Roman affyres lørdag — en milliard galakser til at knække mørk energi

Roman-rumteleskopet opsendes lørdag midt i kosmologiens største åbne måleproblem: to uafhængige måder at måle, hvor hurtigt universet udvider sig, er uenige med 8 procent. Måler man den kosmiske mikrobølgebaggrund – lys fra 380.000 år efter Big Bang – kommer ekspansionshastigheden ud på omkring 67 kilometer per sekund per megaparsec. Måler man Cepheid-stjerner og Type Ia-supernovaer i nærheden, får man omkring 73. Afstanden mellem dem er 4 til 6 standardafvigelser bred. I fysik er det ikke en afrundingsfejl. Det er et signal om, at noget i standardmodellen er galt.

Nancy Grace Roman-rumteleskopet, der letter kl. 7:26 Eastern time fra Kennedy Space Center på en SpaceX Falcon Heavy-raket, er det mest kapable instrument, der endnu er designet til at finde ud af hvad. Med et 2,4 meter spejl – samme diameter som Hubbles – og et 300 megapixel nær-infrarødt kamera, der ser et stykke himmel 200 gange bredere end Hubbles synsfelt, kan Roman bygge de storstilede kort over galaksefordeling, som den nuværende spænding kræver.

Beviserne der knækkede standardmodellen

Mørk energi blev identificeret i 1998, da to uafhængige hold, der målte afstande og recessionshastigheder for Type Ia-supernovaer, fandt, at fjerne galakser bevægede sig hurtigere væk, end ekspansion aftagende under tyngdekraften burde tillade. Observationen indbragte Nobelprisen i 2011 og indsatte en term – den kosmologiske konstant Λ – i kosmologiens standardmodel. Λ hævder, at mørk energi er konstant i både tæthed og karakter, en fast egenskab ved rummet selv.

Anbefalet læsningDESI kortlagde mørk energi og fandt et univers der ikke er ensartet.

To nyere fund har kompliceret det billede. Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) offentliggjorde resultater, der viser, at baryoniske akustiske oscillationer – periodiske tæthedsmønstre frosset ind i det kosmiske net siden 380.000 år efter Big Bang – passer bedre til dataene, hvis mørk energis styrke har ændret sig over tid. Fundet beviser ikke variation; det er et hint, og det statistiske tilfælde er endnu ikke afgørende. Men det er den mest betydningsfulde empiriske udfordring af Λ siden Nobelprisen.

Hubble-spændingen tilføjer et andet trykpunkt. Hvis standardmodellen er korrekt, burde både tidligt-univers- og lokale målinger konvergere på samme ekspansionshastighed. Det gør de ikke. Den seneste analyse med JWST-kalibrerede Cepheider bekræfter den lokale værdi nær 73 km/s/Mpc. CMB-afledte værdi forbliver nær 67. Uoverensstemmelsen er ikke skrumpet med flere data – den er vokset.

Hvad Roman vil måle, og hvordan

Roman vil angribe problemet med mørk energi gennem tre uafhængige kanaler.

Den første er Type Ia-supernovaer, som fungerer som standardiserbare afstandsmarkører: hver når en forudsigelig maksimal lysstyrke, der afslører, hvor langt væk den er. Sammenligning af afstand med rødforskydning – hvor meget en galakses lys er blevet strakt af universets ekspansion – giver ekspansionshastigheden på det pågældende kosmiske tidspunkt. Roman forventes at opdage tusindvis af supernovaer om året over et meget bredere rødforskydningsområde end jordbaserede undersøgelser og kortlægge universets accelerationshistorie med en præcision, som nuværende instrumenter ikke kan nærme sig.

Den anden kanal er baryoniske akustiske oscillationer. Disse tidlige-univers lydbølger efterlod en karakteristisk skala indpræget i, hvordan galakser klynger sig – en statistisk præference for galaksepar adskilt af omkring 490 millioner lysår. Den skala fungerer som en “standardlineal”: mål hvor stor den ser ud ved forskellige rødforskydninger, og du kan rekonstruere universets ekspansionshistorie på hvert kosmisk tidspunkt. Romans vidvinkelbilleddannelse vil kortlægge millioner af galakser og give statistisk styrke, som nuværende undersøgelser ikke kan matche.

Den tredje er svag gravitationel linse: den svage forvrængning af baggrundsgalaksers former af massen i forgrundsstruktur. Linser sporer, hvordan stof har klumpet sig over tid, hvilket er følsomt over for både tætheden af mørkt stof og opførselen af mørk energi. Kombineret med supernova- og BAO-data giver linser en krydskontrol, der kan isolere, om en uoverensstemmelse i ekspansionshistorien er reel eller instrumentel.

Sammenlignet med hvad der kom før

Hubbles infrarøde kamera dækker omkring 10 kvadratbuesekunder per eksponering. Roman dækker omkring 0,28 kvadratgrader – groft sagt 100 gange arealet ved sammenlignelig opløsning og dybde. Dets vidvinkelinstrument vil se stykker af himlen, som ville tage Hubble år at kortlægge på uger. JWST tilbyder ekstraordinær dybde, men et synsfelt svarende til Hubbles; JWST er mikroskopet, Roman er vidvinkelobjektivet. ESAs Euclid, opsendt i 2023 og allerede i gang med at returnere data, dækker et bredere felt end Roman, men ved lavere rumlig opløsning og dybde; begge missioner forventes at supplere hinanden.

Skalaforskellen er missionens kerneargument. At måle mørk energis egenskaber til den præcision, der kræves for at skelne en sand kosmologisk konstant fra en, der udvikler sig, kræver statistiske stikprøver af millioner af objekter. Hubble-spændingen kan ikke løses med små undersøgelser – den kræver en folketælling.

Hvad Roman ikke vil afgøre

Romans målinger vil skærpe begrænsningerne på mørk energi betydeligt, men de vil ikke løse alle spørgsmål, der nu er knyttet til den. Instrumentet kan ikke direkte detektere mørk energi – det måler dens effekter på observerbare størrelser, og disse målinger bærer deres egne systematiske usikkerheder. Kalibrering af Type Ia-supernovaer afhænger for eksempel af Cepheid-afstandsmålinger, som igen afhænger af, hvordan disse stjerners pulsationsegenskaber påvirkes af deres kemiske miljø. Den kalibreringskæde er præcis, hvor Hubble-spændingen i øjeblikket bor.

Hvis Romans data indsnævrer H0-gabet – bringer lokale og tidligt-univers målinger tættere på enighed – vil det antyde, at spændingen opstod fra uforklarede systematiske fejl i tidligere målinger. Hvis gabet fortsætter eller udvides efter Romans forbedrede kalibrering, vil det være stærke beviser på, at standardmodellen er ægte ufuldstændig. Det udfald ville være det mere konsekvensrige, men det ville ikke i sig selv navngive, hvad der er galt – kun bekræfte, at noget er.

Jason Rhodes, kosmolog ved NASAs Jet Propulsion Laboratory og involveret i missionen, beskrev det nuværende landskab klart: “Vi begynder at se spændinger mellem målinger af det tidlige univers og målinger af det sene univers.” Roman blev specifikt designet til at få disse spændinger til enten at forsvinde eller hærde til en bekræftet anomali.

Idriftsættelse tager cirka 90 til 100 dage efter opsendelse; videnskabelige operationer forventes at begynde i begyndelsen af 2027. Teleskopet vil operere ved L2 Lagrange-punktet, omkring 1,5 millioner kilometer fra Jorden, hvor JWST allerede kredser. Primærmissionen strækker sig over fem år.

Almindelige spørgsmål om Roman-teleskopet og mørk energi

Hvad er mørk energi præcist?
Mørk energi er navnet givet til den ukendte årsag til universets accelererende ekspansion. Det udgør omkring 68 procent af universets samlede energiindhold ifølge nuværende estimater, men dets fysiske natur forbliver ukendt. Den enkleste model behandler det som en konstant energitæthed, der er iboende i tomt rum. Mere komplekse modeller tillader det at ændre sig over tid eller adskille sig i karakter fra den kosmologiske konstant. Roman er designet til at skelne mellem disse muligheder.

Hvad er Hubble-spændingen?
Hubble-konstanten (H0) måler, hvor hurtigt universet i øjeblikket udvider sig. To brede kategorier af målinger – én, der bruger den kosmiske mikrobølgebaggrund som udgangspunkt, den anden, der bruger nærliggende standardlys som Cepheid-stjerner og supernovaer – giver konsekvent forskellige værdier, nær 67 og 73 km/s/Mpc. Uoverensstemmelsen er statistisk signifikant nok til, at den ikke plausibelt kan forklares ved tilfældigheder, men dens årsag er uafklaret.

Hvordan adskiller Roman sig fra James Webb-rumteleskopet?
JWST er optimeret til dybe, smalfeltsobservationer af individuelle objekter med ekstraordinær følsomhed. Roman har samme spejlstørrelse som Hubble, men et synsfelt 100 til 200 gange større; det bytter dybde for bredde. De to teleskoper er designet til at arbejde sammen: Roman finder og kortlægger i stor skala, JWST følger op på specifikke mål i detaljer.

Hvorfor betyder mørk energi noget ud over kosmologien?
Mørk energi bestemmer universets langsigtede skæbne. Hvis den er virkelig konstant, vil universet fortsætte med at accelerere uendeligt og til sidst adskille galakser uden for rækkevidde af hinandens lys. Hvis mørk energi ændrer sig over tid – eller vender – ændres banen. Romans målinger vil begrænse, hvilke af disse scenarier der er fysisk plausible.

Hvis Hubble-spændingen overlever Romans granskning, vil kosmologien have brug for en ny model – én, der er i stand til at forklare, hvorfor universets tidligste og seneste signaturer af ekspansion ikke længere stemmer overens.

Tags: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

Mere som dette

Webb målte et sort hul på 13 milliarder år — det opstod før sin egen galakse

JWSTs røde prikker er sorte huller der vokser ti gange for hurtigt

Jupiter slynger elektroner til næsten lysets hastighed, ligesom supernovaer

Kvasarens sorte huls vinde er 100 gange kraftigere end modellernes forudsigelser

Det sorte hul J1007+3540 vågner efter 100 millioner år i stilhed

Uendelighedsgalaksen: En kosmisk kollision skaber en ny forståelse for sorte hullers oprindelse