Tävlingen vi utlyste förra veckan gav upphov till många intresseanmälningar och sedermera tävlingsbidrag i form av personliga brev och vetenskapliga uppsatser. Efter långa överläggningar inom styrelsen har vi utsett två vinnare till denna stipendieresa och upplevelse. De är Magdalena Eriksson och Erik Sjöberg. Stort grattis till dem!
Magdalena Eriksson läser andra året på det naturvetenskapliga programmet på JENSEN gymnasium Borås, och Erik Sjöberg läser andra året på natur på Brobyskolan i Sunne.
De har båda skrivit, förutom personliga brev, varsina utmärkta vetenskapliga uppsatser på temat Universums accelererande expansion. Dessa har vi valt att publicera. Här följer Magdalenas uppsats:
”1998 presenterade två separata forskargrupper sina häpnadsväckande resultat. Dessa resultat kom att skaka kosmologins grunder. Saul Perlmutter och Brian Schmidt var ledare för respektive grupp och kom, tillsammans med Adam Riess framstående arbete, att tilldelas nobelpriset i fysik 2011.
I denna skrift kommer jag att reflektera över vad deras upptäckt betyder för vår förståelse av universums historia och framtid. Jag kommer att undersöka hur den framtiden ser ut och hur framtida astronomer kommer att påverkas av universums accelererande expansionen.
Idag benämner vi anledningen till den accelererande expansionen för mörk energi, den kosmologiska konstanten, kvintessens, vakuum- eller fantomenergi. Kärt barn har många namn. Givetvis finns det även flertalet matematiska termer för att beskriva storheten. Exempelvis har vi denna;
$$Lambda = frac{8 pi G}{c^2} rho$$
Här betecknar vi den kosmologiska konstanten som lambda, $$Lambda$$, och som har enheten s$$^{-2}$$. Denna term beskriver hur konstanten är proportionell mot energitätheten i den tomma rymden $$rho$$. Om denna konstant är positiv innebär det att den tomma rymden också har en positiv energi, vilket leder till att rymdens expansion accelererar.1
Den accelererande expansionen av universum leder till rödförskjutningen av de mest avlägsna kroppar. Spektrallinjer från avlägsna objekt är då förskjutna mot längre våglängder. Ljuset från dessa mycket avlägsna objekt skvallrar om förhållandena då de emitterades. Fotonerna från dessa objekt tillåter oss därmed att observera ett yngre universum. Om expansionen då fortsätter att accelerera, eller gör det i allt snabbare takt, kommer dessa redan förskjutna spektrallinjer att förskjutas ytterligare. Dessa observationer beskrivs med Hubbles lag, $$v = H_0 cdot r$$. Vilken beskriver att galaxerna avlägsnar sig från varandra med en hastighet som är proportionell mot avståndet mellan dem. Tillslut kommer då dessa våglängder förskjutas till den gräns då våglängden inte längre är synlig för optiska teleskop. När de optiska teleskopen inte längre kan detektera det synliga ljuset från de allra avlägsnaste galaxerna kommer fler teleskop med möjligheten att detektera längre våglängder, som infrarött, mikro-och radiovågor, att behövas för att kunna studera de avlägsna objekten. Vissa avlägsna galaxer som redan endast kan observeras kommer att försvinna från vårt observerbara universum. Detta kan då komma att innebära att framtida astronomer kommer att behöva fler nya instrument för att kunna följa utvecklingen av nuvarande observerade, kroppar. Även om detta troligtvis kommer ske långt in i framtiden. Möjligtvis kommer intresset för radioastronomi att öka.
Den mörka energin skapades troligtvis, som allt annat, i Big Bang. Denna energi kan kanske till och med ha spelat en del av den tidiga inflationen av universum. Vad än denna energi är och bildades säger den att det är väldigt mycket mer av universum som vi inte förstår oss på idag.
De framtidsscenarier som den accelererande expansionen kan ledas till brukar vi benämna för the Big Chill och/eller the Big Rip. Om den mörka materian är konstant, som också är plausiblast, kommer universum fortsätta att accelererar i oändligheten. Himlakroppar kommer så småningom att försvinna från vårt och våra instruments synfält när ljuset inte längre hinner nå oss. Vårt universum blir glesare och kallare. Detta är the Big Chill. The Big Rip, som också är en potentiell utväg, är att den mörka energin ökar i takt med utvidgningen. Accelerationen kommer då att öka, vilket skulle resultera i att utvidgningen skulle gå ännu snabbare än vad den hade gjort om accelerationen var konstant. De senare epokerna kommer då att bli mycket våldsamma; kraften kommer att slita sönder kroppar som hålls ihop av gravitationen. Galaxhopar, stjärnor, människor och atomer. Den mörka energin kommer att dominera över alla de fyra grundläggande krafterna.
