Varför expanderar universumet med en snabbare hastighet och sprider dess innehåll över allt större rymdimensioner? En original lösning på detta pussel, säkert den mest fascinerande frågan i modern kosmologi, lades fram av fyra teoretiska fysiker, Edward W. Kolb, från US Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory, Chicago (USA): Sabino Matarrese från University of Energy Padova; Alessio Notari från University of Montreal (Kanada); och Antonio Riotto från INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) från Padova (Italien). Deras studie överlämnades igår till tidskriften Physical Review Letters.
Under de senaste hundra åren har universums expansion varit ett ämne för passionerad diskussion, där de århundradens mest lysande sinnen har engagerats. Liksom hans samtida trodde Albert Einstein initialt att universum var statiskt: att det varken expanderade eller krympt. När hans egen teori om allmän relativitet tydligt visade att universum skulle expandera eller sammandras, valde Einstein att införa en ny ingrediens i sin teori. Hans ”kosmologiska konstant” representerade en massatäthet av tomt utrymme som drev universum att expandera i en allt högre takt.
När Edwin Hubble 1929 bevisade att universum i själva verket expanderar, förkastade Einstein sin kosmologiska konstant och kallade den "den största bommaren i mitt liv." Sedan nästan ett sekel senare återupplivade fysiker den kosmologiska konstanten i en variant som kallas mörk energi. 1998 visade observationer av mycket avlägsna supernovaer att universum expanderar i en snabbare takt. Denna accelererande expansion tycktes vara förklarbar endast genom närvaron av en ny del av universum, en "mörk energi", som representerade cirka 70 procent av universumets totala massa. Av de andra tycks cirka 25 procent vara i form av en annan mystisk komponent, mörk materia; medan endast cirka 5 procent består av vanlig materia, är dessa kvarkar, protoner, neutroner och elektroner som vi och galaxerna är gjorda av.
"Hypotesen om mörk energi är oerhört fascinerande," förklarar Padovas Antonio Riotto, "men å andra sidan representerar det ett allvarligt problem. Ingen teoretisk modell, inte ens den mest moderna, såsom supersymmetri eller strängteori, kan förklara närvaron av denna mystiska mörka energi i den mängd som våra observationer kräver. Om mörk energi var den storlek som teorierna förutspår, skulle universum ha expanderat med en så fantastisk hastighet att det skulle ha förhindrat existensen av allt vi känner i vårt kosmos. ”
Den erforderliga mängden mörk energi är så svårt att förena sig med de kända naturlagarna att fysiker har föreslagit alla möjliga exotiska förklaringar, inklusive nya krafter, nya dimensioner av rymdtiden och nya ultralätta elementära partiklar. Den nya rapporten föreslår emellertid ingen ny ingrediens för universum, bara en insikt att universums nuvarande acceleration är en följd av den kosmologiska standardmodellen för det tidiga universum: inflation.
"Vår lösning på den paradox som den accelererande universum skapar," säger Riotto, "förlitar sig på den så kallade inflationsteorin, född 1981. Enligt denna teori upplevde universum inom en liten bråkdel av en sekund efter Big Bang en otroligt snabb expansion. Detta förklarar varför vårt universum verkar vara mycket homogent. Nyligen bekräftade Boomerang- och WMAP-experimenten, som mätte de små fluktuationerna i bakgrundsstrålningen från Big Bang, inflationsteorin.
Det är allmänt trott att under inflationsutvidgningen tidigt i universums historia genererades mycket små krusningar i rymdtiden, vilket förutses av Einsteins teori om allmän relativitet. Dessa krusningar sträcktes av universums expansion och sträcker sig idag långt bortom vår kosmiska horisont, det vill säga över ett område som är mycket större än det observerbara universum, ett avstånd på cirka 15 miljarder ljusår. I deras nuvarande uppsats föreslår författarna att det är utvecklingen av dessa kosmiska krusningar som ökar universums observerade expansion och redogör för dess acceleration.
"Vi insåg att du helt enkelt måste lägga till den nya nyckelingrediensen, rymden av rymdtiden som genererades under inflationsperioden, till Einsteins allmänna relativitet för att förklara varför universum accelererar idag," säger Riotto. ”Det verkar som att lösningen på accelerationspusslet involverar universum utanför vår kosmiska horisont. Ingen mystisk mörk energi krävs. ”
Fermilabs Kolb kallade författarnas förslag för den mest konservativa förklaringen för det accelererande universum. "Det kräver endast en korrekt redovisning av de fysiska effekterna av krusningarna utanför vår kosmiska horisont," sade han.
Data från kommande experiment gör att kosmologer kan testa förslaget. "Huruvida Einstein hade rätt när han först introducerade den kosmologiska konstanten, eller om han hade rätt när han senare avvände idén kommer snart att testas av en ny omgång med kosmologiska observationer," sade Kolb. "Nya data kommer snart att göra det möjligt för oss att skilja mellan vår förklaring till den snabbare expansionen av universum och den mörka energilösningen."
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), Italiens nationella kärnfysikinstitut, stöder, samordnar och bedriver vetenskaplig forskning inom subnukleär, kärnkrafts- och astropartikelfysik och deltar i utvecklingen av relevant teknik.
Fermilab, i Batavia, Illinois, USA, drivs av Universities Research Association, Inc. för Department of Energy's Office of Science, som finansierar avancerad forskning inom partikelfysik och kosmologi.
Ursprungskälla: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
