Kosmologer er intellektuelle tidsrejsende. Når vi ser tilbage på milliarder af år er disse forskere i stand til at spore udviklingen af vores univers i forbløffende detaljer. I løbet af de efterfølgende åoner er vores kosmos vokset til en så enorm størrelse, at vi ikke længere kan se den anden side af det.
Men hvordan kan det være? Hvis lysets hastighed markerer en kosmisk hastighedsgrænse, hvordan kan der muligvis være områder i rumtid, hvis fotoner for evigt er uden for vores rækkevidde? Og selv hvis der er, hvordan ved vi, at de overhovedet findes?
Det ekspanderende univers
Som alt andet i fysik, stræber vores univers at eksistere i den lavest mulige energitilstand som muligt. Men omkring 10-36 sekunder efter Big Bang, tror inflationære kosmologer, at kosmos befandt sig i stedet for ved en ”falsk vakuumenergi” - et lavpunkt, der ikke rigtig var et lavpunkt. På udkig efter den sande forvirring af vakuumenergi menes over et minuts brøkdel af et øjeblik, at universet har balloneret med en faktor 1050.
Siden den tid har vores univers fortsat med at udvide sig, men i et meget langsommere tempo. Vi ser bevis på denne ekspansion i lyset fra fjerne objekter. Når fotoner, der udsendes af en stjerne eller galakse, forplantes over hele universet, får strækningen af rummet dem til at miste energi. Når fotonerne når os, er deres bølgelængder blevet omskiftet i overensstemmelse med den afstand, de har kørt.
Dette er grunden til, at kosmologer taler om rødskift som en funktion af afstand i både rum og tid. Lyset fra disse fjerne objekter har kørt så længe, at når vi endelig ser det, ser vi objekterne, som de var for milliarder af år siden.
The Hubble Volume
Rødskiftet lys giver os mulighed for at se genstande som galakser, som de eksisterede i den fjerne fortid; men vi kan ikke se alle begivenheder, der fandt sted i vores univers under dens historie. Fordi vores kosmos udvides, er lyset fra nogle objekter simpelthen for langt væk til, at vi nogensinde kan se.
Fysikken i denne grænse er delvis afhængig af en del af omgivende rumtid kaldet Hubble-volumen. Her på Jorden definerer vi Hubble-volumen ved at måle noget, der kaldes Hubble-parameteren (H0), en værdi, der relaterer den tilsyneladende recessionhastighed for fjerne objekter til deres rødskift. Det blev først beregnet i 1929, da Edwin Hubble opdagede, at fjerne galakser så ud til at bevæge sig væk fra os med en hastighed, der var proportional med den røde forskydning af deres lys.
Deling af lysets hastighed med H0, får vi Hubble-volumen. Denne sfæriske boble omslutter et område, hvor alle objekter bevæger sig væk fra en central observatør i hastigheder, der er mindre end lysets hastighed. Tilsvarende bevæger alle objekter uden for Hubble-volumen sig væk fra midtenhurtigere end lysets hastighed.
Ja, "hurtigere end lysets hastighed." Hvordan er det muligt?
Relativitetens magi
Svaret har at gøre med forskellen mellem særlig relativitet og generel relativitet. Særlig relativitet kræver, hvad der kaldes en "inertial reference frame" - mere simpelt set et baggrund. I henhold til denne teori er lysets hastighed den samme, når man sammenligner i alle inertielle referencerammer. Uanset om en observatør sidder stille på en parkbænk på planeten Jorden eller zoomer forbi Neptun i et futuristisk raketskib med høj hastighed, er lysets hastighed altid den samme. En foton rejser altid væk fra observatøren i 300.000.000 meter i sekundet, og han eller hun vil aldrig komme på plads.
Generel relativitet beskriver imidlertid stoffet i rumtiden selv. I denne teori er der ingen inertial referenceramme. Rumtid udvides ikke med hensyn til noget uden for sig selv, så lysets hastighed som en grænse for dens hastighed gælder ikke. Ja, galakser uden for vores Hubble-sfære trækkes tilbage fra os hurtigere end lysets hastighed. Men galakserne bryder ikke nogen kosmiske hastighedsgrænser. For en observatør inden for en af disse galakser overtræder intet overhovedet ikke særlig relativitet. Det er rummet mellem os og de galakser, der hurtigt spredes og strækker sig eksponentielt.
