Hvordan fungerer universets udvidelse?

Hvad er universets udvidelse?

Universets udvidelse er den observation, at galakser i gennemsnit bevæger sig væk fra hinanden, og at fjernere galakser bevæger sig hurtigere bort end nærmere. Det er ikke en eksplosion i rummet, men en udvidelse af selve rummet – som prikker på en oppustelig ballon, der bevæger sig fra hinanden, efterhånden som ballonen vokser. Edwin Hubble beviste dette i 1929 ved at måle galaksernes lysspektre.

Det bemærkelsesværdige er, at universet ikke blot udvider sig, men at udvidelsen accelererer. Denne opdagelse fra 1998 – gjort ved at studere Type Ia-supernovaer – kom som en overraskelse og tyder på, at en mystisk form for energi, kaldet mørk energi, driver udvidelsen fremad. De tre astronomer, der stod bag opdagelsen, modtog Nobelprisen i fysik i 2011.

Sådan fungerer det

1. Hubbles lov og rødforskydning: Når en lysende kilde fjerner sig fra os, trækkes dens lysbølger ud og forskydes mod den røde ende af spektret – dette kaldes rødforskydning. Edwin Hubble målte rødforskydningen af galakser og opdagede, at den var proportional med afstanden: jo fjernere galaksen, desto hurtigere fjernede den sig (Hubbles lov).
2. Rummets udvidelse: Det er ikke galakserne, der bevæger sig gennem rummet – det er selve rummet, der udvider sig. Tænk på et koordinatnet, der strækker sig: alle punkter bevæger sig fra hinanden, ikke fordi de bevæger sig på gitteret, men fordi gitteret selv vokser.
3. Hubblekonstanten: Hubbles konstant (H₀) beskriver udvidelseshastigheden. Dens nuværende værdi er ca. 70 km/s/Mpc, hvilket betyder, at en galakse 1 megaparsec (3,26 millioner lysår) væk bevæger sig 70 km/s hurtigere end en galakse endnu tættere på os.
4. Mørk energi som drivkraft: Siden 1998 ved vi, at udvidelsen accelererer. Det kræver en kraft, der modvirker tyngdekraften. Den mest accepterede forklaring er mørk energi – en form for energi knyttet til det tomme rum selv. Den udgør ca. 68 % af universets samlede energiindhold, men dens natur er stadig ukendt.
5. Skalaer der ikke udvider sig: Universets udvidelse påvirker ikke lokale bundne systemer. Galakser, solsystemer, planeter og menneskekroppe udvider sig ikke – tyngdekraften og elektromagnetiske kræfter er stærke nok til at holde dem samlet. Det er kun på kosmologiske afstande, at udvidelsen er synlig.
6. Universets ultimative skæbne: Hvis mørk energi forbliver konstant, vil universet fortsat accelerere. Galakser vil efterhånden forsvinde over den kosmologiske horisont, og til sidst vil alle stjerner dø ud i et koldt, mørkt univers – et scenarie kaldet 'Big Freeze' eller 'Heat Death'.

Interessante fakta

• Det observerbare univers er ca. 93 milliarder lysår i diameter, selvom universet kun er 13,8 milliarder år gammelt – fordi rummet selv udvider sig hurtigere end lys kan rejse.
• Galakser over ca. 14 milliarder lysår fra os fjerner sig så hurtigt, at lys fra dem aldrig vil nå os – de er bag vor kosmologiske horisont.
• Andromeda-galaksen bevæger sig mod os og vil kollidere med Mælkevejen om ca. 4,5 milliarder år – fordi lokal tyngdekraft overvinder universets udvidelse på disse skalaer.
• Der er en nuværende 'Hubble-spænding': målinger af Hubblekonstanten fra det tidlige og sene univers stemmer ikke overens, hvilket kan pege på ny fysik.
• Einstein tilføjede en 'kosmologisk konstant' til sine ligninger, som han kaldte sin største fejl. Det viste sig, at den faktisk kan beskrive mørk energi ret godt.

Ofte stillede spørgsmål

Udvider Jordens sol sig også bort fra andre stjerner?

På skalaen af vores nabosolsystemer er universets udvidelse umålelig lille og overvældes af gravitationsbindinger. Stjerner inden for vores galakse og i nabogalakserne er gravitationsbundne og udvides ikke. Det er kun på kosmologiske skalaer – typisk hundredvis af millioner lysår og mere – at universets udvidelse er en observerbar effekt.

Hvad sker der til sidst med universet?

Det afhænger af mørk energis natur. Hvis mørk energi er konstant (svarende til Einsteins kosmologiske konstant), vil universet langsomt afkøles og mørklægges i et 'Heat Death'-scenarium. Alternativt kan mørk energi tiltage og rive alt fra hinanden i et 'Big Rip'. En tredje mulighed er, at universet til sidst kollapser i et 'Big Crunch'. De fleste nuværende data peger på Heat Death, men det er stadig et åbent forskningsspørgsmål.