två gånger om dagen, sju dagar i veckan, från februari till November under de senaste fyra åren har två forskare lagrat sig med termiska underkläder och ytterkläder, med fleece, flanell, dubbla handskar, dubbla strumpor, vadderade overaller och puffiga röda parkas, mumifierar sig tills de ser ut som dubbla Michelin-män. Sedan går de ut och handlar med värmen och moderna bekvämligheter på en vetenskapsstation (fotboll, Gym, 24-timmars cafeteria) för ett minus-100-graders Fahrenheit formlöst landskap, plattare än Kansas och en av de kallaste platserna på planeten. De traskar i mörkret nästan en mil, över en platå av snö och is, tills de urskilja, mot bakgrund av fler stjärnor än någon hands-in-pocket bakgård observatör någonsin har sett, silhuetten av den gigantiska skivan i South Pole Telescope, där de går med i en global ansträngning för att lösa möjligen den största gåtan i universum: vad det mesta är gjord av.
i tusentals år har vår art studerat natthimlen och undrat om något annat finns där ute. Förra året firade vi 400-årsjubileet för Galileos svar: Ja. Galileo tränade ett nytt instrument, teleskopet, på himlen och såg föremål som ingen annan någonsin sett: hundratals stjärnor, berg på månen, Jupiters satelliter. Sedan dess har vi hittat mer än 400 planeter runt andra stjärnor, 100 miljarder stjärnor i vår galax, hundratals miljarder galaxer bortom vår egen, till och med den svaga strålningen som är ekot från Big Bang.nu tror forskare att även denna extravaganta folkräkning av universum kan vara lika föråldrad som den femplanets kosmos som Galileo ärvde från de gamla. Astronomer har sammanställt bevis för att det vi alltid har tänkt på som det faktiska universum—jag, du, den här tidningen, planeter, stjärnor, galaxer, all materia i rymden—representerar bara 4 procent av vad som faktiskt finns där ute. Resten kallar de, för att ha ett bättre ord, mörkt: 23 procent är något de kallar mörk materia, och 73 procent är något ännu mer mystiskt, som de kallar mörk energi.
”Vi har en fullständig inventering av universum,” Sean Carroll, en California Institute of Technology kosmolog, har sagt, ”och det är meningslöst.”
forskare har några tankar om vad mörk materia kan vara—exotiska och fortfarande hypotetiska partiklar—men de har knappast en aning om mörk energi. I 2003 listade National Research Council ” Vad är naturen av mörk energi?”som ett av de mest pressande vetenskapliga problemen under de kommande decennierna. Chefen för utskottet som skrev rapporten, University of Chicago kosmolog Michael S. Turner, går längre och rankar mörk energi som ”det djupaste Mysteriet i all vetenskap.”ansträngningen att lösa det har mobiliserat en generation astronomer i en omprövning av fysik och kosmologi för att konkurrera och kanske överträffa revolutionen Galileo invigdes på en höstkväll i Padua. De kommer till rätta med en djup ironi: det är själva synen som har förblindat oss för nästan hela universum. Och erkännandet av denna blindhet har i sin tur inspirerat oss att fråga, som för första gången: vad är det här kosmos vi kallar hem?
forskare nådde enighet på 1970-talet om att det fanns mer i universum än vad som möter ögat. I datorsimuleringar av vår galax, Vintergatan, fann teoretiker att centret inte skulle hålla—baserat på vad vi kan se av det, har vår galax inte tillräckligt med massa för att hålla allt på plats. När den roterar bör den sönderfalla, kasta stjärnor och gas i alla riktningar. Antingen bryter en spiralgalax som Vintergatan mot tyngdlagen, eller så är ljuset som härrör från det—från de stora glödande gasmolnen och de otaliga stjärnorna—en felaktig indikation på galaxens massa.
men vad händer om någon del av galaxens massa inte utstrålade ljus? Om spiralgalaxer innehöll tillräckligt med sådan mysteriemassa, kan de mycket väl lyda tyngdlagen. Astronomer kallade den osynliga massan ” mörk materia.”ingen berättade någonsin för oss att all materia utstrålade,”Vera Rubin, en astronom vars observationer av galaxrotationer gav bevis för mörk materia, har sagt. ”Vi antog bara att det gjorde det.”ansträngningen att förstå mörk materia definierade mycket av astronomin under de kommande två decennierna. Astronomer kanske inte vet vad mörk materia är, men att avleda sin närvaro gjorde det möjligt för dem att på ett nytt sätt driva en evig fråga: Vad är universums öde?
