Én av de viktigste tingene astronomer bedriver tiden sin med, er å måle hva universet består av. Hva har de funnet ut, og hvordan finner de egentlig ut av det?

Universet er kanskje uendelig stort. Uansett ligger mesteparten av det langt utenfor vår rekkevidde. Og da virker det rart at det er mulig å måle hvor mye det finnes av forskjellige ting, men det er faktisk mulig!

Tre typer ting

Gjennom observasjoner forteller universet oss at det i dag hovedsakelig består av tre typer ting: Vanlig materie, mørk materie og mørk energi. I tillegg finnes også fotoner og nøytrinoer, men de bidrar veldig lite til totalen.

• Vanlig materie er vi godt kjent med. Alt vi ser rundt oss, sitter på og spiser på, er lagd av vanlig materie. Vanlig materie er bygd opp av partikler vi kjenner godt, slik som protoner, nøytroner og elektroner.
• Mørk materie er materie som universet forteller oss at må eksistere, men den sender ikke ut lys slik vanlig materie gjør (derav navnet «mørk»), og er derfor umulig å få øye på. Vi kan riktignok se tilstedeværelsen av mørk materie i for eksempel galakser, hvor vi ser at gravitasjonskreftene er større enn at de kan forklares av den vanlige, lysende materien alene. Det må være noe mer der!
• Mørk energi er en slags «omvendt gravitasjonskraft». I stedet for å trekke ting sammen, dytter mørk energi ting fra hverandre.

Det må nevnes at vi fortsatt ikke vet hva verken mørk materie eller mørk energi faktisk er for noe … Men dette prøver forskere iherdig å finne ut av, så kanskje blir det klart for oss etter hvert!

Hvor mye som finnes av disse tre komponentene, er fint oppsummert i én av de mest kjente diagrammene i astrofysikken:

Figur: NASA/WMAP

Dette diagrammet forteller oss at universet består av 4,6 % vanlig materie (atomer), 23 % mørk materie og 72 % mørk energi (det finnes nyere tall som er enda mer presise, som gir 4,9 % vanlig materie, 26,8 % mørk materie, og 68,3 % mørk energi). Men hvordan kan vi egentlig gå ut og måle hvor mye som finnes av disse tingene? Vi vet jo ikke hva to av dem er en gang!

Å måle det usynlige

Først litt kosmisk bakgrunnshistorie: 380 000 år etter Det store smellet skjedde det noe helt spesielt. Frem til da hadde universet vært en varm, kaotisk, tykk tåke av protoner, nøytroner, elektroner, fotoner (lyspartikler), m.m. som hele tiden kolliderte med hverandre. Men temperaturen i universet går ned etterhvert som universet utvider seg, og da 380 000 år hadde gått, var universet kjølig nok til at de frittsvevende partiklene kunne slå seg sammen og danne nøytrale atomer. Da ble det plutselig veldig mange færre partikler for fotonene å kollidere med, og fotonene fikk fri bane slik at de kunne reise utover i universet. Dette var det aller første lyset som ble sluppet løs i universets historie, og som vi mange milliarder av år senere kan observere med teleskopene våre. Det er dette aller første lyset vi ser i nok et velkjent astrofysisk diagram, nemlig «kartet» over den kosmiske bakgrunnsstrålingen:

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen, som er stråling fra da universet var 380 000 år gammelt. Kilde: Planck/ESA.

Dette flekkete kartet viser målinger av temperaturforskjeller gjort i alle himmelretninger. De røde flekkene er områder som er litt varmere enn gjennomsnittstemperaturen, mens de blå flekkene er områder som er litt kaldere. Selv om fargekontrasten er stor, er temperaturforskjellen mellom blått og rødt veldig små: Vi snakker om en forskjell i femte desimal! Temperaturmålingene er gjort av Planck-satellitten, som i bunn og grunn er en veldig dyr og raffinert TV-antenne:

Planck-satellitten

Det er flere satellitter som har målt den kosmiske bakgrunnsstrålingen de siste årene, og det er helt utrolig å se hvordan detaljnivået har endret seg i løpet av bare en tiårsperiode, fra COBE til WMAP til Planck:

Endring i detaljnivået på den kosmiske bakgrunnsstrålingen over tid. Figur: NASA/JPL-Caltech/ESA.

