Det boblende univers
Hvad skete der, kort efter universet blev født i Big Bang og begyndte at udvide sig? Det begyndte pludselig at boble og undergå en hidtil ukendt faseovergang, mener partikelfysikere fra SDU og Nordita i Stockholm.
Tænk på en gryde med vand, der kommer i kog: Når temperaturen nærmer sig kogepunktet, opstår der bobler i vandet, som brister og fordamper, når vandet koger. Det fortsætter, indtil der ikke er mere vand, der kan skifte fase fra flydende til damp.
Nogenlunde sådan kan det have set ud i det allertidligste univers, altså lige efter Big Bang for 13,7 mia. år siden.
”Man skal forestille sig, at der opstod bobler forskellige steder i det tidlige univers
Det mener partikelfysikerne Martin S. Sloth fra Centre for Cosmology and Particle Physics Phenomenology på SDU og Florian Niedermann nu på Nordisk institut for teoretisk fysik (NORDITA) i Stockholm og tidligere postdoc i Martin S. Sloth’s forskningsgruppe. I en ny videnskabelige artikel har de fundet endnu stærkere grundlag for deres ide.
Mange bobler, der ramler ind i
hinanden
- Man skal forestille sig, at der
opstod bobler forskellige steder i
det tidlige univers. Boblerne blev
større, og de begyndte at ramle ind
i hinanden. Til sidst var der en
kompliceret tilstand af
kolliderende bobler, som frigav
energi og i sidste ende fordampede,
forklarer Martin S. Sloth.
Baggrunden for deres teori om
en faseovergang i et boblende
univers er et, i fysikerkredse,
højst interessant problem med
at beregne den såkaldte Hubble
konstant; et tal for, hvor
hurtigt, universet udvider sig
– her spiller det boblende
univers nemlig en rolle, mener
forskerholdet.
Hubble konstanten kan man måle meget pålideligt ved fx at analysere kosmisk baggrundsstråling eller ved at måle, hvor hurtigt en galakse eller en eksploderende stjerne bevæger sig væk fra os. Begge metoder er iflg. Sloth og Niedermann både pålidelige og videnskabeligt anerkendte. Problemet er bare, at de to metoder ikke leder frem til den samme Hubble konstant. Fysikere kalder dette problem for ”the Hubble tension”.
Er der noget galt med vores
opfattelse af det tidlige
univers
?
- I videnskaben er det sådan,
at man skal kunne nå frem til
samme resultat ved at bruge
forskellige metoder, så her har
vi et problem. Hvorfor får vi
ikke samme resultat, når vi nu
føler os så sikre på begge
metoder? siger Florian
Niedermann.
Mød forskeren
Martin S. Sloth er professor i teoretisk kosmologi og leder af Universe Origins Group på Centre for Cosmology and Particle Physics Phenomenology.
Flere mysterier i universet
Der er stadig mange, mange mysterier i universet. 95 pct. af universet består fx af materiale, som ingen ved, hvad er. Det stof, som vi kender, og som bl.a. Jorden er bygget af, udgør kun 5 pct. af universet. Resten er såkaldt mørkt stof og mørk energi.
Ny Videns nyhedsbrev
Skriv dig op til at høre om resultater, indsigter og løsninger fra forskerne på SDU.
”I videnskaben er det sådan, at man skal kunne nå frem til samme resultat ved at bruge forskellige metoder, så her har vi et problem.
Sloth og Niedermann
mener at have fundet en
vej til at nå frem til
samme Hubble konstant,
uanset hvilken metode,
man bruger. Den vej
starter med en
faseovergang og et
boblende univers – og
således forbindes et
tidligt, boblende
univers med ”the Hubble
tension”.
- Hvis vi antager, at
disse metoder virkelig
er pålidelige og til at
regne med – og det
mener vi, de er – så er
det måske ikke
metoderne, den er gal
med. Så må vi se på det
grundlag, som de tager
udgangspunkt i; måske
er dette grundlag
forkert.
En ukendt mørk
energi
Grundlaget for de
anerkendte metoder er
den såkaldte
standardmodel, der
bl.a. antager, at der i
det tidlige univers var
en masse stråling og
stof, både normalt og
mørkt, og at disse var
de dominerende former
for energi. Strålingen
og det normale stof var
samlet i et
ugennemsigtigt, varmt
og tæt plasma, som var
den tilstand, universet
befandt sig i efter Big
Bang og ca. 380.000 år
frem.