de visste redan att universum expanderar. År 1929 hade astronomen Edwin Hubble upptäckt att avlägsna galaxer rörde sig bort från oss och att ju längre bort de kom, desto snabbare tycktes de minska.
detta var en radikal tanke. I stället för det ståtliga, evigt oföränderliga stilleben som universum en gång tycktes vara, levde det faktiskt i tid, som en film. Spola tillbaka filmen av expansionen och universum skulle så småningom nå ett tillstånd av oändlig densitet och energi—vad astronomer kallar Big Bang. Men vad händer om du slår snabbspolning framåt? Hur skulle historien sluta?
universum är fullt av materia, och materia lockar annan materia genom tyngdkraften. Astronomer resonerade att den ömsesidiga attraktionen bland allt som betyder måste sakta ner universums expansion. Men de visste inte vad det slutliga resultatet skulle bli. Skulle gravitationseffekten vara så kraftfull att universum i slutändan skulle sträcka ett visst avstånd, stoppa och vända sig, som en boll som kastas i luften? Eller skulle det vara så litet att universum skulle undkomma sitt grepp och aldrig sluta expandera, som en raket som lämnar jordens atmosfär? Eller levde vi i ett utsökt balanserat universum, där tyngdkraften säkerställer en Guldlock expansionshastighet varken för snabb eller för långsam—så universum skulle så småningom komma till en virtuell stillastående?
förutsatt att det finns mörk materia och att gravitationslagen är universell, bestämde sig två lag av astrofysiker—en ledd av Saul Perlmutter, vid Lawrence Berkeley National Laboratory, den andra av Brian Schmidt, vid Australian National University—för att bestämma universums framtid. Under 1990-talet analyserade de rivaliserande lagen ett antal exploderande stjärnor, eller supernovor, med hjälp av de ovanligt ljusa, kortlivade avlägsna föremålen för att mäta universums tillväxt. De visste hur ljusa supernovorna skulle visas på olika punkter över universum om expansionshastigheten var enhetlig. Genom att jämföra hur mycket ljusare supernovorna faktiskt visade sig, tänkte astronomer att de kunde bestämma hur mycket universums expansion saktade ner. Men till astronomernas förvåning, när de såg så långt som halvvägs över universum, sex eller sju miljarder ljusår bort, fann de att supernovorna inte var ljusare—och därför närmare—än väntat. De var dimmer—det vill säga mer avlägsna. De två lagen drog båda slutsatsen att universums expansion inte saktar ner. Det går fortare.
implikationen av den upptäckten var betydelsefull: det innebar att den dominerande kraften i universums utveckling inte är gravitation. Det är det…något annat. Båda lagen meddelade sina resultat 1998. Turner gav” något ” ett smeknamn: mörk energi. Det fastnade. Sedan dess har astronomer förföljt mysteriet med mörk energi till jordens ändar-bokstavligen.
”sydpolen har den hårdaste miljön på jorden, men också den mest godartade”, säger William Holzapfel, en University of California i Berkeley astrofysiker som var den ledande forskaren på plats vid South Pole Telescope (SPT) när jag besökte.
han hänvisade inte till vädret, men i veckan mellan jul och nyårsdag—försommaren på södra halvklotet—solen sken dygnet runt, temperaturerna var knappt i minus enstaka siffror (och en dag bröt till och med noll), och vinden var mestadels lugn. Holzapfel gjorde promenad från National Science Foundations Amundsen-Scott South Pole Station (ett snöbollkast från den traditionella platsen för Polen själv, som är märkt med, ja, en stolpe) till teleskopet med jeans och löparskor. En eftermiddag blev teleskopets laboratoriebyggnad så varm att besättningen öppnade en dörr.
men från en astronom perspektiv, inte förrän solen går ner och stannar ner—Mars till September— blir Sydpolen ”godartad.”
