For mere end ti år siden fandt astronomer noget mærkeligt, da de målte temperaturen i universet. De opdagede, at en plet på himlen, der var lige så bred som 20 måners bredde, var usædvanlig kold.
Astronomerne målte den mikrobølgestråling, der gennemstrømmer hele universet, et glødende levn fra big bang. Når man kigger på denne kosmiske mikrobølgebaggrund, CMB, kan man få et glimt af det oprindelige univers, en tid, hvor det var mindre end 400.000 år gammelt.
Det, der nu er den bedste hypotese, er en kosmisk supervoid
CMB dækker himlen og ser stort set ens ud overalt, idet den ulmer ved en svagt kold temperatur på 2,725 kelvin – kun et par grader varmere end det absolutte nulpunkt. Men bevæbnet med den nyligt opsendte WMAP-satellit havde astronomerne sat sig for at undersøge temperaturvariationer så små som en del på 100.000. Disse tilfældige udsving, der er opstået i det kvanteskum, som universet var et halvt øjeblik efter big bang, hjælper forskerne med at forstå, hvad kosmos består af, og hvordan det hele blev til.
Og midt i disse udsving var der en kold plet, der skilte sig ud. I årenes løb er astronomer kommet med alle mulige idéer til at forklare den, lige fra instrumentelle fejl til parallelle universer. Men nu har de fundet frem til en hovedmistænkt: et enormt hulrum af tomhed kaldet et kosmisk supertomrum, der er så stort, at det måske er den største struktur i universet.
Efter teorien kan et så stort tomrum, hvor der ikke findes en eneste stjerne eller galakse, efterlade et iskoldt aftryk på CMB’en. Svaret på mysteriet kan derfor ganske enkelt være en hel masse ingenting. Men der er stadig gåder tilbage, og sagen er langt fra afsluttet.
Sådan laver man en kold plet
Den kolde plet er ikke den eneste mærkelige ting i CMB. Forskerne har fundet flere andre af den slags anomalier – for eksempel synes signalerne fra halvdelen af himlen at være lidt stærkere end den anden halvdel. Kosmologiens standardteori, som ellers har været profetisk med hensyn til at forudsige CMB’s detaljer, kan ikke fuldt ud forklare disse mærkværdigheder, hvoraf den kolde plet er en af de mest fremtrædende.
En rigtig stor kunne virke som en slags forvrængende linse
Den enkleste forklaring på anomalierne er, at de er tilfældigheder, artefakter af tilfældigheder blandt de tilfældige temperaturudsving i CMB. Når du slår en mønt hundrede gange, er der altid en chance for, at du får 20, 30 eller endda 50 hoveder i træk. Udfordringen for forskerne er at finde ud af, om disse anomalier skyldes held eller en vægtet mønt. Hvad angår det kolde punkt, viser dataene, at sandsynligheden for, at det er en tilfældighed, er én ud af 200. Det er ikke umuligt, men det er heller ikke sandsynligt.
Nogle forskere havde foreslået, at den kolde plet skyldtes instrumentelle fejl eller den måde, dataene blev analyseret på. Men i 2013 bekræftede nye observationer fra Planck-satellitten tidligere opdagelser af den kolde plet. Og det krævede en forklaring.
Det, der nu tegner sig som den bedste hypotese, er en kosmisk supervoid. Alt det, der findes i kosmos – galakser og usynligt mørkt stof – strækker sig ud over rummet i et enormt net af ark, ranke og filamenter. Ind imellem er der lommer af tomhed, som kaldes tomrum, og som findes i mange former og størrelser. En rigtig stor kan fungere som en slags forvrængningslinse, der får CMB til at virke køligere, end den i virkeligheden er.
Mens en foton tyvstarter inde i et tomrum, fortsætter universet med at udvide sig hurtigere og hurtigere
Grunden er denne: Når lyset bevæger sig gennem et tomrum, mister det energi, og dets frekvens falder og forskydes mod den lavere frekvens, den rødere ende af spektret. Som de fleste ting er lys modtageligt for tyngdekraftens påvirkning, som kan virke på fotoner under deres rejse. Inde i et tomrum betyder manglen på stof imidlertid, at der næppe er nogen tyngdekraft, der kan påvirke lyset. For en foton er det at flyve gennem et tomrum som at klatre over en bakke. Og klatring kræver energi.
