För mer än tio år sedan upptäckte astronomer något märkligt när de mätte universums temperatur. De upptäckte att en bit av himlen, som sträckte sig över 20 månars bredd, var ovanligt kall.
Astronomerna mätte mikrovågsstrålningen som badar hela universum, en glödande kvarleva från big bang. Att titta på denna kosmiska mikrovågsbakgrund, eller CMB, är att skymta det ursprungliga universum, en tid då det var mindre än 400 000 år gammalt.
Det som nu framstår som den främsta hypotesen är en kosmisk supervoid
CMB täcker himlen och ser i stort sett likadan ut överallt, och pyr på en svagt kall temperatur på 2,725 kelvin – bara några grader varmare än den absoluta nollpunkten. Men utrustade med den nyligen uppskjutna WMAP-satelliten hade astronomerna bestämt sig för att undersöka temperaturvariationer som är så små som en del på 100 000. Dessa slumpmässiga fluktuationer, som uppstod ur det kvantskum som universum utgjorde ett halvt ögonblick efter big bang, hjälper forskarna att förstå vad kosmos består av och hur allting blev till.
Under dessa fluktuationer fanns en kall fläck som stack ut. Under årens lopp har astronomer kommit med alla möjliga idéer för att förklara den, allt från instrumentella fel till parallella universum. Men nu har de hittat en huvudmisstänkt: en enorm grotta av tomhet som kallas kosmisk supervoid, så stor att den kan vara den största strukturen i universum.
Enligt teorin kan ett sådant enormt tomrum, där det inte finns en enda stjärna eller galax, lämna ett kyligt avtryck på CMB-strålen. Svaret på mysteriet kan alltså helt enkelt vara en hel del ingenting. Men det finns fortfarande gåtor kvar, och fallet är långt ifrån avslutat.
Hur man gör en kall fläck
Den kalla fläcken är inte det enda konstiga i CMB. Forskarna har hittat flera andra sådana anomalier – till exempel verkar signalerna från halva himlen vara något starkare än den andra halvan. Den kosmologiska standardteorin, som annars har varit profetisk när det gäller att förutsäga CMB:s detaljer, kan inte helt och hållet förklara dessa konstigheter, av vilka den kalla fläcken är en av de mest framträdande.
En riktigt stor sådan skulle kunna fungera som en slags förvrängande lins
Den enklaste förklaringen till anomalierna är att de är tillfälligheter, artefakter av slumpen bland de slumpmässiga temperaturfluktuationerna i CMB. När du slår ett mynt hundra gånger finns det alltid en chans att du får 20, 30 eller till och med 50 kronor i rad. Utmaningen för forskarna är att ta reda på om dessa anomalier beror på tur eller på ett viktat mynt. När det gäller den kalla fläcken visar uppgifterna att sannolikheten för att det är en slump är en på 200. Inte omöjligt, men inte heller troligt.
En del forskare hade föreslagit att den kalla fläcken berodde på instrumentella fel eller på hur data analyserades. Men 2013 bekräftade nya observationer från Planck-satelliten tidigare upptäckter av den kalla fläcken. Och det krävde en förklaring.
Det som nu framstår som den främsta hypotesen är en kosmisk supervoid. Allt material i kosmos – galaxer och osynlig mörk materia – sträcker sig över rymden i en enorm väv av ark, ränder och trådar. Däremellan finns fickor av tomhet som kallas tomrum, som finns i många olika former och storlekar. En riktigt stor sådan kan fungera som en slags förvrängande lins och få CMB att verka kallare än vad den egentligen är.
Medan en foton tuffar fram i ett tomrum fortsätter universum att expandera snabbare och snabbare
Anledningen till detta är följande: När ljuset färdas genom ett tomrum förlorar det energi och dess frekvens minskar och förskjuts mot den lägre frekvensen, den rödare änden av spektrumet. Liksom de flesta saker är ljuset känsligt för gravitationens inflytande, som kan verka på fotoner under deras resa. Inne i ett tomrum innebär dock bristen på materia att det knappast finns någon gravitation som kan påverka ljuset. För en foton är det att flyga genom ett tomrum som att klättra över en kulle. Och att klättra kräver energi.