Det er, når man lægger standardmodellen til grund, at man når frem til forskellige resultater for hvor hurtigt universet udvider sig; og dermed to forskellige resultater for Hubble konstanten.
Men måske der fandtes
en ny form for mørk
energi i det tidlige
univers? Det mener
Sloth og Niedermann.
Hvis man introducerer
ideen om, at der i det
tidlige univers fandtes
en ny form for mørk
energi som pludseligt
begyndte at boble og
undergå en
faseovergang, kommer
beregningerne til at
stemme. I deres model
når forskerholdet frem
til et konsistent
resultat for Hubble
konstanten ved begge
målemetoder. Denne idé
kalder Martin S. Sloth
og Florian Niedermann
for New Early Dark
Energy – NEDE.
Skift fra en fase
til en anden – som
vand til damp
Sloth og Niedermann
mener, at den nye,
mørke energi undergik
en såkaldt
faseovergang, da
universet udvidede sig,
kort før det ændrede
sig fra den tætte,
ugennemsigtige og varme
plasma til det univers,
som vi kender i dag, og
hvor der findes lys.
- Det betyder, at den
mørke energi i det
tidlige univers
undergik en
faseovergang ligesom
vand kan skifte fase
mellem frossen,
flydende og damp. I
processen blev energien
til bobler, som
efterhånden kolliderede
med andre bobler og ad
den vej frigav energi i
form af blandt andet
gravitationelle bølger,
forklarer Niedermann.
- Det kan have taget
alt fra sindssygt kort
tid – måske bare den
tid, som det tager to
partikler at kollidere
– til ca. 300.000 år.
Det ved vi ikke, men
det er noget af det, vi
arbejder på at finde ud
af, supplerer Sloth.
Har vi brug for ny
fysik?
Faseovergangs-modellen
tager altså
udgangspunkt i, at
universet ikke opfører
sig, som vi går og
tror. Det lyder lidt
videnskabeligt vildt at
foreslå, at noget er
galt med vores
fundamentale forståelse
af universet; at man
bare lige kan foreslå
eksistensen af hidtil
ukendte kræfter eller
partikler for at få
Hubble konstant’erne
til at stemme.
- Men hvis vi stoler på
observationerne, må vi
acceptere, at vores
nuværende model for
universet ikke kan
forklare data, og at vi
må gøre modellen bedre.
Ikke ved at forkaste
modellen og dens
hidtidige succes, men
ved at uddybe den og
gøre den mere
detaljeret, så den kan
forklare de nye og
bedre data, siger
Martin S. Sloth, og
tilføjer:
- Det ser altså ud til, at en faseovergang i den mørke energi er det element, der mangler i den nuværende standardmodel for at forklare de forskellige målinger af universets udvidelseshastighed.
Hvor hurtigt udvider universet sig?
Hubble konstanten er et mål for hvor hurtigt universet udvider sig.
I Martin S. Sloth og Florian Niedermanns model lander Hubble konstanten på 72. Cirka. Det er trods alt store afstande, der regnes på, så vi må tillade et par decimalers usikkerhed.
Og hvad betyder 72 så? Fuldt udskrevet betyder det 72 km i sekundet pr. Megaparsec. Megaparsecs er et mål for afstanden mellem fx to galakser, og en megaparsec er 30.000.000.000.000.000.000 km. For hver megaparsec, der er mellem os og fx en galakse, fjerner den sig fra os med yderligere 72 km i sekundet.
Når man måler på afstanden til galakser ved brug af supernovaer, får man en Hubble konstant på ca. 73 (km/s)/megaparsec. Men når man måler på de første lyspartikler, altså den kosmiske baggrundsstråling, måles Hubble konstanten til 67,4 (km/s)/megaparsec.
Når Sloth og Niedermann ændrer grundlaget for disse beregninger ved at introducere eksistensen af en ny, tidlig, mørk energi, der gennemgår en faseovergang – som beskrevet i artiklen – får de, at begge typer af observationer stemmer overens med en Hubble konstant på ca. 72.