”det är sex månader av oavbruten data”, säger Holzapfel. Under det 24-timmars mörkret i austral höst och vinter, fungerar teleskopet nonstop under oklanderliga förhållanden för astronomi. Atmosfären är tunn (Polen är mer än 9300 fot över havet, varav 9000 är is). Atmosfären är också stabil på grund av frånvaron av uppvärmnings-och kylningseffekterna av en stigande och nedgående sol; Polen har några av de lugnaste vindarna på jorden, och de blåser nästan alltid från samma riktning.
kanske viktigast för teleskopet, luften är exceptionellt torr; tekniskt sett är Antarktis en öken. (Chapped händer kan ta veckor att läka, och svettning är inte riktigt en hygienfråga, så begränsningen till två duschar i veckan för att spara vatten är inte mycket av ett problem. Som en pole veteran sa till mig, ” det ögonblick du går tillbaka genom tullen vid Christchurch, det är då du behöver en dusch.”) SPT upptäcker mikrovågor, en del av det elektromagnetiska spektrumet som är särskilt känsligt för vattenånga. Fuktig luft kan absorbera mikrovågor och hindra dem från att nå teleskopet, och fukt avger sin egen strålning, vilket kan misstolkas som kosmiska signaler.för att minimera dessa problem har astronomer som analyserar mikrovågor och submillimetervågor gjort Sydpolen till ett andra hem. Deras instrument finns i den mörka sektorn, ett tätt kluster av byggnader där ljus och andra källor till elektromagnetisk strålning hålls till ett minimum. (I närheten finns den tysta sektorn, för seismologisk forskning och ren luft, för klimatprojekt.)
astronomer gillar att säga att för mer orörda observationsförhållanden skulle de behöva gå in i yttre rymden—ett exponentiellt dyrare förslag, och en som NASA i allmänhet inte gillar att driva om inte vetenskapen inte lätt kan göras på jorden. (En mörk energisatellit har varit på och utanför ritbordet sedan 1999, och förra året gick ”tillbaka till ruta ett”, Enligt en NASA-rådgivare.) Åtminstone på jorden, om något går fel med ett instrument, behöver du inte beordra en rymdfärja för att fixa den.Förenta staterna har behållit en året runt närvaro vid polen sedan 1956, och nu har National Science Foundations amerikanska Antarktisprogram fått liv där ner till en vetenskap. Fram till 2008 var stationen inrymd i en geodetisk kupol vars krona fortfarande är synlig ovanför snön. Den nya basstationen liknar ett litet kryssningsfartyg mer än en avlägsen utpost och sover mer än 150, allt i privata kvarter. Genom portholes som kantar de två våningarna, kan du begrunda en horisont som hypnotiskt nivå som någon ocean. Den nya stationen vilar på hissar som, som snö ackumuleras, tillåter det att jacked upp två fulla historier.snöfallet i denna ultratorra region kan vara minimal, men det som blåser in från kontinentens kanter kan fortfarande göra en röra, vilket skapar en av de mer vardagliga uppgifterna för SPT: s vinterbesättning. En gång i veckan under de mörka månaderna, när stationspopulationen krymper till cirka 50, måste de två SPT-forskarna på plats klättra in i teleskopets 33 fot breda mikrovågsskål och sopa den ren. Teleskopet samlar in data och skickar det till stationära datorer av avlägsna forskare. De två ”winter-overs” spenderar sina dagar på att arbeta med uppgifterna och analyserar det som om de var hemma. Men när teleskopet träffar en glitch och ett larm på sina bärbara datorer låter, måste de ta reda på vad problemet är—snabbt.
”en timmes nedtid är tusentals dollar förlorad observationstid”, säger Keith Vanderlinde, en av 2008s två vinterövergångar. ”Det finns alltid små saker. En fläkt kommer att gå sönder eftersom det är så torrt där nere, all smörjning försvinner. Och då kommer datorn att överhettas och stänga av sig själv, och plötsligt är vi nere och vi har ingen aning om varför.”Vid den tiden kanske miljön inte verkar så” godartad ” trots allt. Inga flygningar går till eller från Sydpolen från Mars till oktober (ett Planets motorolja skulle gelatinisera), så om vinterövergångarna inte kan fixa vad som är trasigt, förblir det trasigt-vilket ännu inte har hänt.
mer än de flesta vetenskaper beror astronomin på synen; innan astronomer kan föreställa sig universum som helhet måste de först ta reda på hur man uppfattar de mörka delarna. Att veta vad mörk materia är skulle hjälpa forskare att tänka på hur universums struktur bildas. Att veta vad mörk energi gör skulle hjälpa forskare att tänka på hur den strukturen har utvecklats över tiden—och hur den kommer att fortsätta att utvecklas.
