To forskere to gange om dagen, syv dage om ugen, fra februar til november i de sidste fire år, har to forskere lagdelt sig med termisk undertøj og overtøj, med fleece, flanel, dobbelthandsker, dobbelt sokker, polstret overalls og puffede røde parkaer, mumrer sig selv indtil de ligner tvillede Michelin-mænd. Derefter træder de ud og handler med en videnskabsstations varme (moderne fodbold, fitnesscenter, døgnåbent cafeteria) med et 100-graders Fahrenheit, som er uden funktion, fladere end Kansas og et af de koldeste steder på planeten. De trasker i mørke næsten en kilometer over et plateau af sne og is, indtil de skelner på baggrund af flere stjerner end nogen hænder i lommen baghaven, der nogensinde har set, silhuetten af den gigantiske disk på Sydpols-teleskopet, hvor de deltager i en global indsats for at muligvis løse den største gåte i universet: hvad det meste af det er lavet af.
Relateret indhold
- The Doomed South Pole Voyages resterende fotografier
I tusinder af år har vores art undersøgt nattehimmelen og spekuleret på, om der er noget andet derude. Sidste år fejrede vi 400-årsdagen for Galileos svar: Ja. Galileo trænede et nyt instrument, teleskopet, i himlen og så objekter, som ingen anden person nogensinde havde set: hundreder af stjerner, bjerge på Månen, Jupiters satellitter. Siden da har vi fundet mere end 400 planeter omkring andre stjerner, 100 milliarder stjerner i vores galakse, hundreder af milliarder af galakser ud over vores egen, endda den svage stråling, der er ekkoet af Big Bang.
Nu tror forskere, at selv denne ekstravagante folketælling om universet kan være lige så forældet som det femplanet-kosmos, som Galileo arvet fra de gamle. Astronomer har samlet bevis for, at det, vi altid har tænkt på som det egentlige univers - mig, du, dette magasin, planeter, stjerner, galakser, alt det rum i rummet - repræsenterer kun 4 procent af det, der faktisk er derude. Resten kalder de, af mangel på et bedre ord, mørke: 23 procent er noget, de kalder mørk materie, og 73 procent er noget endnu mere mystisk, som de kalder mørk energi.
"Vi har en komplet opgørelse over universet, " har Sean Carroll, en kosmolog fra California Institute of Technology, sagt, "og det giver ingen mening."
Forskere har nogle ideer om, hvad mørkt stof kan være - eksotiske og stadig hypotetiske partikler - men de har næppe en anelse om mørk energi. I 2003 opførte det nationale forskningsråd ”What is the Nature of Dark Energy?” Som et af de mest presserende videnskabelige problemer i de kommende årtier. Lederen af det udvalg, der skrev rapporten, University of Chicago kosmolog Michael S. Turner, går videre og rangerer mørk energi som ”det mest dybe mysterium i hele videnskaben.”
Bestræbelserne på at løse det har mobiliseret en generation af astronomer i en genovervejelse af fysik og kosmologi for at konkurrere og måske overgå den revolution, Galileo indviede på en efterårsaften i Padua. De kommer til udtryk med en dyb ironi: det er selve synet, der har blindet os for næsten hele universet. Og anerkendelsen af denne blindhed har på sin side inspireret os til at spørge, som for første gang: Hvad er dette kosmos, vi kalder hjem?
Forskere nåede en enighed i 1970'erne om, at der var mere i universet end møder øjet. I computersimuleringer af vores galakse, Mælkevejen, fandt teoretikere, at centrum ikke ville holde - baseret på hvad vi kan se om det, har vores galakse ikke nok masse til at holde alt på plads. Når den roterer, skal den desintegrere og kaste stjerner og gas i alle retninger. Enten en spiralgalakse som Mælkevejen overtræder tyngdekraften, eller lyset, der udspringer fra det - fra de enorme glødende skyer af gas og de utallige stjerner - er en unøjagtig indikation af galakasmassen.
Men hvad nu hvis en del af en galakas masse ikke udstråler lys? Hvis spiralgalakser indeholdt nok af sådan en mystisk masse, kunne de godt overholde tyngdekraften. Astronomer kaldte den usynlige masse "mørk materie."
