kosmologiens historie

Albert Einstein fullførte den generelle relativitetsteorien i desember 1915 og presenterte teorien i en artikkel våren 1916. Han brukte teorien til å konstruere en universmodell i 1917. På denne tiden var den vanlige oppfatningen at Universet er statisk. Observasjoner av stjernene viste ingen tegn til bevegelse. Man snakket om fiksstjernene på himmelen. De var et uttrykk for at vi bor i et univers av stjerner som er i ro.

Einstein ønsket derfor å finne en løsning av sine relativistiske gravitasjonslikninger som beskriver en statisk universmodell. Men han oppdaget raskt at det går ikke. For en universmodell som opprinnelig er statisk vil kollapse under påvirkning av tiltrekkende gravitasjon.

For å kunne konstruere en statisk universmodell innførte Einstein en såkalt kosmologisk konstant i likningene sine. Han tolket den som uttrykk for en iboende tendens til at rommet skulle ekspandere. I Einsteins universmodell er det likevekt mellom tiltrekkende gravitasjon på grunn av materien som fyller Universet, og denne frastøtende tendensen.

I perioden fra 1910 til 1930 ble det imidlertid gjort observasjoner som gjorde at forskerne begynte å tvile på om at universet virkelig er statisk.

I 1912 rapporterte den amerikanske astronomen Vesto M. Slipher om resultatet av de første målingene av den radielle hastigheten til Andromedatåken ved å bruke en spektrograf til å måle dopplerforskyvningene av spektrallinjer. Han fant at den beveger seg mot solsystemet med en hastighet på 300 km/s. I 1917 hadde Slipher gjort målinger av hastighetene og avstandene til 25 andre tåker. Disse målingene dannet utgangspunktet for å finne en hastighet-avstand- sammenheng for kosmiske objekter.

Sliphers 1917-resultater bidro til å forandre menneskenes verdensbilde. Før Slipher gjorde sine målinger og analyser mente man at hele verden er statisk og består av stjerner som er i ro. Han skrev i 1917-artikkelen at i gjennomsnitt beveger de observerte spiraltåkene seg bort fra oss med en hastighet på 500 km/s.

Med disse resultatene introduserte Slipher et nytt og revolusjonerende verdensbilde. Fra å være et system av stjerner i ro, er verden blitt et system av spiraltåker i bevegelse. Observasjonene til Slipher bidro på denne tiden også til å gjøre det klart at vi befinner oss i utkanten av en stor spiralgalakse, Melkeveien. Men fortsatt var mange astronomer i tvil om Melkeveien utgjorde hele Universet.

Frem til 1922 hadde Slipher målt radielle hastigheter til 41 spiraltåker. Nesten alle beveget seg i retning vekk fra oss.

Den svenske astronomen Knut Lundmark publiserte i juni 1924 en avstand-hastighet-relasjon for spiraltåker basert på Sliphers hastighetsmålinger og egne avstandsestimater. Han var den første som publiserte et kosmisk hastighet-avstand diagram for spiraltåker. Sammenhengen er at for fjerne objekter er hastigheten til objektet vekk fra oss proporsjonal med dets avstand fra oss. Dette skrives matematisk på formen

\( v = Hl \) (1)

der v er hastigheten, l avstanden, og H kalles Hubbleparameteren.

I 1929 annonserte Edwin Hubble sammenhengen (1) som nå bærer hans navn. Hubble plottet punkter i et hastighet-avstand-diagram med observasjonsdata der de fleste hastighetene var målt av Slipher, mens avstandene var målt av Hubble og Milton Humason.

Observasjonsdataene var mer nøyaktige enn Lundmark sine, men hadde fortsatt store systematiske feil. Verdien av Hubbleparameteren utledet fra disse dataene er H = 144±85 km/s per million lysår. Denne verdien er 7 ganger større enn dagens aksepterte verdi og gir en alder for Universet på bare 2 milliarder år. Ikke noe sted i denne avhandlingen konkluderte Hubble med at galaksene beveger seg vekk fra oss. Heller ikke skrev han noe om at universet ekspanderer. Verdien av H er nå bestemt med omtrent 5% usikkerhet og er ca. 22 km/s per million lysår.