forskare har ett par kandidater för sammansättningen av mörk materia—hypotetiska partiklar som kallas neutralinos och axioner. För mörk energi är utmaningen dock att ta reda på inte vad det är utan hur det är. I synnerhet vill astronomer veta om mörk energi förändras över tid och rum, eller om den är konstant. Ett sätt att studera det är att mäta så kallade Baryon akustiska svängningar. När universum fortfarande var i sin linda, bara 379 000 år gammal, kyldes det tillräckligt för att baryoner (partiklar gjorda av protoner och neutroner) skulle skilja sig från fotoner (ljuspaket). Denna separation lämnade ett avtryck-kallat cosmic microwave background-som fortfarande kan upptäckas idag. Den innehåller ljudvågor (”akustiska svängningar”) som gick igenom spädbarnsuniverset. Topparna i dessa svängningar representerar regioner som var något tätare än resten av universum. Och eftersom Materia lockar materia genom tyngdkraften växte dessa regioner ännu tätare när universum åldrades, sammanfogade först till galaxer och sedan till kluster av galaxer. Om astronomer jämför de ursprungliga kosmiska mikrovågsbakgrundsoscillationerna med fördelningen av galaxer i olika stadier av universums historia, kan de mäta graden av universums expansion.
ett annat tillvägagångssätt för att definiera mörk energi innefattar en metod som kallas gravitationslinsning. Enligt Albert Einsteins teori om allmän relativitet verkar en ljusstråle som reser genom rymden böja på grund av materiens gravitation. (Egentligen är det rymden själv som böjer, och ljuset går bara med på resan.) Om två kluster av galaxer ligger längs en enda siktlinje, kommer förgrundsklustret att fungera som en lins som snedvrider ljus som kommer från bakgrundsklustret. Denna förvrängning kan berätta för astronomerna massan av förgrundsklustret. Genom att sampla miljontals galaxer i olika delar av universum bör astronomer kunna uppskatta den hastighet med vilken galaxer har klumpat sig i kluster över tiden, och den hastigheten kommer i sin tur att berätta för dem hur snabbt universum expanderade på olika punkter i sin historia.South Pole Telescope använder en tredje teknik, kallad Sunyaev-Zel ’ dovich-effekten, uppkallad efter två sovjetiska fysiker, som bygger på den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Om en foton från den senare interagerar med het gas i ett kluster, upplever den en liten ökning av energin. Genom att upptäcka denna energi kan astronomer kartlägga dessa kluster och mäta påverkan av mörk energi på deras tillväxt genom universums historia. Det är åtminstone hoppet. ”Många människor i samhället har utvecklat vad jag tycker är en hälsosam skepsis. De säger, ”Det är bra, men visa oss pengarna”, säger Holzapfel. ”Och jag tror att vi inom ett år eller två kommer att kunna göra det.”SPT-teamet fokuserar på galaxkluster eftersom de är de största strukturerna i universum, som ofta består av hundratals galaxer—de är en miljon miljarder gånger solens massa. När mörk energi driver universum att expandera, kommer galaxkluster att ha svårare att växa. De kommer att bli mer avlägsna från varandra, och universum blir kallare och ensamare.
galaxkluster ”är ungefär som kanariefåglar i en kolgruva när det gäller strukturbildning”, säger Holzapfel. Om tätheten av mörk materia eller egenskaperna hos mörk energi skulle förändras, skulle överflöd av kluster ”vara det första som skulle ändras.”South Pole Telescope borde kunna spåra galaxkluster över tiden. ”Du kan säga,” för så många miljarder år sedan, hur många kluster var det, och hur många finns det nu?”säger Holzapfel. ”Och jämför dem sedan med dina förutsägelser.”
ändå kommer alla dessa metoder med en varning. De antar att vi tillräckligt förstår tyngdkraften, som inte bara är den kraft som motsätter sig mörk energi utan har varit själva grunden för fysiken under de senaste fyra århundradena.
tjugo gånger per sekund, en laser hög i Sacramento Mountains i New Mexico syftar en puls av ljus på månen, 239.000 miles away. Strålens mål är en av tre reflektorer i resväskstorlek som Apollo-astronauterna planterade på månytan för fyra decennier sedan. Fotoner från strålen studsar av spegeln och återvänder till New Mexico. Total resetid: 2,5 sekunder, mer eller mindre.
att ”mer eller mindre” gör hela skillnaden. Genom att tajma ljusets hastighet kan forskare vid Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO) mäta jordmånens avstånd från ögonblick till ögonblick och kartlägga månens bana med utsökt precision. Som i den apokryfiska berättelsen om Galileo som släpper bollar från det lutande tornet i Pisa för att testa universaliteten av fritt fall, behandlar APOLLO jorden och månen som två bollar som faller i solens gravitationsfält. Mario Livio, en astrofysiker vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, kallar det ett ”helt otroligt experiment.”Om månens bana uppvisar även den minsta avvikelsen från Einsteins förutsägelser, kan forskare behöva ompröva hans ekvationer—och kanske till och med förekomsten av mörk materia och mörk energi.