Men fotonen kan få tillbaka den energin. När den väl lämnar tomrummet finner den sig omgiven av materia igen, och gravitationsinflytandet är tillräckligt för att dra på den och tillföra den den energi som den hade förlorat.
För att en foton ska förlora energi krävs det en accelererad expansion av universum. Medan en foton tuffar fram i ett tomrum fortsätter universum att expandera snabbare och snabbare. När fotonen lämnar tomrummet finner den att – tack vare denna kosmiska sträckning – all materia har spridits ut. Eftersom materian nu är mer utspridd är dess gravitationseffekt inte lika stark. Den kan inte dra på fotonen med samma styrka som tidigare, och fotonen kan inte återfå den energi den en gång hade.
Det kan finnas ett tomrum mindre än 3 miljarder ljusår bort
Fysiker räknade ut det här fenomenet redan i slutet av 1960-talet, men ingen hade faktiskt observerat det. Men efter att den kalla fläcken upptäcktes började astronomer som Istvan Szapudi vid University of Hawaii leta efter bevis för detta beteende, som kallas den integrerade Sachs-Wolfe-effekten, eller ISW-effekten. År 2008 hittade han den.
Den fantastiska supervoiden
Szapudi kunde inte identifiera enskilda tomrum som lämnar avtryck i CMB – han hade inte data för att göra det. Istället sökte han och hans team efter en övergripande ISW-effekt i en statistisk analys av 100 tomrum och galaxkluster, vars gravitationella tyngd skapar en uppvärmningseffekt och lämnar varma fläckar i CMB. Forskarna fann en verklig ISW-effekt, som förändrar temperaturen i CMB med i genomsnitt cirka 10 miljondels kelvin, eller 10 mikrokelvin.
I jämförelse med den kalla fläcken, som är cirka 70 mikrokelvin kallare än CMB:s genomsnitt, är effekten liten. Men poängen var att visa att tomrum kan skapa kalla punkter. Om ett tomrum var tillräckligt stort kunde det tänkas skapa den kalla fläcken. ”Om den här kalla fläcken är den största avvikelsen i CMB kan det mycket väl vara ett tecken på ett enormt tomrum – ett mycket sällsynt tomrum i universum”, säger Szapudi. ”Så jag tänkte att vi nu borde leta efter det.”
Tomrummet är enormt. Den är 220 megaparsec i radie
Hans första försök, 2010, visade sig vara tomt. Men uppgifterna var begränsade och täckte bara några få punkter inom fläcken. Intressant nog visade resultaten också att det kan finnas ett tomrum mindre än 3 miljarder ljusår bort.
Förra året försökte han och hans team igen, den här gången med mycket mer data, som täckte över 200 gånger mer himmel och omfattade hela den kalla fläcken. Med så mycket mer täckning – bestående av tusentals galaxer – sammanföll de tidigare antydningarna till ett äkta tomrum. Uppgifterna var entydiga. ”Vi är helt säkra på att det finns ett tomrum”, säger Szapudi. ”Jag skulle satsa mitt hus på det.”
Och tomrummet är enormt. Den har en radie på 220 megaparsec, mer än 700 miljoner ljusår, vilket gör den till en av de största – om inte den största – fysiska strukturerna i universum.
Så stort ett tomrum är ovanligt, med kanske bara en handfull som existerar, säger Szapudi. Att ett sådant sällsynt tomrum överlappar den kalla fläcken – i sig själv en annan sällsynthet – verkar för osannolikt för att vara en ren tillfällighet. Vad som är mer troligt, säger han, är att tomrummet orsakar den kalla fläcken. Faktum är att han beräknade att det scenariot är 20 000 gånger mer sannolikt än om de två objekten bara råkade ligga i linje med varandra.
Andra personer är ännu inte säkra. För astronomer som Patricio Vielva vid universitetet i Cantabria i Spanien, som ledde upptäckten av den kalla fläcken 2004, är tomrummets sällsynthet fortfarande ifrågasatt. Om det visar sig att sådana tomrum är mer utbredda skulle den här anpassningen inte vara så anmärkningsvärd. Kanske är det bara ett sammanträffande. Därför behöver forskarna mer data för att kunna bedöma hur sällsynta dessa supervoider är. ”Just nu tror jag att detta är en av de viktigaste sakerna att fastställa”, säger Vielva.