En gemensam teori för efterkommande epoker av Big Chill eller Big Rip, är att när materian är tillräckligt avskild från varandra, kommer tillslut inga nya himlakroppar att skapas. Materietätheten blir helt enkelt för låg. Tillslut kommer också materian att sönderfalla, och fortsätter att göra det tills alla fermioner, och slutligen de flesta bosonerna att ha sönderfallit till fotoner. Till och med de svarta hålen kommer att ha förångats. Universum kommer då vara statiskt, kallt och evigt. Begrepp som dimensioner kommer att upphöra då det inte finns någonting med utsträckning. Begrepp som inte beskriver någonting behöver inte längre finnas till. Tiden står stilla eftersom fotoner färdas med ljusets hastighet. Tidsdimensionen har upphört även den. Universum är nu ingenting.”
Och här följer Eriks uppsats:
”Universum, rummet som vi alla lever i utan att tänka på det. Det är lätt att glömma bort att det finns en värld utanför vår lilla planet. Nu kanske kan vara förvånande att jag använder termen ”lilla”. Planeten är ju stor, eller hur? Kolla bara på sjön Vänern, en ganska så stor sjö i våra ögon. Jämför sedan Vänern med Stilla havet, nu ser Vänern helt plötsligt ganska liten ut. Stilla havet, som ändå är ganska enormt, utgör ändå bara 32 % av jordens yta. Sedan tar man planeten, som är ännu större. Men blickar man bara bort mot solen så är vår lilla planet inte särskilt stor längre. Och detta fortsätter, vi hittar hela tiden större saker. En av de största kända stjärnorna i Vintergatan, VV Cephei, är 1900 gånger större än vår stjärna. Nu känner man sig verkligen liten. Denna stjärna är bara en jätteliten del av vår galax, som i sin tur är en ännu mindre del av Universum, som är så stort att vår hjärna inte skulle kunna föreställa sig hur stort det är, dessutom expanderar universum hela tiden. Utöver detta så upptäckte man nyss, att universums expansion dessutom accelererar.
Många forskare trodde länge att universums expansion var konstant eller att den var avtagande på grund av att massa ger upphov till gravitation mellan föremål $$F = G cdot frac{m_1 cdot m_2}{r^2}$$, och att universum så småningom skulle börja krympa. Men 2011 års nobelpristagare Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt och Adam G. Riess bevisade motsatsen. Genom att studera avlägsna supernovor av en speciell typ, de supernovor som de studerade var alltså supernovor av typ 1a. Det som gör dem speciella är att de är extremt ljusstarka och nästan alltid utstrålar exakt samma ljusmängd. En typ 1a-supernova producerar lika mycket ljus som en hel galax. Detta gör att de kan upptäckas även på extremt stora avstånd. Eftersom att alla supernovor av denna typ lyser lika starkt, beror den skillnad i ljusstyrka som vi upplever, endast på avstånd, ju längre ifrån oss, desto svagare ljusstyrka. Eftersom det vi ser har färdats så ofantligt enorma avstånd, betyder det att man blickar tillbaka i tiden. Med detta som grund, kan man placera in supernovorna på olika platser i universums historia. Resultatet blev att supernovorna lyste svagare än förväntat, avståndet till dem var större. Universums expansion var alltså varken konstant eller avtagande, utan accelererande. Detta ger då upphov till teorin att vi förmodligen bor i ett oändligt universum.
Vad är det då som orsakar denna acceleration? Ingen vet. Dock så leder detta till många nya sker. Denna upptäckt har bevisat att nästan alla hade fel om universums expansion. Det innebär också en hel del för framtiden, en teori om accelerationens orsak dök nämligen upp, så kallad mörk energi. Det är, enligt många forskare, den mörka energin som dominerar universum. Den mörka energin
uppskattas utgöra 71,4 % av universums totala energi. Och att den materia som vi omges av och för de flesta människor tycks finnas vart vi än tittar, endast utgör ca 4,6 % av universum. Förutom materia och mörk energi tror man även att det finns så kallad mörk materia. Detta tros utgöra ca: 24 % av universum. Varken mörk materia eller mörk energi har påträffats, därför kommer förmodligen framtidens astronomi och fysik över lag att fokusera på att bevisa eller motbevisa dessa teorier, forskningsanläggningen CERN tros inom de närmaste 10 åren kunna göra framsteg inom detta område med hjälp partikelacceleratorn LHC.
Einsteins kosmologiska konstant har även blivit applicerad till att försöka lista ut orsaken till accelerationen; en konstant som skulle bevisa att universum är statiskt. Han bevisades ha fel av Hubble 1929 som upptäckte att universum utvidgas. Nu har konstanten återvänt till forskningen då man, med en lite modifiering, kanske kan förklara accelerationen med hjälp av den.
Universums accelererande expansion är en av världens svåraste olösta gåtor, vilket innebär att det ser ljust ut för framtida astronomer. Det bevisar att det finns så mycket mer att upptäcka inom fysikens och astronomins värld.”
Stort grattis än en gång till Magdalena och Erik!