”Ingen har nogensinde fortalt os, at al materie udstrålte, ” siger Vera Rubin, en astronom, hvis observationer af galakserotationer gav bevis for mørk stof. ”Vi antog bare, at det gjorde det.”
Arbejdet med at forstå mørkt stof definerede meget af astronomien i de næste to årtier. Astronomer ved muligvis ikke, hvad mørk materie er, men ved at udlede dens tilstedeværelse gjorde det muligt for dem at forfølge på en ny måde et evigt spørgsmål: Hvad er universets skæbne?
De vidste allerede, at universet ekspanderer. I 1929 havde astronomen Edwin Hubble opdaget, at fjerne galakser bevægede sig væk fra os, og at jo længere de kom, jo hurtigere syntes de at forsvinde.
Dette var en radikal idé. I stedet for det staselige, evigt uforanderlige stilleben, som universet engang syntes at være, levede det faktisk i tide som en film. Spol filmen om ekspansion og universet til sidst ville nå en tilstand af uendelig tæthed og energi - hvad astronomer kalder Big Bang. Men hvad hvis du rammer hurtigt fremad? Hvordan ville historien ende?
Universet er fuld af stof, og stof tiltrækker andet stof gennem tyngdekraften. Astronomer begrundede, at den gensidige tiltrækning blandt al den materie skal bremse universets udvidelse. Men de vidste ikke, hvad det ultimative resultat ville være. Ville tyngdekraften være så kraftig, at universet i sidste ende ville strække sig en vis afstand, stoppe og vende sig selv, som en kugle kastet i luften? Eller ville det være så lille, at universet ville undslippe sit greb og aldrig ophøre med at udvide sig, som en raket, der forlader Jordens atmosfære? Eller levede vi i et udsøgt afbalanceret univers, hvor tyngdekraften sikrer en Goldilocks-ekspansionshastighed hverken for hurtigt eller for langsomt - så universet til sidst ville komme til at virke stille?
Antagende om eksistensen af mørk stof og at gravitationen er universel, to hold af astrofysikere - det ene ledet af Saul Perlmutter, ved Lawrence Berkeley National Laboratory, det andet af Brian Schmidt, ved det australske National University - med det formål at bestemme fremtiden af universet. I løbet af 1990'erne analyserede de rivaliserende hold nøje en række eksploderende stjerner eller supernovas ved hjælp af disse usædvanligt lyse, kortvarige fjerne objekter til at måle universets vækst. De vidste, hvor lyse supernoverne skulle vises på forskellige punkter i hele universet, hvis ekspansionstakten var ens. Ved at sammenligne hvor meget lysere supernoverne faktisk optrådte, regnede astronomer med at de kunne bestemme, hvor meget udvidelsen af universet bremsede. Men til astronomernes overraskelse, da de så så langt ud på tværs af universet, seks eller syv milliarder lysår væk, fandt de, at supernoverne ikke var lysere - og derfor nærmere - end forventet. De var svagere - det vil sige mere fjernt. De to hold konkluderede begge, at udvidelsen af universet ikke bremser. Det går hurtigere.
Implikationen af denne opdagelse var vigtig: det betød, at den dominerende kraft i universets udvikling ikke er tyngdekraften. Det er ... noget andet. Begge hold annoncerede deres fund i 1998. Turner gav "noget" et kaldenavn: mørk energi. Det gik fast. Siden da har astronomer forfulgt mysteriet om mørk energi til jordens ender - bogstaveligt talt.
”Sydpolen har det hårdeste miljø på Jorden, men også det mest godartede, ” siger William Holzapfel, et universitet i Californien i Berkeley-astrofysiker, der var den førende forsker på stedet ved South Pole Telescope (SPT), da jeg besøgte.
Han henviste ikke til vejret, skønt i ugen mellem jul og nytårsdag - forsommeren på den sydlige halvkugle - solen skinnede døgnet rundt, var temperaturerne næppe minus minus cifre (og en dag brød endda nul ), og vinden var for det meste rolig. Holzapfel tog turen fra National Science Foundation Amundsen-Scott South Pole Station (et sneboldkast fra det traditionelle sted for selve stangen, der er markeret med, ja, en stang) til teleskopet iført jeans og løbesko. En eftermiddag blev teleskopets laboratoriebygning så varm, at besætningen sprang op for en dør.