Astrofysikere foretrekker å se på den kosmiske bakgrunnsstrålingen på en litt annen måte enn «kartet» som er vist ovenfor. Vi er nemlig ikke så interessert i de spesifikke posisjonene til de ulike flekkene på temperaturkartet, men hvor store de er. Ja, det er størrelsen som teller! Bokstavelig talt: Vi teller hvor mange flekker vi har av de ulike størrelsene. Denne informasjonen kan vi vise frem i et såkalt effektspektrum («power spectrum» på engelsk), som ser slik ut:

Effektspektrum for den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Trykk på grafen for å komme til ESA sine nettsider som forteller litt mer om grafen. Figur: Planck/ESA.

Langs den nedre horisontale aksen er det angitt grader. Disse gradene forteller oss hvor stor vinkelutstrekning flekkene på kartet har på himmelen, med store flekker til venstre og små flekker til høyre (til sammenligning har Månen en vinkelutstrekning på ca. 0.5º). Høyden på grafen sier hvor mye det finnes av hver flekkstørrelse, eller hvor stor effekt de ulike flekkene har på det totale bildet.

Og så da? Er vi egentlig noe nærmere ved å bestemme hva universet består av? Ja, faktisk! Effektspekteret er selve nøkkelen til å finne ut hva universet består av. Det neste steget er å gjøre simuleringer. Vi vet nemlig hvordan vi kan beskrive universets utvikling og oppførsel med fysiske ligninger! En hel drøss av ligninger, riktig nok.

For å kunne simulere universet, må vi først «gjette» hvor mye vanlig materie, nøytrinoer, fotoner, mørk materie og mørk energi som finnes. Da kan vi kjøre simuleringen og regne ut effektspekteret for universet vi har simulert. Deretter sammenligner vi simuleringen vår med det faktiske effektspekteret fra Planck, og krysser fingrene for at vårt simulerte univers vil minne om universet vi faktisk befinner oss i. Her er et eksempel fra simulering jeg har gjort selv i forbindelse med AST5220 Kosmologi 2, som ikke akkurat treffer helt:

Simulering av effektspekteret. Figur: Meg!

Det siste steget er å justerer hvor mye det finnes av vanlig materie, nøytrinoer, fotoner, mørk materie og mørk energi helt til det simulerte og observerte effektspekteret overlapper perfekt. Og når vi har funnet hvilke verdier som gir et perfekt resultat, har vi funnet ut hvor mye det finnes av ulike ting i universet i dag! Hurra! 😀

Effektspekteret forteller oss ikke bare hva universet består av. Spekteret er virkelig en skattekiste med informasjon!

• Hvor fort utvider universet seg? Se på avstanden mellom toppene i effektspektrumet.
• Hvilken inflasjonsteori passer best med universet vi observerer? Se på området helt til venstre i grafen, som er preget av en del måleusikkerheter (ikke med i min selvproduserte graf). Her er det fortsatt arbeid som gjenstår å gjøre for forskerne.
• Hva slags geometri har universet (flatt, åpent, lukket)? Se på hvilken vinkelutstrekning vi finner den første og største toppen ved. Sammenligninger vi simuleringer og dataene fra Planck, ser vi at universet er temmelig flatt.
• Er det en høy andel vanlig materie? Høyden på den 2. toppen i forhold til den 3. toppen er bestemt av hvor mye vanlig materie som finnes. Hvis den 2. toppen er lavere enn den 3. toppen, betyr det at mengden vanlig materie er høy, og vice versa.

Det er mye annen informasjon å hente også, men dette er de viktigste effektene.

