Solsystemet döljer en femte naturkraft

Varje gång vi testar Albert Einsteins teori om allmän relativitetsteori på vår egen hemmaplan klarar han det med glans. Från hur Merkurius vobblar till tidpunkten för radiosignaler som studsar mot Mars är matematiken i princip skottsäker. Men ute i det djupa mörkret spelar universum ett dubbelspel. Galaxer flyger bort från varandra snabbare än vad gravitationen borde tillåta, pådrivna av ett repulsivt tryck som vi kallar mörk energi. Denna enorma diskrepans mellan vårt lokala grannskap och resten av kosmos har lett fysiker till en radikal slutsats: det finns en femte naturkraft som döljer sig mitt framför ögonen på oss, och vår sol fungerar för närvarande som dess skyddande sköld.

Slava Turyshev, fysiker vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, har ägnat år åt att gräva i denna kosmiska motsägelse. Problemet är att även om mörk energi dominerar cirka 70 procent av universum, verkar den inte göra någonting alls inuti vårt solsystem. Det är som om fysikens lagar förändras i samma ögonblick som man kliver in i en stjärnas utkant. Turyshevs senaste analys tyder på att detta inte beror på att den femte kraften inte finns här, utan på att förekomsten av materia – solen, planeterna, till och med vi själva – effektivt stänger av den. Detta fenomen, känt som screening, skapar en bubbla av "normal" fysik som maskerar den märkligare verkligheten utanför.

För att förstå varför detta är viktigt måste man titta på de fyra krafter vi redan känner till: gravitation, elektromagnetism samt den starka och den svaga kärnkraften. De är spelets regler. Om en femte kraft existerar skulle den kunna förklara varför universum expanderar med en accelererande hastighet, ett mysterium som gäckat forskare sedan slutet av 1990-talet. Om vi ens skulle kunna upptäcka en viskning av denna kraft lokalt, skulle det vara det största genombrottet inom fysiken sedan upptäckten av Higgsbosonen. Haken är att kraften verkar vara en kosmisk introvert som bara visar sig när det absolut inte finns något annat i närheten.

Kameleonten som gömmer sig i solljuset

Föreställ dig ett ljud som är öronbedövande i en tom kanjon men blir en svag viskning på en fullsatt pub. Atmosfärens densitet och kropparna omkring dig absorberar helt enkelt energin. I solsystemet är solen den ultimata källan till den densiteten. Turyshevs arbete indikerar att kameleontkraften fortfarande kan finnas där, men den är pressad in i ett tunt yttre skal nära gränserna för solens inflytande. Detta gör den otroligt svår att upptäcka med den typ av navigeringssensorer vi för närvarande använder för rymdsonder i djupsymden.

Detta är inte bara teoretiskt navelskåderi. Om kameleonteffekten är verklig innebär det att våra nuvarande tester av gravitationen bara tittar på ytan av en mycket djupare pool. Turyshev menar att även om kraften är undertryckt, är den inte helt borta. Den lämnar kvar en "svag rest" – en liten restprodukt som skulle kunna upptäckas om vi visste exakt var vi skulle leta. Vi pratar inte om en planet som plötsligt viker av från sin kurs; vi pratar om att mäta en signal med en precision på en del på 100 biljarder. Det är den ultimata leken kurragömma i kosmos.

En död zon på fyrahundra ljusår

Beräkningar tyder på att solens Vainshtein-radie sträcker sig ut till ungefär 400 ljusår. För att sätta det i perspektiv ligger den närmaste stjärnan, Proxima Centauri, bara 4,2 ljusår bort. Om denna teori stämmer lever vi inuti en massiv död zon där universums mest intressanta fysik tystas ner. Varje sond vi någonsin skickat upp, från Voyager till New Horizons, befinner sig fortfarande djupt inuti denna bubbla. De är som fiskar som försöker studera konceptet eld medan de befinner sig på havets botten.

Spänningen här ligger i att vi försöker lösa ett universellt mysterium med hjälp av lokala verktyg som medvetet är blinda för svaret. Det skapar ett massivt hinder för experimentalister. Om Vainshtein-radien verkligen är så stor kommer vi aldrig att kunna skicka en sond tillräckligt långt för att se kraften i sin fulla, oskärmade prakt. Istället måste vi leta efter små sprickor i rustningen – minimala avvikelser från Einsteins förutsägelser som sker precis här hemma.

Varför Shapiro-fördröjningen är vår bästa chans

Turyshev föreslår dock att en skärmad femte kraft skulle orsaka en liten, nästan omärklig avvikelse i den tidtagningen. Han uppskattar att om vi kunde mäta en signal som passerar nära solen med en precision på två till fem delar per miljon, skulle vi kunna se de första tecknen på att skärmningen sviktar. Detta är en nivå av noggrannhet som var omöjlig för ett decennium sedan, men vi har börjat minska avståndet. Det kräver att vi går vidare från enkla radiopingar mot extremt precisa laserlänkar mellan rymdfarkoster.

Atomur och jakten på rester

Utöver ljustidtagning rör sig nästa generations fysikexperiment in i det extremt småas område. Atominterferometrar och optiska gitterur är nu så känsliga att de kan detektera skillnaden i gravitation mellan ditt huvud och dina fötter. Dessa instrument kan vara nyckeln till att bryta dödläget kring screeningen. Om en femte kraft existerar kan den orsaka att olika typer av materia faller med något olika hastighet – ett brott mot Einsteins ekvivalensprincip.

Just nu vet vi att allt faller med samma hastighet i vakuum, vare sig det är en hammare eller en fjäder. Men en femte kraft som kopplar till materia annorlunda än gravitation skulle bryta den regeln. Turyshev förutspår att vi snart skulle kunna nå en känslighet på en del på 100 biljarder för dessa fritt fall-tester. Vid den precisionsnivån borde den "svaga resten" av en skärmad kraft teoretiskt sett bli synlig. Det skulle manifesteras som en liten svängning eller en obalans i frekvensen hos sammanlänkade optiska ur när de rör sig genom olika delar av solens gravitationsfält.

Detta flyttar bevisbördan till modellerna själva. Vi frågar inte längre om kraften finns, utan snarare hur mycket rester den lämnar efter sig. Om vi bygger dessa hyper-precisa instrument och fortfarande inte hittar något, kommer det att tvinga fysiker att överge idén om screening helt och hållet. Det skulle innebära att mörk energi är ännu märkligare än vi trodde, eller att vår förståelse av gravitation behöver en betydligt våldsammare omskrivning än att bara lägga till en femte kraft.

De kosmiska kartläggningarna som vägleder jakten

Samtidigt som vi letar efter ledtrådar här hemma kartlägger massiva internationella projekt resten av universum för att ge oss en färdplan. Europeiska rymdorganisationens Euclid-teleskop och Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) bygger just nu de största 3D-kartorna över kosmos som någonsin gjorts. De tittar på universums storskaliga struktur – det enorma nätverk av galaxer och gas som fyller tomrummet. Det är här den femte kraften borde verka som mest fritt.

Den verkliga spänningen ligger i att vi kanske letar efter något som fundamentalt är designat för att vara osynligt för oss. Universum verkar ha en inbyggd mekanism som skyddar oss från de krafter som driver dess utveckling. Oavsett om detta är ett fysikaliskt slumpmässigt fenomen eller en fundamental lag är solsystemet för närvarande vårt enda laboratorium för att testa gränserna för Einsteins arv. Vi lever i en tyst ficka i ett mycket högljutt universum, och vi håller äntligen på att utveckla hörseln för att förstå vad som händer utanför.