På et enkelt århundrede har et helt univers åbenbaret sig for os. I dag ved vi, at Mælkevejen blot er én galakse blandt utallige i et univers, der udvider sig stadig hurtigere. Vi kan med stor sikkerhed sige, at universet var uhyre varmt og tæt for cirka 13,8 milliarder år siden, og at det har udvidet sig og kølet af lige siden. Alt sammen noget, videnskaben ikke havde begreb om for bare 100 år siden.

Nu kan vi skrive universets historie ganske detaljeret. Fra at være en ufattelig varm suppe af elementarpartikler har universet udviklet sig til det, vi observerer i dag – komplet med myriader af stjerner, mange af dem omkredset af planeter, og endda med de strukturer af enorm kompleksitet, vi kalder liv.

På den største skala har universet også strukturer. Tyngdekraften binder galakser sammen i hobe, som igen tilhører superhobe, der trækker gigantiske tråde igennem universet. Som et kosmisk edderkoppespind i tre dimensioner, i bund og grund bygget af stoffets mindstedele og de naturkræfter, der virker imellem dem.

Netop samspillet mellem universets storstruktur og naturens mindste byggesten har sat kursen for professor Steen Hannestad fra Aarhus Universitet:

»Mit interesseområde har altid været det, man kalder astropartikelfysik. Det handler om at bruge observationer af astronomisk eller kosmologisk natur til at forstå elementarpartiklernes verden,« fortæller han. »Jeg bruger de store skalaer til at forstå de små – og omvendt.«

Og der er nok at forske i, for selv om forståelsen af universet og dets udvikling har udviklet sig med stormskridt siden 1920’erne, hvor kosmologi som videnskab så sin begyndelse, er der stadig store huller i vores viden. Dengang som nu retter vi teleskoper mod himlen for at blive klogere, hjulpet på vej af teoretiske landvindinger.

Mælkevejen var hele universet

Før 1920’erne var astronomerne ret overbeviste om, at Mælkevejen var hele universet. Der var ingen observationer, der viste andet. De hældte også mest til et evigt og uforanderligt univers – det virker mest oplagt, at universet altid har været der, og at det altid har set ud, som det gør nu, præcis som Newton havde ment.

I 1917 brugte Albert Einstein sin generelle relativitetsteori på hele universet, men ligningerne passede dårligt med et statisk univers. Han måtte forsyne dem med en ekstra størrelse – den kosmologiske konstant – for at få teorien til at passe med et stabilt univers, der ikke kollapsede under sin egen masse.

Da den russiske fysiker og matematiker Alexander Friedmann regnede videre på Einsteins ligninger i 1922, fandt han kosmologiske løsninger, som pegede på et univers, der udvider sig. Og snart skulle den idé blive bakket op af astronomiske observationer.

Med nye, store teleskoper, der blev bygget i USA omkring århundredskiftet, lykkedes det ikke blot astronomerne at måle afstanden til “tåger”, som viste sig at være selvstændige galakser langt fra Mælkevejen, de kunne også bedømme galaksernes hastigheder mod os eller væk fra os.

I 1929 kunne den amerikanske astronom Edwin Hubble dokumentere en sammenhæng mellem afstanden til galakserne og deres fart væk fra os – en sammenhæng, der bedst kendes som Hubbles lov. Det rette navn er nu Hubble-Lemaîtres lov, for den belgiske præst, fysiker og astronom George Lemaître var også på sporet af sammenhængen, endda et par år før Hubble.

Med sit kendskab til Einsteins relativitetsteori indså Lemaître, at observationerne ikke skulle forstås sådan, at galakser fjerner sig fra andre galakser i et allerede eksisterende tomrum. I stedet viser de, at hele universet udvider sig. I 1931 drog han den konklusion, at universet engang havde været ganske lille – et uratom eller et kosmisk æg, som han beskrev det. Lemaître blev overbevist om, at både tid og rum har en begyndelse.