I juli 1922 og i 1924 presenterte den russiske forskeren Alexander Friedmann en klasse av ekspanderende universmodeller. Hans universmodeller inneholdt en jevnt fordelt kosmisk gass, og han inkluderte Einsteins kosmologiske konstant i sine likninger.

Friedmanns artikler var bemerkelsesverdige. Hans likninger danner utgangspunktet for moderne kosmologi og kalles i dag for Friedmanns likninger. Han var den første som konstruerte relativistiske universmodeller med en begynnelse i en endelig fortid og med uendelig romlig utstrekning.

I 1927 publiserte den belgiske pateren og kosmologen Georges Lemaître en artikkel på fransk i et ukjent og lite lest belgisk tidsskrift. Oversatt til norsk er artikkelens overskrift: Et homogent univers med konstant masse og økende radius som forklaring på de radielle hastighetene til tåker utenfor vår galakse.

I Lemaîtres overskrift presenteres en tolkning av rødforskyvningen av lyset fra fjerne galakser som er blitt standardtolkningen i moderne kosmologi – nemlig at den skyldes universets ekspansjon og ikke at galaksene beveger seg gjennom et statisk rom. Det er selve rommet som ekspanderer. Dette var så radikalt at Hubble som senere fikk æren for å ha oppdaget universets ekspansjon, aldri fikk seg til å akseptere den relativistiske forestillingen om et ekspanderende rom.

Lemaître viste at lyset fra en fjern kilde får en rødforskyvning proporsjonal med kildens avstand i slike universmodeller. På grunn av universets ekspansjon beveger galaksene seg vekk fra oss med en hastighet proporsjonal med avstanden. Denne sammenhengen, likning (1), ble senere kalt Hubbles lov, men ble altså først utledet av Lemaître i 1927.

I november 1931 publiserte Lemaître en artikkel med tittelen «L’expansion de l’espace» der han presenterte en ny universmodell som er forbausende lik den moderne standardmodellen for Universet. Lemaître introduserte et kuleformet univers som har endelig volum, men ingen grenser, og skrev: «Vi kan forestille oss at rommet oppstår som et første atom og at rommets begynnelse også markerer tidens begynnelse. Rommets radius var opprinnelig lik null. Ekspansjonen fant sted i tre faser; først en periode med rask ekspansjon, så en periode med langsom ekspansjon, fulgt av en tredje periode med akselerert ekspansjon. Vi befinner oss i den tredje perioden i dag.» Lemaître forutsa ikke bare at universet ekspanderer, men også at ekspansjonen øker farten, noe som ble oppdaget først i 1998, og som oppdagerne fikk Nobelprisen i fysikk for i 2011.

Variasjonen av ekspansjonsfarten skyldes en «kamp» mellom materiens tiltrekkende gravitasjon og rommets tendens til å ekspandere beskrevet ved den kosmologiske konstanten. I 1934 introduserte Lemaître en ny tolkning av den kosmologiske konstanten. Han skrev: «Relativitetsteorien innebærer at når vi identifiserer masse og energi, må vi introdusere en konstant. Alt skjer som om energien i vakuum er forskjellig fra null. For at det ikke skal være mulig å måle bevegelse i forhold til vakuum må vi assosiere et trykk med energitettheten i vakuum. Dette er essensielt betydningen av den kosmologiske konstanten.» Den representerer den konstante tettheten til vakuumenergien (i dag omtalt som «Universets mørke energi») og forårsaker frastøtende gravitasjon.

Vi kan dermed forklare variasjonen av ekspansjonshastigheten i Lemaîtres universmodell på følgende måte: Universet oppsto i en eksplosjon som førte til en enormt stor ekspansjonsfart. Denne ble bremset ned av materiens tiltrekkende gravitasjon, og det oppsto en periode med liten ekspansjonsfart. Hvis denne varte lenge nok løste det aldersproblemet for universet med den daværende alt for store verdien av Hubbleparameteren. Materiens tetthet har avtatt under ekspansjonen, men tettheten av vakuumenergien holder seg hele tiden konstant. Dermed begynte den frastøtende gravitasjonen etter hvert å dominere over materiens tiltrekkende gravitasjon og få ekspansjonsfarten til å øke. Dette førte universet inn i en fase med økende ekspansjonsfart som begynte for mellom 6 og 8 milliarder år siden.

• kosmologi