Universum är ett till synes oändligt hav fyllt med stjärnor, galaxer och nebulosor. I den ser vi mönster och konstellationer som har inspirerat berättelser genom historien. Men det finns ett kosmiskt mönster som vi fortfarande inte förstår. En fråga som förblir obesvarad: Vilken form har universum? Vi trodde att vi visste det, men ny forskning tyder på annat, och det kan peka på en kris i kosmologin.
Figur från 1600-talet som visar Ptolemaios universum. Kredit: Library of Congress
Många tidiga astronomer ansåg att universum var en sfär av stjärnor, som omsluter solsystemet och centrerat på en fast, orörlig jord. Men genom århundradena fann astronomer att vår sol bara var en av miljarder i en galax, och det fanns otaliga galaxer utspridda över miljarder ljusår i rymden. Frågan om skapelsens form verkade en omtvistad fråga. Stjärnor och galaxer fanns i tomma rymden. Vad kan rymden vara annat än en tom duk: platt, euklidisk och utan struktur.
Sedan i början av 1900-talet utvecklade Albert Einstein sin teori om allmän relativitet. I den var rymden inte en tom duk. Den kunde böjas och sträckas, vridas och deformeras, baserat på massans position och rörelse i universum. Dessa rumsliga deformationer avböjde ljus och materia, vilket orsakade den effekt vi kallar gravitation. Med relativitetsteori kan rymden anta olika former. Det var då möjligt att universum kunde ha en övergripande kosmisk form, precis som jorden på det hela taget är rund.
Allmän relativitetsteori skulle tillåta universum att ha en av tre former: platt, stängd eller öppen.
Möjliga former av universum. Kredit: NASA
Platt är hur vi tänker på rymden i vår vardag. Det är det euklidiska rummet vi lär oss om i skolan. Platt utrymme sträcker sig jämnt i alla riktningar, och två parallella ljusstrålar skulle för alltid förbli parallella.
Öppen plats kan föreställas som sadelformad. Den böjer sig på ett sådant sätt att den divergerar när du sträcker dig utåt. Två ljusstrålar som initialt var parallella skulle gradvis spridas isär och vända sig något bort från varandra när de korsar kosmos.
Stängt utrymme är i allmänhet sfäriskt. Den konvergerar när den sträcker sig, så att parallella ljusstrålar så småningom skulle mötas och korsa varandra, som longitudlinjer på jorden.
Det bör nämnas att ingen av dessa har att göra med det faktum att universum som helhet expanderar. Kosmisk expansion innebär att punkter i rymden sprids isär över tiden. Universums form handlar om rymdens form. En sfärisk ballong kan expandera när den blåses upp, precis som en platt gummiduk kan sträckas ut och förbli platt. Så vårt expanderande universum kan vara platt, öppet eller stängt.
Eftersom rymdens krökning påverkas av närvaron av massa, beror universums övergripande form på den genomsnittliga densiteten av materia i det. I allmän relativitet ges detta värde av densitetsparametern, som är förhållandet mellan observerad densitet och den 'kritiska densiteten' som behövs 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 densitet har konsekvent gett ett värde på 1. Till observationsgränserna är universum platt, som vi länge har misstänkt .
Utseende av CMB påverkad av kosmisk form. Kredit: NASA/WMAP Science Team
Men det finns ett annat sätt att mäta kosmos form, och det är att titta på den skenbara storleken på mycket avlägsna föremål. Allt kommer tillbaka till beteendet hos parallella ljusstrålar. I ett platt universum förblir parallella linjer parallella, så 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 därför ser galaxen ut som sin verkliga storlek.
Om universum är öppet avviker parallella linjer med avståndet. Så ljuset från vår avlägsna galax blir mer parallellt när det når oss. Det betyder att galaxen skulle verka mindre än den är. Om universum är stängt uppstår ljusets motsatta böjning, och galaxen skulle verka större än den är.
I en ny tidning publicerad iNatur, ett team tittade inte på galaxer, utan snarare fluktuationer inom den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). CMB är det kvarvarande 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. Omfattningen av fluktuationer i CMB bestäms av mängden mörk materia och mörk energi i universum, som vi känner till, så vi vet hur stora fluktuationerna bör uppträda. När teamet analyserade CMB-data från rymdfarkosten Plank fann de att fluktuationerna var större än förväntat. Detta betyder att med 99% säkerhet är universum stängt, inte platt.
Denna nya forskning motsäger många tidigare studier som visar att universum är platt. Det kan finnas något systematiskt fel i Planck-data som får universum att se krökt ut, men om forskningen är korrekt pekar den på en lucka i vår förståelse. För närvarande är universums form oklart.
Källa: Planck bevis för ett slutet universum och en möjlig kris för kosmologi av Di Valentino, E., et al.