Men fra en astronoms perspektiv, ikke før Solen går ned og forbliver nede - marts til september - får Sydpolen "godartet."
”Det er seks måneders uafbrudt data, ” siger Holzapfel. I løbet af det døgnåbne mørke i den australske efterår og vinter opererer teleskopet direkte under upåklagelige betingelser for astronomi. Atmosfæren er tynd (polen er over 9.300 fod over havets overflade, hvoraf 9.000 er is). Atmosfæren er også stabil på grund af fraværet af varme- og afkølingseffekterne af en stigende og nedgående sol; polen har nogle af de roligste vinder på Jorden, og de blæser næsten altid fra samme retning.
Måske vigtigst for teleskopet, luften er usædvanligt tør; teknisk set er Antarktis en ørken. (Chappede hænder kan tage uger at heles, og sved er ikke rigtig et hygiejnespørgsmål, så begrænsningen til to brusere om ugen for at spare på vand er ikke meget af et problem. Som en pol-veteran fortalte mig, ”I det øjeblik du går tilbage gennem tolden i Christchurch [New Zealand], det er når du har brug for et brusebad. ”) SPT registrerer mikrobølger, en del af det elektromagnetiske spektrum, der er særlig følsom over for vanddamp. Fugtig luft kan absorbere mikrobølger og forhindre dem i at nå teleskopet, og fugt udsender sin egen stråling, som kunne blive fejlagtigt læst som kosmiske signaler.
For at minimere disse problemer har astronomer, der analyserer mikrobølger og submillimeterbølger, gjort Sydpolen til et andet hjem. Deres instrumenter bor i Dark Sector, en tæt klynge af bygninger, hvor lys og andre kilder til elektromagnetisk stråling holdes på et minimum. (I nærheden ligger den stille sektor for seismologiforskning og den rene luftsektor for klimaprojekter.)
Astronomer vil gerne sige, at for mere uberørte observationsforhold, skulle de gå ud i det ydre rum - et eksponentielt dyrere forslag, og et, som NASA generelt ikke kan lide at forfølge, medmindre videnskaben ikke let kan gøres på Jorden. (En mørk energi-satellit har været på og fra tegnebrættet siden 1999, og sidste år gik ”tilbage til firkant en”, ifølge en NASA-rådgiver.) I det mindste på Jorden, hvis noget går galt med et instrument, gør du det ikke Det er nødvendigt at kommandere en rumfærgen for at ordne den.
De Forenede Stater har opretholdt en helårs tilstedeværelse ved polen siden 1956, og nu har National Science Foundation's US Antarctic Program fået livet dernede til, vel, en videnskab. Indtil 2008 var stationen placeret i en geodesisk kuppel, hvis krone stadig er synlig over sneen. Den nye basestation ligner et lille krydstogtskib mere end en fjerntliggende forpost og sover mere end 150, alt sammen i private kvarterer. Gennem portholderne, der linjer de to etager, kan du overveje en horisont lige så hypnotisk som ethvert hav. Den nye station hviler på elevatorer, som, når sneen samler sig, tillader det at blive samlet op to fulde historier.
Snefaldet i dette ultra-tørre område kan være minimalt, men det, der blæser ind fra kontinentets kanter, kan stadig gøre et rod, hvilket skaber en af de mere verdslige opgaver for SPT's vinter-over besætning. Én gang om ugen i de mørke måneder, når stationsbestanden krymper til omkring 50, skal de to SPT-forskere på stedet klatre ind i teleskopets 33 fodbrede mikrobølgeovn og feje det rent. Teleskopet samler data og sender dem til desktops fra fjerne forskere. De to "vinter-overs" tilbringer deres dage med at arbejde på dataene og analyserer det, som om de var hjemme. Men når teleskopet rammer en fejl, og der lyder en alarm på deres bærbare computere, er de nødt til at finde ud af, hvad problemet er - hurtigt.
”En times nedetid er tusinder af dollars tabt observationstid, ” siger Keith Vanderlinde, en af 2008's to vinter-overs. ”Der er altid små ting. En ventilator går i stykker, fordi det er så tørt dernede, al smøring forsvinder. Og så vil computeren overophedes og slukke sig, og pludselig er vi nede, og vi har ingen idé om, hvorfor. ”På det tidspunkt synes miljøet muligvis ikke så” godartet ”. Ingen flyvninger går til eller fra Sydpolen fra marts til oktober (et flys motorolie ville gelatinere), så hvis vinterovervågningen ikke kan løse det, der er ødelagt, forbliver det ødelagt - hvilket endnu ikke er sket.
