Hvorfor ekspanderer universet med en accelererende hastighed og spreder dens indhold over stadig større rumdimensioner? En original løsning på dette puslespil, bestemt det mest fascinerende spørgsmål i moderne kosmologi, blev fremsat af fire teoretiske fysikere, Edward W. Kolb fra det amerikanske energiministerium Fermi National Accelerator Laboratory, Chicago (USA): Sabino Matarrese fra University of Padova; Alessio Notari fra University of Montreal (Canada); og Antonio Riotto fra INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) fra Padova (Italien). Deres undersøgelse blev forelagt i går til tidsskriftet Physical Review Letters.
I løbet af de sidste hundrede år har udvidelsen af universet været genstand for lidenskabelig diskussion og engageret århundredets mest strålende sind. Ligesom hans samtidige troede Albert Einstein oprindeligt, at universet var statisk: at det hverken ekspanderede eller skrumpede. Da hans egen teori om generel relativitet tydeligt viste, at universet skulle ekspandere eller sammentrække, valgte Einstein at introducere en ny ingrediens i sin teori. Hans "kosmologiske konstant" repræsenterede en massetæthed af tomt rum, der drev universet til at ekspandere i en stadig stigende hastighed.
Da Edwin Hubble i 1929 beviste, at universet faktisk ekspanderer, afviste Einstein sin kosmologiske konstant og kaldte det "den største bommert i mit liv." Så næsten et århundrede senere genopstod fysikere den kosmologiske konstant i en variant kaldet mørk energi. I 1998 demonstrerede observationer af meget fjerne supernovaer, at universet ekspanderer med en accelererende hastighed. Denne accelererende ekspansion syntes kun at kunne forklares ved tilstedeværelsen af en ny komponent i universet, en "mørk energi", der repræsenterer ca. 70 procent af universets samlede masse. Af resten synes ca. 25 procent at være i form af en anden mystisk komponent, mørk stof; mens kun ca. 5 procent består af almindeligt stof, er disse kvarker, protoner, neutroner og elektroner, som vi og galakserne er lavet af.
”Hypotesen om mørk energi er ekstremt fascinerende,” forklarer Padovas Antonio Riotto, ”men på den anden side udgør den et alvorligt problem. Ingen teoretisk model, ikke engang den mest moderne, såsom supersymmetri eller strengteori, er i stand til at forklare tilstedeværelsen af denne mystiske mørke energi i den mængde, som vores observationer kræver. Hvis mørk energi var den størrelse, som teorierne forudsiger, ville universet have udvidet sig med en så fantastisk hastighed, at det ville have forhindret eksistensen af alt, hvad vi kender i vores kosmos. ”
Den krævede mængde mørk energi er så vanskelig at forene sig med de kendte naturlove, at fysikere har foreslået alle mulige eksotiske forklaringer, herunder nye kræfter, nye dimensioner af rumtiden og nye ultralette elementære partikler. Imidlertid foreslår den nye rapport ingen ny ingrediens til universet, kun en erkendelse af, at den nuværende acceleration af universet er en konsekvens af den standard kosmologiske model for det tidlige univers: inflation.
”Vores løsning på det paradoks, som det accelererende univers udgør,” siger Riotto, ”er afhængig af den såkaldte inflationsteori, født i 1981. Ifølge denne teori oplevede universet inden for en lille brøkdel af et sekund efter Big Bang en utrolig hurtig ekspansion. Dette forklarer, hvorfor vores univers ser ud til at være meget homogent. For nylig bekræftede Boomerang- og WMAP-eksperimenterne, som målte de små udsving i baggrundsstrålingen, der stammer fra Big Bang, inflationsteorien.
Det antages bredt, at under den inflationære ekspansion tidligt i universets historie blev der genereret meget små krusninger i rumtiden, som forudsagt af Einsteins teori om generel relativitet. Disse krusninger blev strakt af universets udvidelse og strækker sig i dag langt ud over vores kosmiske horisont, dvs. over et område, der er meget større end det observerbare univers, en afstand på ca. 15 milliarder lysår. I deres nuværende artikel foreslår forfatterne, at det er udviklingen af disse kosmiske krusninger, der øger den observerede udvidelse af universet og står for dets acceleration.
”Vi indså, at du simpelthen er nødt til at tilføje denne nye nøgleingrediens, krusningerne i rumtiden genereret under inflationsepoken, til Einsteins generelle relativitet for at forklare, hvorfor universet accelererer i dag,” siger Riotto. ”Det ser ud til, at løsningen på accelerationspuslespillet involverer universet uden for vores kosmiske horisont. Ingen mystisk mørk energi kræves. ”
Fermilabs Kolb kaldte forfatternes forslag for den mest konservative forklaring på det accelererende univers. ”Det kræver kun en ordentlig redegørelse for de fysiske virkninger af krusninger ud over vores kosmiske horisont,” sagde han.
Data fra kommende eksperimenter giver kosmologer mulighed for at teste forslaget. "Om Einstein havde ret, da han først introducerede den kosmologiske konstant, eller om han havde ret, da han senere tilbageviste ideen, vil snart blive testet af en ny runde med præcise kosmologiske observationer," sagde Kolb. "Nye data vil snart give os mulighed for at skelne mellem vores forklaring på den accelererede udvidelse af universet og den mørke energiløsning."
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), Italiens nationale nukleære fysiske institut, støtter, koordinerer og udfører videnskabelig forskning inden for fysisk subnuklear, nuklear og astropartikel og er involveret i udvikling af relevante teknologier.
Fermilab, i Batavia, Illinois, USA, drives af Universities Research Association, Inc. for Department of Energy's Office of Science, som finansierer avanceret forskning inden for partikelfysik og kosmologi.
Original kilde: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
