Som barn undrar man ofta hur stort Universum faktiskt är. Fortsätter det för alltid i alla tänkbara riktningar? Våra hjärnor har, förståeligt nog, svårt att hantera oändligheten. Allt i vårt vardagliga liv, inklusive riktigt stora objekt som hela vår planet, är ju av ändlig storlek. Så kanske det känns lättare att hantera tanken av ett Universum av ändlig storlek. Men om Universum är av ändlig storlek måste det väl finnas någon sorts “gräns”? Men vad finns bortom den gränsen? Mer rymd och flera stjärnor? Det ointuitiva slår tillbaka med kraft.
Men i naturvetenskapen — inte minst i astrofysiken — tvingas vi lämna våra intuitioner tidigt. Hur hela Universum fungerar styrs inte av våra egna känslomässiga och intuitiva krav. Så frågan om Universums storlek måste besvaras genom att jämföra olika modeller med observationer av Universum. De modeller som inte stämmer överens med observationer slänger man iväg.
Innan år 1917 fanns det dock inga utförliga modeller av hela Universum att slänga iväg eller behålla. Kosmologin — studerandet av Universum i helhet baserat på väl förankrade fysiska principer — var ännu inte utvecklad. Einstein hade bara några år tidigare utvecklat sin nya teori om gravitation, hans allmänna relativitetsteori. Enligt den nya teorin om gravitation så kröks rum och tid (rumtid) av materia och energi! Ett massivt objekt, t.ex. en stjärna, kröker rumtiden mer än ett lättare objekt, exempelvis en planet. I den krökta rumtiden runt ett massivt objekt kan mindre massiva objekt gå i omloppsbana, likt en pingisboll som går i ”omloppsbana” runt den krökta ytan på en trampolin skapad av ett bowlingklot.
Vad som hände år 1917 var att Einstein använde sig utav sin allmänna relativitetsteori för att formulera en modell som beskriver Universum i sin helhet, och inte bara enskilda objekt inom Universum. I Einsteins modell av Universum så är Universum inte oändligt stort. Märkligt nog tillåter den nya teorin om gravitationen ett Universum av ändlig storlek! Men hur går det till egentligen? Finns det någon ”gräns” i hans modell eller vadå? Fantastiskt nog så är svaret nej! Materia kan, som tidigare nämndes, kröka rumtiden. Finns det tillräckligt med materia så kan man få hela Universum så krökt att det bildar något av en tredimensionell sfär. Vad det betyder är att om man bestämmer sig för att färdas i någon riktning tillräckligt länge så kommer man eventuellt tillbaka till den plats man började från! I det här fallet är Universum extremt stort, men ändå av ändlig storlek och innehåller ett ändligt antal stjärnor (idén om andra galaxer hade ännu inte accepterats).
Det fanns dock ett problem. Enligt Einsteins ekvationer så är ett statiskt Universum ostabilt. Antagligen börjar det expandera eller implodera till en punkt. Istället för att acceptera det så introducerade Einstein något som han kallade för en ”kosmologisk konstant” (och vad vi nu ofta kallar för den mörka energin). Den kosmologiska konstanten vill få Universum att expandera, medans gravitationen mellan stjärnor vill få Universum att implodera. De två effekterna tar ut varandra i Einsteins modell, och vi får ett statiskt Universum med oändlig ålder. Det visade sig senare1 också att detta också är ostabilt eftersom den minsta förflyttningen av materian ger en obalans som får Universum att antingen expandera eller implodera. Dessutom började astronomer på det sena 20-talet att upptäcka att galaxer åker ifrån oss i alla riktningar. Universum expanderar alltså. Det hade alltså visat sig vara så att Einsteins stillsamma Universum inte beskrev verkligheten. Den allmänna relativitetsteorin hade ju dock förutsagt att Universum antagligen bör expandera eller implodera, vilket det nu fanns bevis för.