Men fotonen kan få denne energi tilbage. Når den kommer ud af tomrummet, befinder den sig igen omgivet af stof, og tyngdepåvirkningen er nok til at trække på den og tilføre den den energi, den havde mistet.
For at en foton kan miste energi, skal man have universets accelererede ekspansion. Mens en foton tyvstarter rundt inde i et tomrum, fortsætter universet med at udvide sig hurtigere og hurtigere. Når fotonen forlader tomrummet, opdager den, at – takket være denne kosmiske udstrækning – alt stof har spredt sig ud. Fordi stoffet nu er mere bredt fordelt, er dets tyngdevirkning ikke længere så stærk. Det kan ikke trække på fotonen med samme styrke som før, og fotonen kan ikke genvinde den energi, den engang havde.
Der findes måske et tomrum mindre end 3 milliarder lysår væk
Fysikere udregnede dette fænomen tilbage i slutningen af 1960’erne, men ingen havde faktisk observeret det. Men efter at den kolde plet blev opdaget, begyndte astronomer som Istvan Szapudi fra University of Hawaii at lede efter beviser for denne adfærd, der kaldes den integrerede Sachs-Wolfe-effekt, eller ISW-effekten. I 2008 fandt han den.
Det fantastiske superhulrum
Szapudi kunne ikke identificere individuelle hulrum, der efterlader aftryk på CMB’en – han havde ikke data nok til det. I stedet søgte han og hans hold efter en overordnet ISW-effekt i en statistisk analyse af 100 tomrum og galaksehobe, hvis tyngdekraft skaber en opvarmningseffekt og efterlader varme pletter i CMB’en. Forskerne fandt en reel ISW-effekt, der ændrede CMB’s temperatur med gennemsnitligt omkring 10 milliontedele af en kelvin, eller 10 mikrokelvin.
Sammenlignet med den kolde plet, der er omkring 70 mikrokelvin koldere end CMB’s gennemsnit, er effekten lille. Men pointen var at vise, at hulrum kan skabe kuldepletter. Hvis et tomrum var stort nok, kunne det tænkes at skabe det kolde punkt. “Hvis dette kolde punkt er den største anomali i CMB, kunne det meget vel være et tegn på et enormt tomrum – et meget sjældent tomrum i universet,” siger Szapudi. “Så jeg tænkte, at vi nu skulle kigge efter det.”
Tomrummet er enormt. Den er 220 megaparsec i radius
Hans første forsøg, i 2010, viste sig at være tomt. Men dataene var begrænsede og dækkede kun nogle få punkter inden for pletten. Resultaterne viste også på en spændende måde, at der måske er et tomrum mindre end 3 milliarder lysår væk.
Sidste år forsøgte han og hans hold igen, denne gang med masser af flere data, der dækkede over 200 gange mere himmel og omfattede hele den kolde plet. Med så meget mere dækning – bestående af tusindvis af galakser – blev de tidligere antydninger samlet til et ægte tomrum. Dataene var utvetydige. “Vi er helt sikre på, at der er et tomrum,” siger Szapudi. “Jeg vil vædde mit hus på det.”
Og tomrummet er enormt. Det er 220 megaparsec i radius, mere end 700 millioner lysår, hvilket gør det til en af de største – hvis ikke den største – fysiske strukturer i universet.
Så stort et tomrum er ualmindeligt, og der findes måske kun en håndfuld, siger Szapudi. At et så sjældent tomrum overlapper det kolde punkt – i sig selv en anden sjældenhed – virker for usandsynligt til blot at være en tilfældighed. Det er mere sandsynligt, siger han, at tomrummet er årsag til den kolde plet. Faktisk har han beregnet, at det scenarie er 20.000 gange mere sandsynligt, end hvis de to objekter tilfældigvis havde ligget på linje.
Andre er endnu ikke sikre. For astronomer som Patricio Vielva fra universitetet i Cantabria i Spanien, der stod i spidsen for opdagelsen af den kolde plet i 2004, er der stadig tvivl om, hvor sjældent tomrummet er. Hvis det viser sig, at sådanne tomrum er mere udbredte, så ville denne tilpasning ikke være så bemærkelsesværdig. Måske er det bare en tilfældighed. Derfor har forskerne brug for flere data for at vurdere, hvor sjældne disse superhuller er. “Lige nu tror jeg, at det er en af de vigtigste ting at fastslå,” siger Vielva.
