Forskare har upptäckt att ett mystiskt tryck som kallas "mörk energi" utgör cirka 68% av det totala energiinnehållet i kosmos, men än så länge vet vi inte så mycket mer om det. Att utforska naturen hos mörk energi är en av de främsta anledningarna till att NASA bygger Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), ett rymdteleskop vars mått kommer att hjälpa till att lysa upp det mörka energipusslet. Med en bättre förståelse för mörk energi, vi kommer att få en bättre känsla för universums förflutna och framtida utveckling.

Ett expanderande kosmos

Fram till 1900-talet, de flesta trodde att universum var statiskt, förblir i huvudsak oförändrade genom evigheten. När Einstein utvecklade sin allmänna relativitetsteori 1915, beskriver hur tyngdkraften verkar över väven av rum-tid, han var förbryllad över att finna att teorin angav att kosmos antingen måste expandera eller dra ihop sig. Han gjorde ändringar för att bevara ett statiskt universum, lägga till något han kallade den "kosmologiska konstanten, " även om det inte fanns några bevis för att den faktiskt existerade. Denna mystiska kraft var tänkt att motverka gravitationen för att hålla allt på plats.

Dock, när 1920-talet närmade sig sitt slut, astronomen Georges Lemaitre, och sedan Edwin Hubble, gjorde den häpnadsväckande upptäckten att med mycket få undantag, galaxer rusar iväg från varandra. Universum var långt ifrån statiskt - det svällde utåt. Följaktligen, om vi föreställer oss att spola tillbaka den här expansionen, det måste ha funnits en tid då allt i universum var nästan omöjligt varmt och nära varandra.

Forskare har upptäckt att ett mystiskt tryck som kallas "mörk energi" utgör cirka 68 procent av det totala energiinnehållet i kosmos, men än så länge vet vi inte så mycket mer om det. Att utforska naturen hos mörk energi är en av de främsta anledningarna till att NASA bygger Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), ett rymdteleskop vars mått kommer att hjälpa till att lysa upp det mörka energipusslet. Med en bättre förståelse för mörk energi, vi kommer att få en bättre känsla för universums förflutna och framtida utveckling.

Universums ände:eld eller is?

Big Bang-teorin beskriver universums expansion och utveckling från denna första superheta, supertät tillstånd. Forskare ansåg att gravitationen så småningom skulle sakta ner och möjligen till och med helt vända denna expansion. Om universum hade tillräckligt med materia i sig, gravitationen skulle övervinna expansionen, och universum skulle kollapsa i en eldig "Big Crunch".

Om inte, expansionen skulle aldrig ta slut - galaxer skulle växa längre och längre bort tills de passerar kanten av det observerbara universum. Våra avlägsna ättlingar kanske inte har någon kunskap om existensen av andra galaxer eftersom de skulle vara för långt borta för att vara synliga. Mycket av den moderna astronomi kan en dag reduceras till ren legend när universum gradvis bleknar till isigt svart.

Universum expanderar inte bara – det accelererar

Astronomer har mätt expansionshastigheten genom att använda markbaserade teleskop för att studera relativt närliggande supernovaexplosioner. Mysteriet eskalerade 1998 när Hubble Space Telescope-observationer av mer avlägsna supernovor hjälpte till att visa att universum faktiskt expanderade långsammare tidigare än det gör idag. Universums expansion saktar inte ner på grund av gravitationen, som alla trodde. Det tar fart.

Snabbspola fram till idag. Även om vi fortfarande inte vet exakt vad som orsakar accelerationen, den har fått ett namn - mörk energi. Detta mystiska tryck förblev oupptäckt så länge eftersom det är så svagt att tyngdkraften överväger det på människans skala, planeter och till och med galaxen. Den är närvarande i rummet med dig när du läser, i din kropp, men gravitationen motverkar det så att du inte flyger ur stolen. Det är bara på en intergalaktisk skala som mörk energi blir märkbar, agerar som en sorts svag opposition till gravitationen.

Vad är mörk energi?

Vad är mörk energi egentligen? Mer är okänt än känt, men teoretiker jagar ett par möjliga förklaringar. Kosmisk acceleration kan orsakas av en ny energikomponent, vilket skulle kräva vissa justeringar av Einsteins gravitationsteori - kanske den kosmologiska konstanten, som Einstein kallade sin största blunder, är äkta trots allt.

