komplexa strukturen som vi ser idag uppstod från ett mindre, hetare, tätare, mer enhetligt tillstånd i det förflutna. Det måste finnas någon ny form av energi som driver den nuvarande fasen av accelererad expansion, bortom den kända materian och strålningen. C. Faucher-Giguère, A. Lidz och L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Materia och energi talar om för rymdtiden hur den ska kröka; krökt rymdtid talar om för materia och energi hur den ska röra sig. Det är den allmänna relativitetsprincipens huvudregel, och den gäller för allt i universum, inklusive hela universum självt. I slutet av 1990-talet hade vi samlat in tillräckligt med data från avlägsna galaxer i universum för att dra slutsatsen att de inte bara rörde sig bort från oss, utan att deras recession påskyndades. Rymdväven expanderade inte bara, utan expansionen accelererade.
Avstånd (x-axeln) stämmer överens med ett universum som expanderade snabbare förr, men som fortfarande expanderar idag. Detta är en modern version av, som sträcker sig tusentals gånger längre än, Hubbles ursprungliga arbete. Observera att punkterna inte bildar en rak linje, vilket visar att expansionshastigheten förändras över tiden. Ned Wright, baserat på de senaste uppgifterna från Betoule et al. (2014)
Den enda förklaringen var att det måste finnas mer i universum, i form av materia och energi, än vad vi tidigare hade kommit fram till. I ett expanderande universum – som det vi lever i – är det inte bara krökningen som bestäms av materia och energi, utan även hur expansionshastigheten förändras över tiden. De komponenter i universum som vi kände till före för 20 år sedan var normal materia, mörk materia, neutriner och strålning. Universum kan expandera alldeles utmärkt med dessa, men avlägsna galaxer borde bara sakta ner.
Observationen av acceleration innebar att det fanns något annat där, och att det inte bara var närvarande; det var dominerande.
och solen i vårt solsystem, måste beaktas vid alla observationer som en rymdfarkost eller ett annat observatorium skulle göra. Den allmänna relativitetsprincipens effekter, även de subtila, kan inte ignoreras. NASA/JPL-Caltech, för Cassini-uppdraget
Fysiskt sett är det som händer i den allmänna relativitetsteorin att själva rymdväven kröker sig positivt eller negativt som svar på den materia som klumpar och grupperar sig i den. En planet som jorden eller en stjärna som vår sol får rymdväven att kröka sig, medan ett tätare och mer massivt objekt får rymden att kröka sig hårdare. Om allt du har i ditt universum är några klumpar materia räcker denna beskrivning.
Å andra sidan, om det finns många massor i universum, som är ungefär jämnt fördelade över hela universum, känner hela rymdtiden en global gravitationseffekt. Om universum inte expanderade skulle gravitationen få allting att kollapsa ner till en enda punkt. Det faktum att universum inte har gjort det gör att vi omedelbart kan dra slutsatsen att något har förhindrat denna kollaps. Antingen är det något som motverkar gravitationen eller så expanderar universum.
stöder bilden av det expanderande universumet och Big Bang. Det lilla antalet ingående parametrar och det stora antalet observationsframgångar och förutsägelser som senare har verifierats är några av kännetecknen för en framgångsrik vetenskaplig teori. Friedmann-ekvationen beskriver allt detta. NASA / GSFC
Det är här hela idén om Big Bang först kom ifrån. Om vi ser materia i ungefär lika stora mängder överallt, i alla riktningar och på avstånd nära, mellanliggande och långt borta, vet vi att det måste finnas en otroligt stor gravitationskraft som försöker dra ihop dem alla. Eftersom universum inte har kollapsat ännu (och inte håller på att kollapsa), återstår bara två alternativ: gravitationen har fel, eller så expanderar universum.
Med tanke på att den allmänna relativitetsteorin har klarat alla tester som vi har gjort är det svårt att hävda att den har fel. Särskilt eftersom det med ett universum fullt av materia och strålning räcker med en inledande expansion för att få ett universum som i dag:
- expanderar,
- kyls,
- blir mindre tätt,
- full av rödförskjutet ljus,
- och som hade ett varmt och tätt förflutet.
Ett universum som föddes varmt, tätt och expanderande, men som var fyllt av materia och energi, skulle se mycket likadant ut som vårt universum ser ut idag.
illustrationer) motsvarar alla ett universum där materien och energin kämpar mot den ursprungliga expansionstakten. I vårt observerade universum orsakas en kosmisk acceleration av någon typ av mörk energi, som hittills är oförklarad. Alla dessa universum styrs av Friedmanns ekvationer. E. Siegel / Beyond the Galaxy
Expansionen börjar snabbt och gravitationen arbetar för att dra ihop saker och ting igen. Det får en att tro att det finns tre möjligheter för hur universum kommer att utvecklas med tiden:
- Gravitationen vinner: Universum expanderar snabbt till att börja med, men det finns tillräckligt med gravitation för att dra ihop saker och ting så småningom. Expansionen når ett maximum, stannar upp och vänder om för att leda till en återkollaps.
