Universets form: geometri, topologi og det observerbare univers

Opdag universets form: geometri, topologi og det observerbare univers — forstå fladhed, krumning og hvordan observationer afslører kosmos' skjulte struktur.

Universets form kan ikke diskuteres ved hjælp af almindelige dagligdags begreber alene, fordi de relevante begreber må komme fra Einsteins relativitetsteori. Universets geometri er derfor ikke nødvendigvis den velkendte euklidiske geometri, som vi møder i dagligdagen; rumtidens geometri beskrives af den generelle relativitetsteori og afhænger af, hvordan energi og masse fordeler sig.

Relativitet og samtidighed

Ifølge den specielle relativitetsteori er det umuligt at tale om absolut samtidighed for to begivenheder, der er adskilt i rummet: to observatører i forskelligt bevægelsestilstand kan ikke nødvendigvis blive enige om, om begivenheder sker "på samme tid". Det betyder, at udtrykket "universets form på et bestemt tidspunkt" kræver en præcis definition af, hvilken tidskoordinat eller hvilken familiesætning af rumtidssnit man bruger.

I kosmologi benytter man ofte en særlig tidskoordinering, kaldet kosmisk tid, som bygger på den kosmiske mikrobølgebaggrunds (CMB) referenceframe. I denne kosmiske hvileframe kan man definere et meningsfuldt "øjebliksbillede" af universet — det er denne opdeling der ligger til grund for de mest anvendte kosmologiske modeller (f.eks. FLRW-modellerne).

Lokal geometri: krumning

Astrofysikere spørger sig selv, om en bestemt model af universet er i overensstemmelse med observationer og målinger. En vigtig del af dette er krumning: lokal rumtidskrumning fortæller os, hvordan parallelle geodæter nærmer sig eller fjerner sig, og påvirker lysstrålers vej. Krumningen bestemmes af universets indholds energi og tryk (mørkt stof, baryonisk stof, mørk energi, stråling).

Det meste af den præcise information om rumlig krumning kommer fra analyse af anisotropier i den kosmiske mikrobølgebaggrund samt kombinationer af data fra supernovaer type Ia, baryoniske akustiske oscillationer og gravitationslinseeffekter. Nylige målinger har fået NASA og andre myndigheder til at sammenfatte, at "vi nu ved, at universet er fladt med kun 0,4 % fejlmargin" i den forstand, at den totale tæthed parameter Ω_tot ligger meget tæt på 1. Inden for den standardkosmologiske FLRW-model er den mest populære løsning, der passer til nutidens observationsdata, den rumligt flade model; men små afvigelser er ikke udelukket, og alternative modeller kan også give god pasform til dataene.

Global geometri og topologi

Overvejelser om universets form opdeles ofte i to dele:

1. lokalgeometri, som især vedrører universets krumning — især i det observerbare univers,
2. global geometri, som vedrører universets topologi som helhed, og som måske ikke kan måles.

Topologi handler om, hvordan rummets forskellige punkter er forbundet på store skalaer. Et rum kan være lokalt fladt (ingen lokal krumning) men globalt multikoblet — for eksempel kan et fladt rum have formen som en 3-torus (et tredimensionelt "donut"-lignende rum), hvor en ret linje forlader rummet i én retning og kommer ind i den modsatte. Sådanne topologiske strukturer gør et ellers uendeligt udseende rum finitt, men uden lokal krumning.

Topologi kan i princippet erkendes gennem observationer (f.eks. ved at finde gentagelser i kosmiske strukturer eller cirkler i CMB), men hvis topologiske skalaer er meget større end det observerbare univers, vil vi aldrig kunne afgøre dem empirisk.

Det observerbare univers

Det observerbare univers er det sfæriske volumen, en kugle centreret omkring observatøren, inden for hvilket lys har haft tid til at nå os siden universets begyndelse. Radiusen af denne kugle afhænger af universets ekspansionshistorie; i nutidige beregninger er den omtrent 46,5 milliarder lysår på trods af, at universet kun er ~13,8 milliarder år gammelt (ekspansionen strækker bølgernes rejsetid og afstande). Hvert sted i universet har sit eget observerbare univers, og to observerbares kan overlappe delvist eller være forskudt.

Hvordan måler vi form og sammensætning?

De vigtigste observationsmetoder er:

• Studier af anisotropier i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), især fra satellitter som WMAP og Planck.
• Type Ia-supernovaer som standardlys for bestemmelse af ekspansionshistorien.
• Baryoniske akustiske oscillationer (BAO) i galaksefordelingen, som giver en standardlængde.
• Gravitationslinser og målinger af vækstens hastighed i strukturdannelse, der begrænser mængden af mørkt stof.

Kombinationen af disse målinger giver i dag en konsistent model: et univers der på store skalaer er meget tæt på rumligt fladt, domineret af mørk energi og mørkt stof. Men spørgsmålet om global topologi og om universet er endeligt eller uendeligt i rummet forbliver åbent, så længe vores observationer er begrænset til det observerbare volumen.

Samlet set kræver præcise udsagn om "universets form" både teoretisk klarhed (valg af foliering af rumtid og model) og empirisk støtte fra observationer — og flere målinger i fremtiden kan enten bekræfte den nuværende flade model yderligere eller afsløre små, men vigtige, afvigelser.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvordan ser universets form ud ifølge de nuværende observationer?

Spørgsmål: Hvordan påvirker den specielle relativitetsteori vores forståelse af universets form?

Spørgsmål: Hvilken type geometri bruger astrofysikere, når de diskuterer universets form?

Spørgsmål: Er alle steder i universet en del af et observerbart univers?

Spørgsmål: Hvad menes der med "flad", når der henvises til en model til beskrivelse/forudsigelse af aspekter af universet?

Spørgsmål: Findes der andre modeller, der passer til observationsdata ud over FLRW's uendeligt flade model?

Søg efter bogstav