Inte tillräckligt kallt
Men det finns ett större problem.
Supervoiden kan inte få CMB tillräckligt kallt. En supervoid av den här storleken kan bara kyla CMB med 20 mikrokelvin. Den kalla fläcken är dock i genomsnitt kallare med 70 mikrokelvin. Vid vissa punkter är temperaturfallet 140 mikrokelvin.
En möjlig orsak till diskrepansen är att tomrummet faktiskt är större än vad som uppmätts. I så fall skulle dess ISW-effekt vara starkare. Med tanke på osäkerheten i Szapudis mätningar skulle tomrummets radie kunna sträcka sig så långt som till 270 megaparsec. Ändå, säger Vielva, är inte ens det tillräckligt stort för att förklara den kalla fläcken.
I själva verket kanske universum, enligt nuvarande kosmologiska teorier, inte ens kan bilda ett tomrum som är tillräckligt stort. ”Problemet är att den typ av tomrum som behövs för den här effekten inte existerar”, säger Vielva.
Fler observationer kommer att göra det möjligt för astronomer att få mer exakta mätningar av supertomrummets storlek och egenskaper
Men om det inte är ett tomrum, vad är det då? Kanske, säger Vielva, beror den kalla fläcken på en kosmologisk textur, en defekt i universum som liknar de sprickor eller fläckar som finns i is. När det tidiga universum utvecklades genomgick det en fasövergång som liknar det som sker när vatten fryser och övergår från flytande till fast form. I is får man defekter när vattenmolekylerna inte står i linje med varandra. I universum kan man få texturer. År 2007 hjälpte Vielva till att visa att om det finns en textur skulle den kunna skapa den kalla fläcken via ISW-effekten.
Texturer är dock spekulativa, och ingen har sett några bevis för att de existerar. ”Texturer är en trevlig idé, men vi har ingen aning om huruvida dessa saker är realistiska eller inte”, säger Rien van de Weijgaert, astronom vid universitetet i Groningen i Nederländerna.
För de flesta astronomer, säger van de Weijgaert, verkar en supervoid fortfarande vara den bästa förklaringen. ”Vid det här laget anses det vara ett av de mest trovärdiga alternativen”, säger han. ”Det är storleken på effekten som man kan ha vissa frågor om, men det är inte otroligt.”
Förvisso är tomrumshypotesen verkligen fascinerande, säger Vielva. Men temperaturdiskrepansen måste först lösas.
Vi vet bara inte slutet på historien. Jag tror inte att någon vet
Mer data skulle hjälpa. Fler observationer skulle till exempel göra det möjligt för astronomer att få mer exakta mätningar av supervoidens storlek och egenskaper. De kan också avslöja om det finns ett mindre tomrum i förgrunden, vilket skulle kunna bidra till att kyla ner CMB. Kanske är den kalla fläcken så frigid eftersom supervoiden också råkar ligga framför en region av CMB som redan är lite kallare än normalt.
Även om siffrorna inte stämmer nu är det ingen anledning till oro. ”I det här läget, eftersom osäkerheterna är så stora, bör man inte förlora mycket sömn över detta”, säger Carlos Frenk, astrofysiker vid University of Durham i Storbritannien. Hans föraning är att med mer data och analys kommer supervoiden att framstå som det rätta svaret. ”Det kan mycket väl vara så att allt faller på plats ganska snyggt”, säger han.
Om så är fallet kommer den kalla fläcken att utgöra den första mätningen av ett objekt – en supervoid – som lämnar ett avtryck i CMB via ISW-effekten. Det är betydelsefullt delvis på grund av att supervoiden helt enkelt är så enorm. Supervoiden kan vara viktig på ett annat sätt: ”Vi har ytterligare ett sätt att studera mörk energi, som är det konstigaste som finns i universum”, säger Szapudi.
ISW-effekten fungerar bara för att universum expanderar allt snabbare, och den mystiska kraft som pressar kosmos isär är mörk energi. Genom att mäta ISW-effekten från supervoiden kan forskarna undersöka den mörka energins inflytande – och bättre förstå hur den beter sig och vad den är.