Hur kan universums radie vara 46,5 miljarder ljusår om universums ålder är 13,8 miljarder år?

Hur kan universums radie vara 46,5 miljarder ljusår om universums ålder är 13,8 miljarder år?

Frågan ställdes 2021-02-02.

Det låter som att du har uppfattat begreppet ljusår fel. Låt mig redogöra för vår bild av universum.

Universum är, enligt beräkningar baserade på den kosmologiska standardmodellen (s.k. Lambda-CDM), ca 13,8 miljarder år gammalt. Detta ska inte blandas ihop med begreppet ljusår som alltså är ett längdmått; alltså avståndet ljus hinner färdas i vakuum på ett år. Om man nu då ställer sig frågan; hur stort är universum? så kan man tänka sig att svara på den genom att tänka som följer:

Om universum har existerat i 13,8 miljarder år, så borde ljus som skickades ut och färdats obehindrat från begynnelsen idag ha nått ett avstånd på exakt 13,8 miljarder ljusår, vilket skulle säga att universum har en radie på just 13,8 miljarder ljusår. Mer exakt så skulle vi kunna säga att detta är det observerbara universumet, just för att det omöjligen går att se saker som är längre bort än 13,8 miljarder ljusår för att det snabbaste som finns, ljuset, kan inte ha nått längre. För varje enskild observatör blir detta alltså det observerbara universumet.

Men, nu blir det krångligare. Det vi just beskrev ovan gäller bara för ett statiskt, alltså icke-expanderade universum. Vad sker då om universum i sig själv, själva rumtiden, istället expanderar samtidigt som kosmiska klockan tickar? Det som sker då är att ljuset som börjar sin färd genom universum från det att Big Bang har skett, dels färdas genom rumtiden med ljusets hastighet; 299 792 458 m/s, men samtidigt så expanderar denna rumtid rent fysiskt. Om du tänker dig ett rutnät där varje ruta har en sida som är 1 ljusår lång, så kommer ljuset att tillryggalägga en sådan ruta varje år. Om nu varje sådan ruta hela tiden expanderar, så att den rent fysiskt blir större, så kommer varje sån tillryggalagd ruta innebära att ljuset har färdats ett avstånd som är större än 1 ljusår, fast det fortfarande bara tar ett år för ljuset att färdas denna sträcka. Ljuset kommer alltså alltid färdas en ruta per år, oavsett hur fysiskt stor den rutan är för att ljuset har just den egenskapen att det alltid, hur man än vrider och vänder på det, färdas en sådan ruta per år. Det var det som Einstein visade med sin relativitetsteori 1905. Om vi nu konstaterar att ljuset har färdats 13,8 miljarder sådana rutor hittills, och tar i beaktning att varje sådan ruta har expanderat med en viss faktor, närmare bestämt en faktor 3,37, så får vi att det observerbara universumet har en radie på ca 46,5 miljarder ljusår, eller en diameter på 93 miljarder ljusår.

Man kan konstruera en annan typ av mått på tid, så kallad ”konform tid”, som anpassar sig för universums expansion. Den konforma tiden som passerat sedan Big Bang är alltså en faktor 3,37 längre än den så kallade kosmiska tiden 13,8 miljarder år. I konform tid har 3,37×13,8 = 46,5 miljarder år passerat vilket då ger korrekt radie på observerbara universum. Man kan då tycka att den konforma tiden faktiskt är en mer korrekt fysisk tid för att beskriva universum när det expanderar, och används ofta av kosmologer då man vill tala om samspelet mellan längd- och tidsskalor då universum expanderar. Hoppas detta var begripligt!

Frågan besvarades av Anton Vikaeus, doktorand vid avdelningen astronomi och rymdfysik, institutionen för fysik och astronomi.