Det observerbare univers
Nu til det næste bombeskal: Hubble-volumen er ikke det samme som det observerbare univers.
For at forstå dette, skal du overveje, at når universet bliver ældre, har fjernt lys mere tid til at nå vores detektorer her på Jorden. Vi kan se objekter, der er accelereret ud over vores nuværende Hubble-volumen, fordi det lys, vi ser i dag, blev udsendt, da de var inden i det.
Strengt taget falder vores observerbare univers sammen med noget, der kaldes partikelhorisont. Partikelhorisonten markerer afstanden til det fjerneste lys, som vi muligvis kan se på dette tidspunkt i tiden - fotoner, der har haft tid nok til enten at forblive inden for eller indhente vores blidt ekspanderende Hubble-sfære.
Og hvad er denne afstand? Lidt over 46 milliarder lysår i alle retninger - hvilket giver vores observerbare univers en diameter på cirka 93 milliarder lysår eller mere end 500 milliarder billioner miles.
(En hurtig note: partikelhorisonten er ikke den samme ting som kosmologisk begivenhedshorisont. Partikelhorisonten omfatter alle de hændelser i fortiden, som vi i øjeblikket kan se. Den kosmologiske begivenhedshorisont definerer på den anden side en afstand, inden for hvilken en fremtidig observatør vil være i stand til at se det daværende antikke lys, som vores lille hjørne i rumtiden udsender i dag.
Med andre ord handler partikelhorisonten med afstanden til fortidens genstande, hvis gamle lys vi kan se i dag; den kosmologiske begivenhedshorisont beskæftiger sig med afstanden, som vores nutidige lys, der vil være i stand til at rejse, når fjerntliggende regioner i universet accelererer væk fra os.)
Mørk energi
Takket være universets udvidelse er der regioner i kosmos, som vi aldrig vil se, selvom vi kunne vente uendelig tid på, at deres lys nåede os. Men hvad med disse områder lige uden for vores nuværende Hubble-volumen? Hvis denne sfære også udvides, vil vi nogensinde være i stand til at se disse grænseobjekter?
Dette afhænger af, hvilket område der ekspanderer hurtigere - Hubble-volumen eller universets dele lige uden for det. Og svaret på det spørgsmål afhænger af to ting: 1) om H0 øges eller aftager, og 2) om universet accelererer eller decelererer. Disse to satser er nært beslægtede, men de er ikke de samme.
Faktisk mener kosmologer, at vi faktisk lever på et tidspunkt, hvor H0 falder; men på grund af mørk energi øges hastigheden af universets ekspansion.
Det lyder muligvis modsat, men så længe som H0 falder langsommere sats end den, hvor universets ekspansionshastighed øges, forekommer den samlede bevægelse af galakser væk fra os stadig i et accelereret tempo. Og på dette tidspunkt tror kosmologer, at universets ekspansion vil overgå den mere beskedne vækst af Hubble-volumen.
Så selvom vores Hubble-volumen udvides, ser ud til at påvirkningen af mørk energi giver en hård grænse for det stadigt stigende observerbare univers.
Vores jordiske begrænsninger
Kosmologer ser ud til at have et godt greb om dybe spørgsmål som hvordan vores observerbare univers en dag vil se ud og hvordan udvidelsen af kosmos vil ændre sig. Men i sidste ende kan forskere kun teoretisere svarene på spørgsmål om fremtiden baseret på deres nutidige forståelse af universet. Kosmologiske tidsforløb er så ufattelige lange, at det er umuligt at sige meget af noget konkret om, hvordan universet vil opføre sig i fremtiden. Dagens modeller passer de aktuelle data bemærkelsesværdigt godt, men sandheden er, at ingen af os vil leve længe nok til at se, om forudsigelserne virkelig matcher alle resultaterne.
Skuffende? Jo da. Men det er helt værd at gøre det for at hjælpe vores sindige hjerner med at overveje sådan mind-bloggling videnskab - en virkelighed, som som sædvanlig er bare fremmed end fiktion.
