Danske astronomer har observeret det fjerneste gamma­glimt nogensinde - sandsynligvis fra en af universets førstefødte kæmpestjerner, som eksploderede for 13 milliarder år siden. På internationalt plan raser debatten: Kan fjerne gammaglimt løse gåden om universets mørke energi?

Det er sjældent, at én observation rummer så mange aspekter som fundet af det fjerneste gammaglimt nogensinde: Har vi for første gang set en hypernovaeksplosion fra en af universets førstefødte kæmpestjerner? Blev det tidlige univers ioniseret ikke blot én, men to gange i løbet af de første 700 millioner år efter Big Bang? Og sidst, men ikke mindst: Kan fjerne gammaglimt bruges til at opklare naturen af den mystiske mørke energi, der får universets udvidelse til at accelerere?

Svarene blæser i vinden, men spørgsmålene presser sig stærkere på end nogensinde før, efter at fem astronomer fra Danmarks Grundforskningsfonds Dark Cosmology Centre ved Københavns Universitet anført af Darach Watson sammen med amerikanske og irske kolleger har offentliggjort observationen af det hidtil fjerneste gammaglimt, som ligger 13 milliarder lysår borte i tid og rum. Glimtet var så kraftigt, at den efterfølgende røntgenstråling i de næste par minutter var 100.000 gange stærkere end røntgenstrålingen fra universets mest lysstærke kvasarer, som er fjerne og ekstremt aktive galakser. Gruppens artikel er netop publiceret i Astrophysical Journal Letters.

»Sandsynligvis opstod gammaglimtet ved, at en stjerne af universets første generation eksploderede som en hypernova. Tid og afstand passer, og teorien forudsiger, at de oprindelige kæmpestjerner ofte gik til grunde i enorme eksplosioner, som medførte udsendelse af meget stærke gammaglimt,« siger Darach Watson.

De allerførste stjerner blev ifølge WMAP-satellittens observationer tændt omkring 200 millioner år efter universets skabelse ved Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Stjernerne blev dannet i små protogalakser, som ud over mørkt stof næsten udelukkende bestod af brint og helium. Med tiden fandt nogle af brintatomerne sammen i molekyler, og når molekyler og atomer støder sammen, frigives der stråling, som fjerner varme fra gasserne. Afkølingen trækker gasskyen sammen, og når gassen bliver kold og tæt nok, får tyngdekraften skyen til at kollapse til en stjerne.

Når stjerner fødes i dag, indeholder gasskyerne også tunge grundstoffer, som er produceret i tidligere generationer af stjerner. Tunge grundstoffer er bedre end lette til at fjerne varme fra skyen, og derfor afkøles skyen helt ned til omkring minus 263 grader. Jo koldere gasskyen er, jo nemmere bliver det for tyngdekraften at få skyen til at kollapse, og jo mindre masse er nødvendig for at danne en stjerne. På den måde fødes nutidige stjerner som Solen.

I protogalakserne blev gasserne kun afkølet til mellem minus 70 og plus 30 grader. Derfor skulle gasskyerne være enorme for at rumme masse nok til at føde en stjerne, og det er grunden til, at de førstefødte var giganter på flere hundrede solmasser. I følge teorien levede kæmperne kun få millioner år, inden de eksploderede som spektakulære hypernovaer.

Mens giganterne endnu skinnede med en lysstyrke som flere millioner sole, udsendte de energirig ultraviolet stråling, som ioniserede brintgasser i det interstellare rum - faktisk var det netop den begivenhed, som WMAP-satellitten påviste i den kosmiske baggrundsstråling, hvilket gjorde det muligt at tidsfæste, at de første stjerner opstod for 13,5 milliarder år siden. Opdagelsen var en overraskelse, fordi astronomerne indtil da havde ment, at ioniseringen først indtraf 700 til 800 millioner år efter Big Bang.

»Vore observationer af det 13 milliarder år gamle gammaglimt viser, at det stammer fra en periode med ionisering af brintgasserne i rummet. En mulig forklaring er, at universets interstellare skyer blev ioniseret over to omgange,« siger Darach Watson.