Et univers i endring

Nå vet vi altså hvor tallene i kakediagrammet kommer fra. Men situasjonen har ikke alltid vært slik som beskrevet ovenfor, hvor universet består av litt vanlig materie, en del mer mørk materie og massevis av mørk energi. Da universet bare var 380 000 år gammelt, så fordelingen helt annerledes ut:

Figur: NASA/WMAP

Her utgjør atomene hele 12 % av universets bestanddeler (sammenlignet med 4,9 % i dag), mørk materie står for 63 % (sammenlignet med 26,8 % i dag), mens fotoner utgjør 15 % og nøytrinoer utgjør 10 % (mens de bidrar for lite til å få være med i dagens kakediagram). I dette kakediagrammet er ikke den mørke energi med en gang, mens den dominerer fullstendig i dagens kakediagram! Hva har skjedd?

Forklaringen er enkel: Universet utvider seg.

Til å begynne med finnes det en viss mengde nøytrinoer, fotoner, vanlig materie, mørk materie og mørk energi i universet. Tilsammen utgjør de 100 % av universets innhold. Men så utvider universet seg, samtidig som mengden av de forskjellige komponentene forblir den samme som de hadde opprinnelig. Bortsett fra den mørke energien da, den lever nemlig sitt eget liv:

Mørk energi kalles også noen ganger for «den kosmologiske konstanten» eller «vakuumenergien». Vakuum er det innholdsløse tomrommet som befinner seg mellom galaksene i universet. Og det finnes massevis av det. Men selv i vakuum er det ikke helt tomt, for det viser seg at vakuum har energi. Og denne energien er konstant. For en bestemt mengde vakuum, har du alltid en bestemt mengde energi. Har du dobbelt så mye vakuum, har du dobbelt så mye energi. Og når universet utvider seg, blir jo universet større, og det betyr at vi får mer vakuum enn vi hadde før! Og det betyr at vi får mer mørk energi!t

Mengden mørk energi øker altså når universet utvider seg. Dette er derimot ikke tilfellet for de andre komponentene som finnes i mer eller mindre samme mengde hele tiden. Når universet utvider seg, blir disse stadig mer «utvannet». De forsvinner mer og mer i et hav av mørk energi, og fotonene og nøytrinoene forsvinner fortest. Da kommer vi etterhvert til et tidspunkt (i dag) hvor fotoner og nøytrinoer ikke får være med i kakediagrammet lenger, for de utgjør en så liten andel av totalen. Det er fortsatt en del vanlig materie og mørk materie igjen, men mest mørk energi. Og det vil bare bli mer og mer av den mørke energien etterhvert som årene går!

Astrofysiker Jostein Riiser Kristiansen snakker om mørk energi i forbindelse med lansering av boken sin, «Det usynlige universet».

Hvis du har lyst til å se hvordan andelen av de ulike ingrediensene har endret seg med årene, så har jeg jo selvfølgelig en graf for det det 😉 Dette er nok en graf fra én av programmeringsoppgavene jeg har jobbet med i AST5220 Kosmologi 2 (fargene er satt til å matche kakediagrammene vist ovenfor):

Hvordan fordelingen av de ulike komponentene i universet har utviklet seg med tiden. Helt til høyre i grafen ser vi hvordan verdiene er i dag, mens helt til venstre er slik de var for leeenge siden. Den stiplede linjen markerer da universet var 380 000 år gammelt. Figur: Meg!

Jeg har altså, som masterstudent, faktisk sittet og programmert hva universet består av! Dette er én av mange grunner til at programmering er så kult 😀

Astrofysikk møter statistikk og strikking

Kan universets bestanddeler strikkes? Klart de kan! Og det har bloggkollega, statistiker og strikker, Kathrine Frey Frøslie (som står bak den herlige bloggen Statistrikk) gjort! Hun har strikket kakediagrammene som beskriver hva universet består av i dag, og hva det bestod av når det bare var 380 000 år gammelt, og gjort de om til grytekluter. (Men i følge hva jeg har hørt, bruker ikke ekte statistikere kakediagrammer 😛 ) Sjekk ut Kathrines samarbeidsblogginnlegg om hva universet består av!

Hovedbilde: Hubble Deep Field (NASA/Hubbleteleskopet) med grafikk lagt oppå av meg.