Mere end de fleste videnskaber afhænger astronomi af synssansen; inden astronomer kan genimaginere universet som en helhed, skal de først finde ud af, hvordan de kan opfatte de mørke dele. At vide, hvad mørkt stof er, ville hjælpe forskere med at tænke over, hvordan universets struktur dannes. At vide, hvad mørk energi gør, ville hjælpe forskere med at tænke på, hvordan denne struktur har udviklet sig over tid - og hvordan den vil fortsætte med at udvikle sig.
Forskere har et par kandidater til sammensætningen af mørkt stof - hypotetiske partikler kaldet neutralinoer og aksioner. For mørk energi er udfordringen dog at finde ud af, hvad det er, men hvordan det er. Især ønsker astronomer at vide, om mørk energi ændrer sig over rum og tid, eller om det er konstant. En måde at studere det på er at måle såkaldte akustiske baryon-svingninger. Da universet stadig var i sin barndom, kun 379.000 år gammel, afkøledes det tilstrækkeligt til, at baryoner (partikler fremstillet af protoner og neutroner) kunne adskilles fra fotoner (pakker med lys). Denne adskillelse efterlod et aftryk - kaldet den kosmiske mikrobølgebakgrund - der stadig kan opdages i dag. Det inkluderer lydbølger ("akustiske svingninger"), der kørte gennem spædbarnsuniverset. Toppen af disse svingninger repræsenterer regioner, der var lidt tættere end resten af universet. Og fordi materie tiltrækker stof gennem tyngdekraften, voksede disse regioner endnu tættere, efterhånden som universet blev ældet, og sammenvokste først i galakser og derefter i galakser. Hvis astronomer sammenligner de originale kosmiske mikrobølgebaggrundsvingninger med fordelingen af galakser i forskellige stadier i universets historie, kan de måle hastigheden for universets ekspansion.
En anden tilgang til at definere mørk energi involverer en metode, der kaldes gravitationslinse. I henhold til Albert Einsteins teori om generel relativitet forekommer en lysstråle, der bevæger sig gennem rummet, at bøje på grund af tyngdekraften i materien. (Faktisk er det selve rummet, der bøjer sig, og lyset går bare med på turen.) Hvis to galakser klynger ligger langs en enkelt synslinie, fungerer forgrundsklyngen som en linse, der forvrænger lys fra baggrundsklyngen. Denne forvrængning kan fortælle astronomer massen i forgrundsklyngen. Ved at prøveudtagning af millioner af galakser i forskellige dele af universet, skal astronomer være i stand til at estimere den hastighed, hvormed galakser er klumpet sammen i klynger over tid, og den hastighed vil igen fortælle dem, hvor hurtigt universet ekspanderede på forskellige punkter i sin historie.
Sydpoleteleskopet bruger en tredje teknik, kaldet Sunyaev-Zel'dovich-effekten, opkaldt efter to sovjetiske fysikere, der trækker på den kosmiske mikrobølgebakgrund. Hvis en foton fra sidstnævnte interagerer med varm gas i en klynge, oplever den en svag stigning i energi. Påvisning af denne energi giver astronomer mulighed for at kortlægge disse klynger og måle indflydelsen af mørk energi på deres vækst gennem universets historie. Det er i det mindste håbet. ”Mange mennesker i samfundet har udviklet, hvad jeg synes er en sund skepsis. De siger, 'Det er fantastisk, men vis os pengene, ' siger Holzapfel. ”Og jeg tror, inden for et år eller to, vil vi være i stand til at gøre det.”
SPT-teamet fokuserer på galakse-klynger, fordi de er de største strukturer i universet, der ofte består af hundreder af galakser - de er en million milliarder gange solens masse. Når mørk energi presser universet til at udvide sig, vil galakse-klynger have en sværere tid med at vokse. De vil blive fjernere fra hinanden, og universet bliver koldere og ensomere.