Alternativt Einsteins gravitationsteori kan gå sönder på kosmologiska skalor. Om detta är fallet, teorin kommer att behöva ersättas med en ny som innehåller den kosmiska acceleration vi har observerat. Teoretiker vet fortfarande inte vad den korrekta förklaringen är, men WFIRST hjälper oss att ta reda på det.

WFIRST kommer att belysa mörk energi

Tidigare uppdrag har samlat några ledtrådar, men hittills har de inte gett resultat som starkt favoriserar en förklaring framför en annan. Med samma upplösning som Hubbles kameror men ett synfält som är 100 gånger större, WFIRST kommer att generera aldrig tidigare sett stora bilder av universum. Det nya uppdraget kommer att främja utforskningen av den mörka energimysteriet på sätt som andra teleskop inte kan genom att kartlägga hur materia är uppbyggd och fördelad över hela kosmos, och även genom att mäta ett stort antal avlägsna supernovor. Resultaten kommer att indikera hur mörk energi verkar över universum, och huruvida och hur det har förändrats under den kosmiska historien.

Uppdraget kommer att använda tre undersökningsmetoder för att söka efter en förklaring till mörk energi. High Latitude Spectroscopic Survey kommer att mäta exakta avstånd och positioner för miljontals galaxer med hjälp av en "standard linjal"-teknik. Att mäta hur fördelningen av galaxer varierar med avstånd kommer att ge oss ett fönster till utvecklingen av mörk energi över tid. Denna studie kommer att koppla samman galaxernas avstånd med ekon av ljudvågor strax efter Big Bang och kommer att testa Einsteins gravitationsteori över universums ålder.

High Latitude Imaging Survey kommer att mäta former och avstånd för mängder av galaxer och galaxhopar. Den enorma gravitationen hos massiva föremål förvränger rumtiden och gör att mer avlägsna galaxer ser förvrängda ut. Att observera graden av förvrängning gör det möjligt för forskare att sluta sig till fördelningen av massa i hela kosmos. Detta inkluderar allt vi kan se direkt, som planeter och stjärnor, såväl som mörk materia - ett annat mörkt kosmiskt mysterium som endast är synligt genom dess gravitationseffekter på normal materia. Denna undersökning kommer att ge ett oberoende mått på tillväxten av storskalig struktur i universum och hur mörk energi har påverkat kosmos.

WFIRST kommer också att genomföra en undersökning av en typ av exploderande stjärna, bygger på de observationer som ledde till upptäckten av accelererad expansion. Typ Ia supernovor uppstår när en vit dvärgstjärna exploderar. Typ Ia supernovor har i allmänhet samma absoluta ljusstyrka vid sin topp, gör dem så kallade "standardljus". Det betyder att astronomer kan avgöra hur långt bort de är genom att se hur ljusa de ser ut från jorden - och ju längre de är, ju mörkare de framstår. Astronomer kommer också att titta på de speciella våglängderna av ljus som kommer från supernovorna för att ta reda på hur snabbt de döende stjärnorna rör sig bort från oss. Genom att kombinera avstånd med ljusstyrkemätningar, forskare kommer att se hur mörk energi har utvecklats över tiden, ger en korskontroll med de två undersökningarna på hög latitud.

"WFIRST-uppdraget är unikt genom att kombinera dessa tre metoder. Det kommer att leda till en mycket robust och rik tolkning av effekterna av mörk energi och kommer att tillåta oss att göra ett definitivt uttalande om mörk energis natur, sa Olivier Doré, en forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, och ledare för teamet som planerar de två första undersökningsmetoderna med WFIRST.

Att upptäcka hur mörk energi har påverkat universums expansion i det förflutna kommer att kasta lite ljus över hur det kommer att påverka expansionen i framtiden. Om det fortsätter att accelerera universums expansion, vi kan vara förutbestämda att uppleva en "Big Rip". I detta scenario, mörk energi skulle så småningom bli dominerande över de grundläggande krafterna, orsakar allt som för närvarande är sammanbundet - galaxer, planeter, människor - att bryta isär. Att utforska mörk energi kommer att tillåta oss att undersöka, och möjligen till och med förutse, universums öde.