Universum är ett till synes oändligt hav fylld med stjärnor, galaxer och nebulosor. I den ser vi mönster och konstellationer som har inspirerat historier genom historien. Men det finns ett kosmiskt mönster som vi fortfarande inte förstår. En fråga som förblir obesvarad: Vilken är universums form? Vi trodde att vi visste, men ny forskning tyder på annat, och det kan peka på en kris i kosmologin.
Många tidiga astronomer hävdade att universum var en sfär av stjärnor, som omsluter solsystemet och centrerade på en fast, oåtgående jord. Men under århundradena upptäckte astronomer att vår sol bara var en av miljarder i en galax, och det fanns otaliga galaxer spridda över miljarder ljusår rymd. Frågan om skapelsens form verkade vara en viktig punkt. Stjärnor och galaxer fanns inom tomt utrymme. Vad som kan vara utrymme är bara en tom duk: platt, euklidisk och saknar struktur.
Sedan i början av 1900-talet utvecklade Albert Einstein sin teori om allmän relativitet. I den var utrymmet inte en tom duk. Det kunde böjas och sträckas, vridas och deformeras, baserat på massans position och rörelse i universum. Dessa rumsliga deformationer avledde ljus och materia, vilket orsakar den effekt vi kallar gravitation. Med relativitet kunde rymden ha olika former. Då var det möjligt att universum kunde ha en övergripande kosmisk form, precis som jorden i stort sett är rund.
Mycket bredt skulle allmän relativitet tillåta universum att ha en av tre former: platt, stängd eller öppen.
Platta är det sätt vi tänker på rymden i vår vardag. Det är det euklidiska utrymmet vi lär oss om i skolan. Platt yta sträcker sig jämnt i alla riktningar, och två parallella ljusstrålar skulle för alltid förbli parallella.
Det öppna utrymmet kan föreställas som sadelformat. Det böjs på ett sådant sätt att det avviker när du sträcker dig utåt. Två ljusstrålar som ursprungligen var parallella skulle gradvis spridas från varandra och vända sig något från varandra när de korsar kosmos.
Stängt utrymme är generellt sfäriskt. Den konvergerar när den sträcker sig, så att parallella ljusstrålar så småningom möts och korsar varandra, som längdlinjer på jorden.
Det bör nämnas att ingen av dessa har att göra med att universum som helhet expanderar. Kosmisk expansion innebär att punkter i rymden sprids isär över tiden. Universumets form handlar om rymdens form. En sfärisk ballong kan expandera när den blåses upp, precis som en platt gummiplåt kan sträckas och förbli platt. Så vårt expanderande universum kan vara platt, öppet eller stängt.
Eftersom utrymmets krökning påverkas av närvaron av massa beror universumets övergripande form på den genomsnittliga materialtätheten i det. I generell relativitet ges detta värde av densitetsparametern, som är förhållandet mellan observerad densitet och "kritisk densitet" som krävs för att universum ska vara platt. Om densitetsparametern är 1, är universum platt. Om den är större än 1 är den stängd, och den är öppen om densitetsparametern är mindre än 1. Mätningar av kosmisk täthet har genomgående gett ett värde 1. Till observationsgränserna är universum platt, som vi länge har misstänkt .
Men det finns ett annat sätt att mäta kosmos, och det är att titta på den synliga storleken på mycket avlägsna objekt. Allt kommer tillbaka till beteendet hos parallella ljusstrålar. I ett platt universum förblir parallella linjer parallella, så att ljus som kommer från två sidor av en avlägsen galax når oss i en rak linje. Deras vinklar i förhållande till varandra förblir desamma, och så ser galaxen ut som dess verkliga storlek.
Om universum är öppet avviker parallella linjer med avstånd. Så ljuset från vår avlägsna galax blir mer parallellt när det når oss. Detta betyder att galaxen verkar vara mindre än den är. Om universum är stängt inträffar den motsatta böjningen av ljus, och galaxen verkar vara större än den är.
I en ny artikel publicerad i Natur, ett team tittade inte på galaxer, utan snarare fluktuationer inom den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB). De CMB är det resterande ljuset från big bang, och det är det mest avlägsna ljuset vi kan se i universum. På grund av detta är det ljuset som påverkas mest av universums form. Storleken på fluktuationer i CMB bestäms av mängden mörk materia och mörk energi i universum, som vi känner, så vi vet hur stora fluktuationerna ska uppstå. När teamet analyserade CMB data från Plank-rymdskeppet, de fann svängningarna var större än väntat. Detta innebär att universumet inom en 99% säkerhet är stängt, inte platt.
Denna nya forskning motsäger många tidigare studier som visar att universum är platt. Det kan finnas ett systematiskt fel i Planck-data som gör att universum ser ut böjda, men om forskningen är korrekt pekar det på ett gap i vår förståelse. För tillfället är universums form oklar.
Källa: Planck-bevis för ett slutet universum och en möjlig kris för kosmologi, av Di Valentino, E., et al.