Det nya beviset för ett Universum som växer och är dynamiskt gav upphov till födseln av modern kosmologi. Man härledde entusiastiskt modeller som kunde beskriva Universum. Allt från modeller där Universum cykliskt genomgår expansion och kontraktion till modeller där Universum expanderar snabbare och snabbare, eller olika snabbt i olika riktningar. Man började också lägga mycket tid på att försöka ”väga” Universum. Genom att bestämma galaxhopars massor kunde man försöka uppskatta Universums storlek. Ett Universum fyllt med relativt lite materia är oändligt stort — oändligt mycket större än det vi kan se med våra bästa teleskop. Faktum är att våra bästa teleskop bara kan fånga ljus som haft tid att nå våra teleskop. Det kanske låter självklart. Men det betyder att om Universum är av ändlig ålder så kommer vi också observera en ändlig del av ett antingen ändligt eller oändligt stort Universum. Detta är förklaringen till varför stjärnhimlen är relativt mörk och inte bländande ljus (ofta kallad Olbers paradox). Ifall Universum är extremt mycket större än den ”lilla” del vi kan se, och vi hade möjligheten att se så långt vore natthimlen så tätt befolkad av stjärnor och galaxer att vi inte skulle ha mycket av en ”natt” kvar.
Eftersom vi bara kan observera en liten (eller stor?) del av Universum i sin helhet kan vi inte vara säkra på om det vi ser här är representativt av Universum i sin helhet. Det är av samma anledning man inte kan komma till slutsatsen att Jorden är platt eftersom Jorden verkar vara platt lokalt. Men vi antar att den del av Universum vi kan observera med våra teleskop är relativt typisk. Och med det antagandet och vårt ”vägande” av materia och energi i Universum kan vi komma fram till att Universum i sin helhet är mycket större än den del vi kan se med våra bästa teleskop. De senaste mätningarna av Planckteleskopet tyder på att Universum är väldigt ”platt” till hög precision. Vad som menas med det är att Universum ligger väldigt nära ett gränsfall där det å ena sidan är sfäriskt och av ändlig storlek, och å andra sidan har negativ krökning (likt en sadel) och är av oändlig storlek.
Den slutsats vi kan dra från det är bara att Universum är ofattbart stort — tillräckligt stort att man i de flesta kosmologiska beräkningarna kan anta att Universum är oändligt stort. Om man använder sig utav de uppmätta parametrarna från Planck med mera så bör Universum ha en omkrets på minst sisådär ~ 1 000 miljarder ljusår (vilket kan jämföras med det synliga Universum som har en radie på ~ 46 miljarder ljusår)!2 Så även om Universum är av ändlig storlek finns det ingen anledning att få klaustrofobiska tankar. Frågan om vad som finns bortom vår horisont, och hur stort Universum faktiskt är, är dock fortfarande obesvarat. Inom den teoretiska kosmologin finns det exempelvis misstankar om att vi lever i ett ”Multiversum”, där vårt ”Universum” bara är en bubbla — paradoxalt nog en oändligt stor bubbla i ett oändligt stort hav av oändligt många sådana bubblor (huvudvärk, någon?) — av flera. Denna idé är fortfarande relativt spekulativ även om den bygger på en ganska accepterad teori om det tidiga Universum (inflation). Man vill testa detta genom att söka efter ”blåmärken” i den kosmiska bakgrundsstrålningen från det tidiga Universum.3 Att hitta ett eller flera ”blåmärken” skulle tyda på en eller flera kollisioner med andra universa. Det skulle betyda att vi skulle behöva förstora vårt perspektiv ytterligare, vilket har vart en generell trend sen början av den moderna vetenskapen.
Intressanta tider ligger framför oss med stora potentiella upptäckter som sätter vår planet och våra oroligheter i ett större och rikare perspektiv. Just nu kan vi inte sätta ett nummer — som troligen är så stort att det att vi har svårt att jämföra det med något konkret — på Universums storlek. Vi får just nu nöja oss med att Universum är en enorm plats.
Foto: NASA
Källor:
- Eddington, A. (1930). On the instability of Einstein’s spherical world, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (90), 668-678.
- Från Friedmann-ekvationen i kosmologin kan man härleda (se t.ex. Kenyon, I. (1990) General Relativity, Oxford University Press) en omkrets lika med 2πc/(H0 (- Ωk)1/2). Använder vi det värde för Ωk som ger mest krökning, 100Ωk = – 0.10 – 0.65 = – 0.75, samt ett värde på Hubblekonstanten H0 på ungefär ~ 68 km s-1 Mpc-1 = 2.2 x 10-18 s-1, så ger det oss en omkrets på ungefär ~ 1 043 miljarder ljusår. Värdena kan hittas här: http://arxiv.org/abs/1303.5076.
- Se exempelvis Aguirre, A. & Kozaczuk, J. (2013). Multiple cosmic collisions and the microwave background spectrum, Physical Review D (87). Preprint kan läsas här: http://arxiv.org/abs/1206.5038.