I givet fald kan de første stjerner have skabt den første ionisering, mens anden omgang kan skyldes stråling omkring de første supertunge sorte huller, som senere blev hjertet i alle galakser. De tidlige supertunge sorte huller blev sandsynligvis dannet via samling af mindre sorte huller, som blev efterladt af de første kæmpestjerner, da de eksploderede som hypernovaer og udsendte deres energi.

Studier af urgamle gammaglimt kan muligvis med tiden løse et stort paradoks. På den ene side kan astronomer, kosmologer og fysikere på imponerende vis følge universets udvikling helt tilbage til Big Bang. Men på den anden side ved vi kun, hvad fire procent af massen i universet består af; nemlig ganske almindelige atomare byggesten, som er substansen i alle lysende stjerner og galakser. 23 procent af massen er ukendt mørkt stof, som muligvis består af supersymmetriske partikler, der forudsiges af de fysiske teorier. De sidste 73 procent af massen er mørk energi, som ingen aner, hvad er.

Den mørke energi er en frastødende kraft, der får universets udvidelse til at accelerere. Fænomenet blev opdaget første gang i 1998 ved studier af supernovaer af type Ia.

Supernovaerne har en karakteristisk lysstyrke, og jo svagere en supernova lyser, jo længere er den væk i tid og rum. På den måde beregnes afstanden. Samtidig kan astronomerne bestemme hastigheden, hvormed supernovaerne bevæger sig væk fra os som følge af universets udvidelse. Fidusen er at måle lysets rødforskydning. Jo hurtigere supernovaerne flygter bort gennem rummet, jo mere forskydes lyset fra de eksploderende stjerner over imod de røde bølgelængder. Senere studier af både supernovaer og tusindvis af galakser har vist, at universets udvidelse for alvor fik ekstra fart på for 5-6 milliarder år siden.

Danske astronomer har observeret det fjerneste gamma­glimt nogensinde - sandsynligvis fra en af universets førstefødte kæmpestjerner, som eksploderede for 13 milliarder år siden. På internationalt plan raser debatten: Kan fjerne gammaglimt løse gåden om universets mørke energi?

Der er flere teorier på markedet om, hvad den mørke energi er. Den mest etablerede model går ud på, at den mørke energi udspringer fra selve det tomme rum - en slags vakuumenergi, der skyldes, at virtuelle partikler hele tiden opstår og forsvinder. Teorien har den umiskendelige charme, at eksperimenter har påvist, at vakuumenergi rent faktisk findes og kan udøve en meget svag frastødende kraft.

De fleste kosmologer mener, at vakuumenergien opfører sig som en kosmologisk konstant; dvs. at en kubikmeter af det tomme rum altid indeholder præcis den samme mængde energi og har gjort det lige siden universets skabelse. Modellen kan forklare, hvorfor universet udvider sig hurtigere og hurtigere. For i takt med universets fortløbende udvidelse øges mængden af vakuumenergi, fordi det tomme rum vokser, mens den gensidige massetiltrækning mellem galakserne formindskes, efterhånden som de kommer længere og længere væk fra hinanden. Derfor vinder den mørke energi i det lange løb over tyngdekraften.

I december 2005 offentliggjorde en interna­tional gruppe af astronomer resultaterne af Supernova Legacy Survey. Her blev hastigheden af universets udvidelse målt otte milliarder lysår tilbage i tiden ved hjælp af 70 supernovaeksplosioner, som har fundet sted i løbet af epoken. Studiet peger på, at styrken af vakuumenergien har været ens gennem hele perioden, og resultaterne støtter således teorien om, at den mørke energi er en kosmologisk konstant.

Men man kan ikke være sikker - med mindre det lykkes at måle udvidelseshastigheden gennem hele universets levetid, og her slår almindelige supernovaer ikke til som standardlyskilder, fordi de ikke lyser stærkt nok til at kunne ses helt tilbage til universets barndom.