Galaxy-klynger “er på samme måde kanarier i en kulmine med hensyn til strukturdannelse, ” siger Holzapfel. Hvis tætheden af mørkt stof eller egenskaberne ved mørk energi skulle ændre sig, ville overfloden af klynger "være den første ting, der skulle ændres." Sydpoleteleskopet skulle være i stand til at spore galakse klynger over tid. ”Du kan sige, 'For så mange milliarder år siden, hvor mange klynger var der, og hvor mange er der nu?'” Siger Holzapfel. "Og sammenlign dem derefter med dine forudsigelser."
Alligevel kommer alle disse metoder med en advarsel. De antager, at vi i tilstrækkelig grad forstår tyngdekraften, som ikke kun er den kraft, der modsætter sig mørk energi, men har været selve grundlaget for fysikken i de sidste fire århundreder.
20 gange i sekundet sigter en laser højt i Sacramento-bjergene i New Mexico mod en lyspuls mod månen, 239.000 miles væk. Strålens mål er en af tre kuffertstørrelses reflektorer, som Apollo-astronauter plantede på månens overflade for fire årtier siden. Fotoner fra bjælken spretter fra spejlet og vender tilbage til New Mexico. Samlet rejsetid tur-retur: 2, 5 sekunder, mere eller mindre.
Denne "mere eller mindre" gør hele forskellen. Ved at afstemme lysets hastighed kan forskere ved Apache Point-observatoriet Lunar Laser-rangeringsoperation (APOLLO) måle afstanden mellem jord og måne øjeblik til øjeblik og kortlægge Månens bane med udsøgt præcision. Ligesom i den apokryfe historie om, at Galileo dropper bolde fra det skæve tårn i Pisa for at teste universalitet i frit fald, behandler APOLLO Jorden og Månen som to kugler, der falder i solens tyngdefelt. Mario Livio, en astrofysiker ved Space Telescope Science Institute i Baltimore, kalder det et "helt utroligt eksperiment." Hvis Månens bane endda viser den mindste afvigelse fra Einsteins forudsigelser, kan forskere måske genoverveje hans ligninger - og måske endda eksistensen af mørkt stof og mørk energi.
”Indtil videre holder Einstein med, ” siger en af APOLLOs førende observatører, astronom Russet McMillan, da hendes femårige projekt passerer halvvejspunktet.
Selv hvis Einstein ikke var inde, ville forskerne først skulle eliminere andre muligheder, såsom en fejl i målingen af massen på Jorden, Månen eller Solen, før de indrømmer, at generel relativitet kræver en korrektion. Alligevel ved astronomer, at de tager tyngdekraften for givet ved deres egen fare. De har udledt eksistensen af mørkt stof på grund af dets gravitationseffekter på galakser, og eksistensen af mørk energi på grund af dets anti-gravitationseffekter på udvidelsen af universet. Hvad hvis antagelsen, der ligger til grund for disse tvillinger, at vi ved, hvordan tyngdekraften fungerer, er forkert? Kan en teori om universet endnu mere outlandish end en, der udgør mørk stof og mørk energi, kan redegøre for bevisene? For at finde ud af det tester forskere tyngdekraften ikke kun over hele universet men over bordpladen. Indtil for nylig havde fysikere ikke målt tyngdekraften i ekstremt tæt række.
”Forbløffende, er det ikke?” Siger Eric Adelberger, koordinator for adskillige tyngdekraftsforsøg, der finder sted i et laboratorium ved University of Washington, Seattle. ”Men det ville ikke være forbløffende, hvis du prøvede at gøre det” - hvis du prøvede at teste tyngdekraften i afstande, der var kortere end en millimeter. Test af tyngdekraften er ikke blot et spørgsmål om at placere to objekter tæt på hinanden og måle tiltrækningen imellem dem. Alle former for andre ting kan have en tyngdekraften indflydelse.
”Der er metal her, ” siger Adelberger og peger på et instrument i nærheden. ”Der er en bjergskråning herover” - vinkende mod et tidspunkt forbi betonvæggen, der omkranser laboratoriet. ”Der er en sø derovre.” Der er også grundvandsniveauet i jorden, der ændrer sig, hver gang det regner. Så er der Jordens rotation, Solens position, den mørke stof i hjertet af vores galakse.