- Gravitation och expansion står sig lika: Den ursprungliga expansionen och gravitationen motverkar varandra exakt. Med ytterligare en proton i universum skulle det åter kollapsa, men den protonen finns inte där. Istället asymptoteserar expansionshastigheten mot noll och avlägsna galaxer drar sig helt enkelt tillbaka allt långsammare.
- Expansionen vinner: Den snabba expansionen motverkas av gravitationen, men inte tillräckligt. Med tiden fortsätter galaxerna att röra sig bort från varandra, och även om gravitationen bromsar expansionen så upphör den aldrig.
Men vad vi faktiskt observerar är en fjärde. Vi ser att universum tycktes befinna sig på den ”kritiska” banan under de första miljarderna år, och sedan, helt plötsligt, började de avlägsna galaxerna att avlägsna sig snabbare från varandra. Teoretiskt sett finns det en övertygande anledning till varför det skulle kunna vara så.
Societys hyperwall 2017, tillsammans med den första Friedmann-ekvationen till höger. Perimeter Institute / Harley Thronson
Det finns en mycket enkel (nåja, för relativitetsteorin) ekvation som styr hur universum expanderar: den första Friedmann-ekvationen. Även om den kan se komplicerad ut har termerna i ekvationen verkliga betydelser som är lätta att förstå.
skrivet idag (i modern notation), där den vänstra sidan beskriver Hubble-expansionshastigheten och rymdtidens utveckling, och den högra sidan omfattar alla de olika formerna av materia och energi, tillsammans med rumslig krökning. LaTeX / public domain
På vänster sida har du motsvarigheten till expansionshastigheten (i kvadrat), eller det som i vardagligt tal kallas Hubblekonstanten. (Den är inte riktigt en konstant, eftersom den kan förändras när universum expanderar eller drar ihop sig med tiden). Den talar om hur universums struktur expanderar eller drar ihop sig som en funktion av tiden.
På den högra sidan finns bokstavligen allt annat. Där finns all materia, strålning och alla andra former av energi som utgör universum. Där finns den krökning som är inneboende i själva rymden, beroende på om universum är slutet (positivt krökt), öppet (negativt krökt) eller platt (okrökt). Det finns också termen ”Λ”: en kosmologisk konstant, som antingen kan vara en form av energi eller en inneboende egenskap hos rymden.
kosmologisk konstant (nederst) alla utvecklas med tiden i ett expanderande universum E. Siegel / Beyond The Galaxy
Dessa två sidor måste vara lika. Vi trodde att universums expansion skulle avta eftersom energitätheten (på den högra sidan) sjunker när universum expanderar, och därför måste rymdens expansionshastighet sjunka. Men om man har en kosmologisk konstant eller någon annan form av mörk energi kanske energitätheten inte sjunker alls. Den kan förbli konstant eller till och med öka, och det innebär att expansionshastigheten kommer att förbli konstant eller öka också.
Hursomhelst skulle det innebära att en avlägsen galax skulle verka som om den accelererar när den rör sig bort från oss. Mörk energi får inte universum att accelerera på grund av ett tryck som trycker utåt eller en antigravitationskraft; den får universum att accelerera på grund av hur dess energitäthet förändras (eller, mer exakt, inte förändras) när universum fortsätter att expandera.
vårt faktiska, accelererande öde som visas till höger. Efter tillräckligt lång tid kommer accelerationen att lämna varje bunden galaktisk eller supergalaktisk struktur helt isolerad i universum, eftersom alla andra strukturer accelererar oåterkalleligt bort. NASA & ESA
När universum expanderar skapas mer utrymme. Eftersom mörk energi är en form av energi som är inneboende i rymden, så minskar inte energitätheten när vi skapar mer utrymme. Detta skiljer sig fundamentalt från normal materia, mörk materia, neutriner, strålning och allt annat som vi känner till. Och därför påverkar det expansionshastigheten på ett annat sätt än alla dessa andra typer av materia och energi.
utvecklas/utvidgas i lika stora tidsintervaller om ditt universum domineras av materia, strålning eller den energi som är inneboende i själva rymden, där det senare motsvarar vårt universum som domineras av mörk energi. E. Siegel
En kort sagt, en ny form av energi kan påverka universums expansionstakt på ett nytt sätt. Allt beror på hur energitätheten förändras med tiden. Medan materia och strålning blir mindre täta när universum expanderar är rymden fortfarande rymd och har fortfarande samma energitäthet överallt. Det enda som har förändrats är vårt automatiska antagande som vi gjorde: att energin borde vara noll. Det accelererande universum säger oss att den inte är noll. Den stora utmaning som astrofysikerna nu står inför är att ta reda på varför den har det värde som den har. På den fronten är mörk energi fortfarande det största mysteriet i universum.
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.