”hittills håller Einstein”, säger en av Apollos ledande observatörer, astronomen Russet McMillan, när hennes femåriga projekt passerar halvvägs.
även om Einstein inte höll, måste forskare först eliminera andra möjligheter, till exempel ett fel i måttet på jordens, månens eller solens massa, innan man medger att den allmänna relativiteten kräver en korrigerande. Ändå vet astronomer att de tar tyngdkraften för givet på egen risk. De har dragit slutsatsen om förekomsten av mörk materia på grund av dess gravitationseffekter på galaxer och förekomsten av mörk energi på grund av dess anti-gravitationseffekter på universums expansion. Vad händer om antagandet bakom dessa dubbla slutsatser—att vi vet hur tyngdkraften fungerar—är fel? Kan en teori om universum ännu mer outlandish än en positing mörk materia och mörk energi redogöra för bevisen? För att ta reda på, testar forskare tyngdkraften inte bara över universum utan över bordsskivan. Fram till nyligen hade fysiker inte mätt tyngdkraften på extremt nära håll.
” förvånande, är det inte?”säger Eric Adelberger, koordinator för flera gravitationsexperiment som äger rum i ett laboratorium vid University of Washington, Seattle. ”Men det skulle inte vara förvånande om du försökte göra det”—om du försökte testa tyngdkraften på avstånd kortare än en millimeter. Att testa gravitation handlar inte bara om att sätta två objekt nära varandra och mäta attraktionen mellan dem. Alla möjliga andra saker kan utöva ett gravitationspåverkan.
”det finns metall här”, säger Adelberger och pekar på ett närliggande instrument. ”Det finns en sluttning här” – vinkar mot någon punkt förbi betongväggen som omger laboratoriet. ”Det finns en sjö där borta.”Det finns också grundvattennivån i jorden, som ändras varje gång det regnar. Sedan finns jordens rotation, solens position, den mörka materien i hjärtat av vår galax.under det senaste decenniet har Seattle-laget mätt gravitationsattraktionen mellan två objekt på mindre och mindre avstånd, ner till 56 mikron (eller 1/500 tum), bara för att se till att Einsteins ekvationer för gravitation håller sant på de kortaste avstånden också. Hittills gör de det.men även Einstein insåg att hans teori om allmän relativitet inte helt förklarade universum. Han tillbringade de senaste 30 åren av sitt liv och försökte förena sin fysik av den mycket stora med fysiken i den mycket små kvantmekaniken. Han misslyckades.
teoretiker har kommit med alla möjliga möjligheter i ett försök att förena generell relativitet med kvantmekanik: parallella universum, kolliderande universum, bubbeluniverser, universum med extra dimensioner, universum som evigt reproducerar, universum som studsar från Big Bang till Big Crunch till Big Bang.Adam Riess, en astronom som samarbetade med Brian Schmidt om upptäckten av mörk energi, säger att han ser varje dag på en webbplats (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) där forskare publicerar sina analyser för att se vilka nya ideer som finns där ute. ”De flesta av dem är ganska kooky”, säger han. ”Men det är möjligt att någon kommer ut med en djup teori.”
för alla dess framsteg visar sig astronomi ha arbetat under ett felaktigt, om rimligt antagande: vad du ser är vad du får. Nu måste astronomer anpassa sig till tanken att universum inte är saker av oss—i den stora planen av saker, vår art och vår planet och vår galax och allt vi någonsin har sett är, som teoretisk fysiker Lawrence Krauss från Arizona State University har sagt, ”lite förorening.”
men kosmologer tenderar inte att avskräckas. ”De riktigt svåra problemen är stora, ”säger Michael Turner,” för vi vet att de kommer att kräva en galen ny ide.”Som Andreas Albrecht, en kosmolog vid University of California i Davis, sa vid en ny konferens om mörk energi: ”Om du lägger tidslinjen för vetenskapens historia före mig och jag kunde välja när som helst och fält, det är här jag skulle vilja vara.”Richard Panek skrev om Einstein för Smithsonian 2005. Hans bok om mörk materia och mörk energi kommer att visas 2011.
