17. marts 2025
Hvordan måles afstanden til fjerne galakser?
Spørgsmål:
Jeg har læst din artikel om galakser på NBI's hjemmeside. Du viser et billede af galaksen GN-z11 og skriver, at den befinder sig i en afstand af 32 mia lysår fra Jorden. Hvordan kan du vide det?
Skal det forstås således, at i mellemtiden, altså 13.4 mia. år og frem til nu, har GN-z11 flyttet sig yderligere 18.6 mia lysår væk fra Jorden pga. Universets udvidelse? Og hvordan kan man regne det ud? Altså de 32 mia år?
Venlig hilseen
Steffen Riis
Svar:
Det er helt rigtigt, at den store afstand skyldes Universets udvidelse. Det præcise tal er dog noget større, fordi de to galakser var endnu tættere på hinanden i fortiden.
Universets udvidelse
Som jeg skriver i artiklen, har lyset fra GN-z11 rejst i 13.4 milliarder år. Vi kigger altså 13.4 mia. tilbage i tiden, til dengang Universet kun var 0.4 mia. år gammelt, eller 400 millioner år.
På dét tidspunkt befandt GN-z11 sig faktisk "kun" 2.7 mia. lysår fra os. Et lysår er så langt lys kan rejse på et år, så hvis Universet ikke udvidede sig, ville det — som forvente, kan man måske sige — have nået os efter 2.7 mia. år.
Men Universet udvidede sig — hurtigt i starten, senere langsommere, og senere igen hurtigere. Derfor blev Mælkevejen og GN-z11 båret væk fra hinanden alt imens lyset tøffede afsted.
Denne graf viser, hvordan Universets størrelse har udviklet sig gennem dets historie (og hvordan det vil fortsætte i fremtiden):
Universets udvidelse fra Big Bang til nu og videre ind i fremtiden. På x-aksen ses alderen i milliarder år, og på y-aksen ses størrelsen ift. til i dag (dvs. størrelsen i er er defineret til at være 1). I de første 7–8 mia. år af sit liv bremsedes Universet langsomt op pga. tyngdekraften fra alt det stof, der ligger i det. Men på et tidspunkt begyndte udvidelsen at accelerere. Vores bedste bud på hvorfor er noget vi kalder "mørk energi". Figur: Peter Laursen.
Kosmologisk rødforskydning
Universet udvider sig altså, men udover at det får galakserne til at fjerne sig fra hinanden, har det også en anden meget vigtig effekt:
Når lys rejser gennem det ekspanderende Univers, bliver det rødforskudt, hvilket vil sige, at dets bølgelængde bliver længere og længere. En lyspartikel, der f.eks. starter med at være ultraviolet, bliver først violet, så blå, så grøn, gul, orange og rød, og for de allerfjerneste galakser endda infrarød.
Ved at se på, præcis hvor meget lyset er rødforskudt, kan vi regne ud, hvor lang tid det har rejst, hvor langt væk den galakse der udsendte er i dag, hvor langt væk den var dengang den udsendte lyset, og mange andre ting.
Den kosmologiske standardmodel
Denne udregning er dog ikke helt triviel. Den bygger på vores forståelse af den fysik, der beskriver Universets udvikling; en model, som kaldes ΛCDM, hvor det græske bogstav Λ (som udtales "Lambda") står for "mørk energi", og CDM står for "cold dark matter", altså mørkt stof, som er "koldt", hvilket betyder at det ikke bevæger sig med nærlyshastigheder.
ΛCDM-modellen bygger altså på vores (ikke så velforståede) teori om mørkt stof og mørk energi, og derudover også på den ekstremt veltestede og velforståede "generelle relativitetsteori", samt et væld observationel evidens.
Hvis man måler en galakses rødforskydning til at have værdien z, kan den nuværende afstand d(z) i ΛCDM-modellen beregnes vha. af følgende integrale:
I denne ligning er c lysets fart, H0 er Hubble-konstanten, og parametrene Ωr, Ωm, og ΩΛ angiver andelen af Universets energi i hhv. stråling, stof (mørkt og lyst), og mørk energi, mens Ωk er en parameter, som beskriver Universets krumning. Observationelt finder vi, at {Ωr, Ωm, Ωk, ΩΛ} er ca. lig med {10–4, 0.3, 0.0, 0.7}.
Eksempelvis er lyset fra GN-z11 rødforskudt med en faktor z = 10.6 (lysets bølgelængde pr. definition blevet en faktor 1+z længere, dvs. 11.6, så f.eks. er en ultraviolet foton, som startede med at være 100 nanometer, er blevet til en infrarød foton med bølgelængden 1160 nanometer).
Putter du disse værdier ind i ligningen, finder du at d er ca. 32 mia. lysår i dag.
Hurtigere end lyset
Måske har du hørt, at intet kan bevæge sig hurtigere end lyset, og sidder nu og undrer dig over, hvordan Mælkevejen og GN-z11 kan have fjernet sig næsten 30 mia. lysår på kun godt 13 mia. år.
Svaret er følgende:
Einsteins "specielle" relativitetsteori fra 1905 siger godt nok, at intet kan bevæge sig hurtigere gennem rummet end lyset. Men Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 siger, at selve rummet kan udvide sig, lige så tosset det vil.
Derfor havde GN-z11 og Mælkevejen intet problem med at bevæge sig væk fra hinanden med ikke mindre en fire gange lysets fart, dengang GN-z11 udsendte det lys vi ser i dag. Og selv i dag fjerner vi os fra hinanden med mere en 2c.
Selv hvis du accepterer, at rummet kan udvide sig hurtigere end lyset, så tror du måske, at det ville betyde, at lyset aldrig nogensinde ville kunne nå ned til os, men det kan det altså godt. Dette er lidt mere komplekst at forstå, men jeg har skrevet en populærvidenskabelig artikel om det i KVANT, hvis du har lyst til at dykke ned i det.
Bedste hilsener,
Peter Laursen, Astrofysiker og videnskabsformidler
Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet.