fungert som en brems som hadde f?tt utvidelsen til ? g? saktere. Det m? alts? finnes et stoff eller en type energi i universet som fungerer som en frast?tende tyngdekraft, poengterer dr. scient. Stein Vidar Hagfors Haugan p? Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.
En av de mest spenstige teoriene om hvorfor universet utvider seg, er teorien om vakuum-energien. If?lge Einsteins relativitetsteori f?rer denne energien til frast?tende gravitasjon. Vakuumenergien er den energien som blir igjen i et omr?de n?r all materie og energi som er mulig ? bli kvitt, er blitt fjernet.
– Hvis vakuumkraften vinner over gravitasjonskraften, vil ting skyves raskere og raskere fra hverandre, men det m? v?re en viss avstand mellom to enheter for at vakuumkraften skal vinne over gravitasjonskraften.
Balansepunktet for n?r dette skjer, er avhengig av energitettheten i vakuumet. Hvis energitettheten endrer seg, vil ogs? balansepunktet endre seg.
– Dette balansepunktet kalles den kosmologiske konstanten. Den regnes som et av fysikkens aller st?rste mysterier og er den mest besn?rende forklaringen p? hvorfor universet utvider seg, forteller professor Per Barth Lilje p? Astrofysisk institutt.
Hvis energitettheten stadig ?kes, kreves det mindre og mindre avstand mellom to gjenstander f?r de bl?ses fra hverandre.
Og her kommer et utrolig eksotisk tankescenarium.
– N?r avstanden mellom galakser er stor nok, blir de skj?vet fra hverandre. Om vakuumkraften blir sterkere, kan den skyve Jorda bort fra Sola. Blir den enda sterkere, kan menneskene skyves vekk fra Jorda. N?r grenseverdien blir enda mindre, vil de kjemiske bindingene i molekylene rives i stykker. Deretter presses elektronene vekk fra atomkjernen, og etter hvert splittes alle atomkjernene opp, forklarer Hagfors Haugan.
Vil eliminere teorier
Den store uenigheten mellom partikkelfysikere og astrofysikere er hva energitettheten er i dag.
– Uenigheten dreier seg om en faktor p? 10 opph?yd i 60, forteller Lilje. Tallet er enormt og kan skrives som et ett-tall etterfulgt av 60 nuller.
Astrofysikere har allerede observert noe som ser ut som vakuumenergi, men observasjonene stemmer ikke med teorien. Og det finnes en mengde kompliserte teorier som fors?ker ? forklare den observerte vakuumtettheten.
Det er her det nye romteleskopet kommer inn.
– Vi h?per at vi n? kan eliminere en mengde teorier som ugyldige. Og det er nettopp det forskning handler om: Du har en rekke teorier og trenger eksperimenter for ? avkrefte flest mulig av dem. Hvis vi er heldige, st?r vi tilbake med bare én teori, sier Hagfors Haugan.
En av de tingene astrofysikerne ?nsker ? finne ut av, er hvorvidt m?rk energi faktisk er energitettheten av vakuum og om denne energitettheten i vakuum ?ker eller minker.
– Det finnes en rekke teorier om dette, og noen av dem er spekulative, men vi h?per at m?lingene fra Euclid kan finne en eventuell variasjon eller i det minste sette et ?vre tak p? hvor stor denne effekten er. Selv om vi tror at denne effekten er veldig liten, kan vi ikke utelukke at den er der.
M?rk materie er derimot langt mindre eksotisk. Man antar at m?rk materie er partikler som ikke reagerer med hverken elektroner, protoner eller fotoner. Den eneste m?ten m?rk materie p?virker elektroner, protoner og fotoner, er via gravitasjon.
Gravitasjon fra m?rk materie p?virker sammenklumpingen av all materie i universet. Derimot vil m?rk energi, som kanskje skyldes vakuumtettheten, motvirke sammenklumpingen.
– Det samme gjelder utvidelsen av universet. Jo raskere det utvider seg, desto mindre er klumpingen.
Gravitasjonen fra slike klumper b?yer lyset, slik at galaksene ser ut som om de er strukket ut. Jo mer klumping, desto st?rre blir denne effekten.
– Ved ? m?le formen p? galakser, kan vi f? informasjon om b?de vakuumtettheten, den m?rke materien og utvidelseshastigheten. Men ettersom den effekten vi ser etter, er sv?rt liten, trengs det flere milliarder m?linger for ? ha god nok statistikk til ? bekrefte eller avkrefte de ulike teoriene.
M?ler galaksehastigheten
N?r man observerer galakser som er sv?rt langt unna, er det ikke nok ? lete i det synlige lysspekteret. Teleskopet skal observere b?de synlig og infrar?dt lys. Infrar?dt lys er viktig i kosmologien.
Ettersom universet utvider seg, vil de galaksene som ligger lengst unna, bevege seg raskere fra oss enn de galaksene som ligger n?rmere oss. Lyset til disse galaksene vil v?re forskj?vet mot r?dt.
– Man m? derfor ogs? m?le det infrar?de lyset. Forholdet mellom infrar?dt og synlig lys kan derfor brukes til ? m?le avstanden til galakser.
Infrar?dt lys, som er usynlig for mennesket, og nesten umulig ? observere fra bakken, er i bunn og grunn varmestr?ler. Ettersom fuktigheten i luften vil absorbere det infrar?de lyset, m? observasjonene skje utenfor atmosf?ren.
Enorme datamengder
Teleskopet har to instrumenter. Et optisk kamera skal fotografere galaksene og bestemme formen p? dem. Astrofysisk institutt har ansvaret for at norske CMR Prototech leverer mekaniske deler til det andre instrumentet, som er en kombinasjon av et spektrometer og et fotometer. Det skal m?le r?dforskyvningen til en stor del av galaksene og m?le hvor intenst lyset er ved ulike b?lgelengder.
Med observasjoner av mange milliarder galakser blir det snakk om s? store datamengder at de m? fordeles over ti datasentre i Europa og analyseres der, mens informasjonen som trekkes ut av bildene, skal lagres i en database p? ett sted. Det er enn? ikke bestemt hvilken databasel?sning de skal velge. Systemet m? fungere uten stopp 24 timer i d?gnet, og det m? v?re raskt ? s?ke i databasen.
– Vi f?r s? mange bilder at det blir helt umulig for mennesker ? studere dem. Alt m? lagres, kvalitetssikres og tolkes automatisk. Det er veldig vanskelig ? finne ut av hvordan man gj?r dette. Differansene mellom to teorier er veldig sm?. Gj?r vi en liten feil i m?lingene av bildene, kan vi komme til et galt resultat. Det er det store problemet, forteller Stein Vidar Hagfors Haugan, som leder den norske delen av et internasjonalt team som skal sikre at resultatene blir riktige.
Selv om alle dataene skal prosesseres automatisk, er det viktig at noen ser p? om dataene er tolket riktig.
– Vi f?r data som aldri tidligere er blitt observert. Hvis noe er klassifisert som en merkelig galakse, kan forklaringen v?re at det ligger en annen galakse rett bak. Vi kan fors?ke ? finne egenskaper som karakteriserer denne typen galakser, og s? grave i databasen etter galakser med lignende karakteristikker.
Universet skal v?re likt i alle retninger.
– Hvis galaksens egenskaper varierer med posisjonen p? himmelen, kan det ha oppst?tt en skummel, systematisk feil som kan ?delegge konklusjonen. Forklaringen kan da kanskje ha noe med temperatursvingningene p? romteleskopet ? gj?re. Poenget er at det er viktig ? oppdage sammenhenger mellom dataene som ikke skal v?re der. Hvis vi finner for mange strukturer i det som skulle v?rt st?y, m? et eller annet ha g?tt galt. Da er forutsetningene for algoritmene gale. Det gjelder ? luke ut feil. Vi vet lite om hva vi n?yaktig kommer til ? finne. Vi klarer derfor sannsynligvis ikke ? definere p? forh?nd alt som kan v?re suspekt, forteller Hagfors Haugan.
Astrofysisk institutt skal dessuten v?re med p? den vitenskapelige tolkningen av dataene.
– Vi h?per at vi innen 2026 har funnet nye svar p? m?rk energi. Her er det to muligheter. Enten kan vi med en langt st?rre sannsynlighet si at det er avvik fra den kosmologiske konstanten og at energitettheten endres med tiden, eller s? finner vi ingen avvik. Finner vi avvik, har vi kommet et langt steg videre p? veien til ? forst? akselerasjonen i universet, poengterer Per Barth Lilje.