I løbet af det sidste årti har Seattle-teamet målt tyngdekraftsattraktionen mellem to objekter i mindre og mindre afstande ned til 56 mikron (eller 1/500 tommer), bare for at sikre, at Einsteins ligninger for tyngdekraft er sandt på de korteste afstande, også. Indtil videre gør de det.
Men selv Einstein erkendte, at hans teori om generel relativitet ikke helt forklarede universet. Han tilbragte de sidste 30 år af sit liv på at forsøge at forene sin fysik af det meget store med fysikken i den meget lille kvantemekanik. Han mislykkedes.
Teoretikere er kommet med alle mulige muligheder i et forsøg på at forene generel relativitet med kvantemekanik: parallelle universer, kolliderende universer, bobleuniverser, universer med ekstra dimensioner, universer, der evigt gengiver, universer, der springer fra Big Bang til Big Crunch til Big Bang.
Adam Riess, en astronom, der samarbejdede med Brian Schmidt om opdagelsen af mørk energi, siger, at han ser hver dag på et internetsite (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph), hvor forskere udsender deres analyser for at se, hvad nye ideer er der ude. ”De fleste af dem er temmelig tøffe, ” siger han. ”Men det er muligt, at nogen vil komme ud med en dyb teori.”
Med alle dens fremskridt viser astronomien sig at have arbejdet under en forkert, hvis rimelig antagelse: hvad du ser, er hvad du får. Nu er astronomer nødt til at tilpasse sig ideen om, at universet ikke er tingene af os - i den store ting af ting, vores arter og vores planet og vores galakse og alt, hvad vi nogensinde har set, er som teoretisk fysiker Lawrence Krauss fra Arizona State University har sagt, "en smule forurening."
Alligevel har kosmologer en tendens til ikke at blive modløse. ”De virkelig hårde problemer er store, ” siger Michael Turner, ”fordi vi ved, at de vil kræve en vanvittig ny idé.” Som Andreas Albrecht, en kosmolog ved University of California i Davis, sagde på en nylig konference om mørk energi: "Hvis du lægger tidslinjen for videnskabshistorien foran mig, og jeg kunne vælge ethvert tidspunkt og felt, er det her, jeg vil være."
Richard Panek skrev om Einstein for Smithsonian i 2005. Hans bog om mørk stof og mørk energi vises i 2011.
Michael Turner opfandt udtrykket "mørk energi" i 1998. Ingen ved, hvad det er. (Med tilladelse fra Michael Turner) 
Forskere, der arbejder på Sydpolen, opholder sig i en facilitet, der hviler på pyntedyr, der er hævet, når sne ophobes. (Keith Vanderlinde / National Science Foundation) 
Ingeniør Dana Hrubes justerer et batteri på South Pole-anlægget. (Calee Allen / National Science Foundation) 
Uden flyvemaskine i løbet af det mørkeste halvår af året, forsøger forskere sig selv ved at dyrke friske grøntsager under kunstigt lys. (Brien Barnett / The Antarctic Sun) 
Langt fra eksternt lys og dyppet ned i måneder, der er mørkt, er Antarktis Sydpoleteleskop et af de bedste steder på Jorden til at observere resten af universet. (Keith Vanderlinde / National Science Foundation) 
For at sætte det i et nøddeskal begyndte universet med Big Bang for næsten 14 milliarder år siden, hurtigt oppustet og udvider stadig i dag. (NASA / WMAP Science Team) 
I stedet for at bremse, siger forskere, har ekspansionen været hurtigere, drevet af mørk energi. Dette kort over hot spots over spædbarnsuniverset viser, hvor materien senere koncentrerede sig og gav anledning til galakser. (NASA / WMAP Science Team) 
Astronomer som Russet McMillan bruger tyngdekraften i deres jagt på mørk energi. (Gretchen Van Doren) 
Forskere ved Apache Point-observatoriet i New Mexico sigter gentagne gange en laserstråle mod Månen og sætter lyset tilbage til Jorden, hvilket giver dem Månens afstand til inden for en millimeter. (Gretchen Van Doren / Astrophysical Research Consortium) 
Målet for tyngdekraften mellem Jorden og Månen hjælper astronomer med at definere mørk energi. (Tom Murphy) 
Astronauter placerede denne reflektor på månen i 1969. (NASA)