Ikke koldt nok
Men der er et større problem.
Superhulrummet kan ikke få CMB’en kold nok. En supervoid af denne størrelse kan kun afkøle CMB med 20 mikrokelvin. Det kolde punkt er imidlertid i gennemsnit 70 mikrokelvin koldere. På nogle punkter er temperaturfaldet 140 mikrokelvin.
En mulig årsag til uoverensstemmelsen er, at tomrummet faktisk er større end det målte. Hvis det var tilfældet, ville dens ISW-effekt være stærkere. I betragtning af usikkerheden i Szapudi’s målinger kunne hulrummets radius strække sig helt op til 270 megaparsec. Alligevel, siger Vielva, er selv det ikke stort nok til at forklare den kolde plet.
I virkeligheden kan universet ifølge de nuværende kosmologiske teorier måske ikke engang være i stand til at danne et tomrum, der er stort nok. “Problemet er, at den slags tomrum, man har brug for for denne effekt, ikke eksisterer,” siger Vielva.
Mere observationer vil give astronomerne mulighed for at få mere præcise målinger af supertomrummets størrelse og egenskaber
Men hvis ikke et tomrum, hvad så? Måske, siger Vielva, skyldes den kolde plet en kosmologisk tekstur, en defekt i universet analogt med de revner eller pletter, der findes i is. Da det tidlige univers udviklede sig, gennemgik det en faseovergang, der svarer til det, der sker, når vand fryser og bliver fra flydende til fast stof. I is får man defekter, når vandmolekylerne ikke står på linje med hinanden. I universet kan man få teksturer. I 2007 var Vielva med til at vise, at hvis der findes en tekstur, kunne den skabe det kolde punkt via ISW-effekten.
Teksturer er dog spekulative, og ingen har set noget bevis for, at de eksisterer. “Teksturer er en god idé, men vi har ingen anelse om, hvorvidt disse ting er realistiske eller ej,” siger Rien van de Weijgaert, der er astronom ved universitetet i Groningen i Holland.
For de fleste astronomer, siger van de Weijgaert, synes en supervoid stadig at være den bedste forklaring. “Det anses efterhånden for at være en af de mest troværdige muligheder,” siger han. “Det er størrelsen af effekten, som man kan have nogle spørgsmål om, men det er ikke utroligt.”
Hypotesen om tomrummet er bestemt fascinerende, siger Vielva. Men temperaturdiskrepansen skal først løses.
Vi kender bare ikke slutningen af historien. Jeg tror ikke, der er nogen, der ved det
Mere data ville hjælpe. For eksempel vil flere observationer give astronomerne mulighed for at få mere præcise målinger af supervoidens størrelse og egenskaber. De vil måske også afsløre, om der er et mindre tomrum i forgrunden, hvilket kunne være med til at afkøle CMB’en. Måske er den kolde plet så frigid, fordi supervoiden også tilfældigvis befinder sig foran et område af CMB, der allerede er en smule koldere end normalt.
Selv om tallene ikke passer sammen nu, er der ingen grund til at være bekymret. “På nuværende tidspunkt, fordi usikkerhederne er så store, bør man ikke miste meget søvn over dette,” siger Carlos Frenk, der er astrofysiker ved University of Durham i Storbritannien. Hans fornemmelse er, at med flere data og analyser vil supervoiden vise sig at være det rigtige svar. “Det kunne meget vel være, at det hele falder på plads ganske pænt,” siger han.
Hvis det er tilfældet, vil den kolde plet repræsentere den første måling af et objekt – en supervoid – der efterlader et aftryk på CMB via ISW-effekten. Det er betydningsfuldt, bl.a. fordi supervoiden simpelthen er så enorm. Supervoiden kan være vigtig på en anden måde: “Vi har endnu en måde at studere mørk energi på, som er den mærkeligste ting i universet,” siger Szapudi.
ISW-effekten virker kun, fordi universet udvider sig hurtigere og hurtigere, og den mystiske kraft, der skubber kosmos fra hinanden, er mørk energi. Ved at måle ISW-effekten fra supervoiden kan forskerne undersøge den mørke energis indflydelse – og bedre forstå, hvordan den opfører sig, og hvad den er.