Big bang-teorien får opbakning

Her var startskuddet for den teori, der senere blev kendt som big bang-teorien. Hvor Einstein i starten var tvivlende over for ideen om et univers med vokseværk, blev han hurtigt omvendt af observationerne og kaldte angiveligt indførslen af en kosmologisk konstant for sin største fejltagelse. Det tog dog årtier, før teorien om, at universet engang var uhyre varmt og tæt, blev alment accepteret, fortæller Steen Hannestad:

»Der var en lang mellemfase, hvor forskerne ikke rigtig vidste, hvor de skulle placere kosmologi. Det var ikke rigtig fysik og heller ikke rigtig astronomi – det var lidt esoterisk, og de var meget usikre på, om det i virkeligheden gav mening at anvende de gængse fysiske teorier på universet som helhed.«

»Udover Hubbles målinger var der ikke rigtig nogle observationer, der kunne understøtte kosmologiske teorier, og det var uklart, hvordan man skulle gribe problemet an. Men med den stadig bedre forståelse af kvantemekanik og kernefysik i 1940’erne kom også en gryende erkendelse af, at de lette grundstoffer formentlig var dannet i det tidlige, varme univers.«

Big bang-teorien kunne forklare fordelingen af grundstoffer i universet, men først i 1964 kom det bevis, der fik de sidste skeptikere med på big bang-vognen. Her blev den kosmiske baggrundsstråling – eftergløden fra det varme univers fra dengang, det kun var cirka 380.000 år gammelt – nemlig opdaget af fysikerne Arno Penzias og Robert Wilson.

Siden er der kommet flere beviser for mørkt stof til, men det er endnu ikke lykkedes fysikerne at finde ud af, hvad det mørke stof egentlig består af. De ved bare, at det stort set kun påvirker synligt stof gennem sin masse. Det mørke stof kan være tunge elementarpartikler, der går under betegnelsen WIMPs (weakly interacting massive particles), men fysikerne udforsker også andre muligheder – både på det teoretiske plan og gennem eksperimenter, hvor mørkt stof forsøges indfanget.

Mørk energi er en joker

Kosmologien var ikke på plads med opdagelsen af mørkt stof. I 1990’erne blev det stadig mere klart, at universet har brug for endnu en komponent, hvis de astronomiske observationer skulle passe. Der manglede noget, der kan få universet til at udvide sig stadig hurtigere – en form for energi, der er indbygget i selve tomrummet, og som får det til at puste sig op hurtigere, end det ellers ville gøre. Mørk energi.

»Uden mørk energi ville vi have meget mere struktur i universet i dag – flere galakser, større galakser og større galaksehobe. Desuden ville universet være yngre, måske omkring ni milliarder år, og det passede ikke med den estimerede alder af visse kuglehobe, for eksempel. Så der var meget, der skurrede,« fortæller Steen Hannestad.

I 1998 viste målinger af supernovaer netop, at universet ikke bare udvider sig, men at udvidelsen accelererer. Med disse observationer, der i 2011 kastede en Nobelpris af sig, faldt brikkerne på plads, så vi i dag har en kosmologisk standardmodel med et univers, hvis udvikling først og fremmest har været dikteret af mørk energi og mørkt stof. Universet har hele tiden udvidet sig, men først blev udvidelsen bremset af mørkt stof, der med sin tyngde forsøgte at trække det sammen igen, og senere overtog den mørke energi og fik udvidelsen til at accelerere.

Selv om vi er blevet meget klogere på universet, er der stadig rigtig meget, vi ikke forstår. For eksempel ved vi ikke helt, hvor hurtigt universet udvider sig. Når man måler den såkaldte Hubble-konstant, der netop er et mål for universets udvidelseshastighed, får man forskellige resultater, alt efter hvordan målingen foretages. Så der skal flere observationer til, siger Steen Hannestad:

»Det mest interessante i denne sammenhæng er meget store surveys – astronomiske kortlægninger af universets strukturer over milliarder af lysår – der bliver foretaget i de kommende år. Det arbejder vi også rigtig meget med på Aarhus Universitet. Specifikt forventer vi os meget af det europæiske rumteleskop Euclid, der opsendes i sidste halvdel af 2022, og også af det jordbaserede modstykke Rubin Observatory, der er under opførsel i Chile.«

»Med data fra Euclid og Rubin Observatory får vi en meget bedre forståelse for, hvordan universet først decelererede, idet det var domineret af det mørke stof, og derefter accelererede i takt med, at den mørke energi overtager. Og den detaljerede udvidelseshistorik er rigtig vigtig, hvis vi vil forstå, om den mørke energi udvikler sig i tid.«

Flere nye superteleskoper er på vej, herunder rumteleskopet James Webb, der efter planen opsendes 31. oktober i år, og det enorme Extremely Large Telescope med et spejl på 39 meter, der vil stå færdig på en bjergtop i Chile i 2025. I takt med, at teleskoperne indsamler data, kan astrofysikere som Steen Hannestad udvikle nye teorier for universet, dets indhold og dets udvikling, så vi kommer tættere på at forstå, hvordan det hele hænger sammen. ♦