»Hvis det bliver muligt at standardisere meget fjerne gammaglimt ligesom supernovaer, kan de blive den målepind, som kan løse opgaven og kortlægge hastigheden af universets udvidelse helt tilbage til dannelsen af de første stjerner,« siger Darach Watson.

Netop det trick har Brad Schaefer fra Louisiana State University forsøgt sig med, og hans resultater passer ikke med teorien om mørk energi som en konstant størrelse. Men heldigvis byder de kosmologiske modeller da så sandelig også på flere spændende muligheder!

En af hypoteserne er ret så eksotisk; nemlig at tyngdekraften med tiden siver over i ukendte dimensioner, hvilket gradvist forstærker den mørke energis frastødning. En anden idé er mere ligetil; nemlig at mørk energi slet ikke eksisterer, men at den generelle relativitetsteori bryder sammen over de helt store kosmologiske afstande. Endelig er der en fjerde mulighed, og den passer som fod i hose med de resultater, som Schaefer annoncerede på januarmødet i American Astronomical Society.

Hypotesen går ud på, at mørk energi udspringer af et ukendt kosmisk energifelt, som teoretikerne kalder quintessens; en femte naturkraft, der modvirker tyngdekraften. Feltets styrke er ikke konstant, men har forandret sig i løbet af universets lange historie. Brad Schaefer analyserede eftergløden fra 52 tidlige gamma­glimt, inklusive det allerfjerneste, som de danske astronomer har opdaget. Netop de fjerneste glimt er i følge Schaefer meget mere lysstærke, end man må forvente, hvis den mørke energi er konstant. Hvis resultaterne holder, udøvede den variable mørke energi faktisk en tiltrækning i universets barndom - ligesom tyngdekraften - men har i løbet af de seneste 10 mil­liarder år skiftet karakter og er blevet mere og mere frastødende.

Schaefers analyse er endnu ikke publiceret i et videnskabeligt tidsskrift, og flere af astronomerne på mødet var stærkt tvivlende overfor, om vi ved tilstrækkeligt om fjerne gammaglimt til at kunne bruge dem som standardlyskilder.

»En absolut forudsætning for, at fjerne gammaglimt kan anvendes til at bestemme udvidelseshastigheden i det tidlige univers, er at vi kan standardisere dem præcis ligesom med supernovaerne. Så langt er vi ikke nået endnu, og Brad Schaefer er lige hurtig nok med sine konklusioner,« siger Darach Watson.

En forudsætning for standardisering af de fjerneste gammaglimt er langt flere observationer, så man kan se et mønster. Et stort antal er især nødvendigt, fordi de fjerneste gamma­glimt adskiller sig fra de mere nære og bedre undersøgte gammaglimt. Her falder styrken af lysudsendelsen jævnt, men i de allerfjerneste gammaglimt - som det nyopdagede for 13 milliarder år siden - bølger lysudsendelsen op og ned i en kort periode. En mulig forklaring er, at de tidlige kæmpestjerner var så store, at de kollapsede i flere trin.

Selv hvis det lykkes at identificere et mønster, er der behov for en præcis afstandsbestemmelse til de nærmeste urgamle gammaglimt, så man kan bestemme afstande længere tilbage i tid og rum ud fra en rimeligt pålidelig kosmologisk kilometersten.

»Det kan måske blive muligt at opnå en standardisering. Den bedste chance er, hvis der er en klar sammenhæng mellem gammastrålernes bølgelængde og glimtets lysstyrke. I givet fald kan vi bestemme bølgelængden og beregne lysstyrken og dermed få et udgangspunkt for at beregne afstanden. En anden mulighed er, hvis der er et mønster i den hårde gammastråling i starten af glimtet, den efterfølgende blødere gammastråling og lysstyrken,« siger Darach Watson.

»Vi har ikke observeret nok fjerne gamma­glimt til at vide, om der findes sådanne sammenhænge. Alligevel er Schaefers analyse interessant, selv om konklusionen hviler på et usikkert grundlag,« siger Darach Watson.