Mældu útþensluhraða alheimsins með nýrri aðferð

Þéttleiki svonefnds bakgrunnsljóss alheimsins var í fyrsta skipti notaður til að mæla útþensluhraða alheimsins í nýrri rannsókn stjarnvísindamanna sem íslenskur stjarneðlisfræðingur tók þátt í. Niðurstöðurnar höggva ekki á hnút í deilum vísindamanna um hversu hratt útþenslan á sér stað.

Í hátt í öld hafa vísindamenn vitað að alheimurinn er ekki stöðugur heldur þenst hann út með sívaxandi hraða. Edwin Hubble, bandarískur stjörnufræðingur, komst fyrstur að þessu þegar hann mældi rauðvik frá vetrarbrautum og sá að þær færast frá jörðinni á hraða sem er í beinu hlutfalli við fjarlægð þeirra.

Þetta hlutfall hefur verið nefnt Hubble-fastinn og er grundvallarmælikvarði í heimsfræði á hversu hratt alheimurinn þenst út í allar áttir. Útþensluhraðinn og breytingar hans eru svo lykillinn að upphafi og örlögum alheimsins. Hafi útþenslan verið hæg má gera ráð fyrir að alheimurinn sé eldri en ef útþenslan var hröð því þá hefði alheimurinn eins og við þekkjum hann í dag þanist út á skemmri tíma en talið hefur verið til þessa.

„Gildin á grundvallarföstum heimsfræðinnar eins og Hubble-fastanum segir okkur hversu gamall alheimurinn er og hvort hann þenjist út að eilífu eða dragist á endanum saman í einhvers konar Miklahruni. Mæling á Hubble-fastanum veitir þessar upplýsingar,“ segir Kári Helgason, stjarneðlisfræðingur og einn höfunda greinar um rannsóknina, við Vísi.

Ýmsum brögðum hefur verið beitt til að mæla Hubble-fastann en vísindamönnum hefur greint á um þær allt frá því útþenslan var uppgötvuð á 3. áratug síðustu aldar. Kári segir að allnokkrar aðferðir hafi verið notaðar við mælingar á fastanum en þær gefi enn þá ögn misvísandi niðurstöður. Þetta hefur kallað á nýjar mæliaðferðir til að bera saman við þær sem fyrir eru.

Þegar útþenslan er mæld með athugunum á örbylgjukliðnum svonefnda, leifum geislunar frá Miklahvelli, virðist alheimurinn vera allt að 9% eldri en athuganir á nærumhverfi okkar í alheiminum gefa til kynna.

„Það er í raun ekki vitað hvort það sé einhver kerfisbundin mæliskekkja sem valdi muninum eða hvort fastinn sé raunverulega mismunandi eftir því hvenær í alheimssögunni þú mælir útþensluna,“ segir Kári við Vísi.

Frávik gæti varpað ljósi á eðli hulduorku

Almenna afstæðiskenning Alberts Einstein leiðir það af sér að innihald alheimsins, bæði efni og orka, stýri hegðun hans á stórum skala. Ef eingöngu venjulegt efni væri í alheiminum eins og stjörnur og vetrarbrautir ætti alheimurinn að hægja á sér og skreppa loks saman en í staðinn þenst hann ekki aðeins út heldur gerir hann það með síauknum hraða.

Viðtekið líkan heimsfræðinnar gerir því ráð fyrir að óþekkt fyrirbæri, hulduorka og hulduefni, myndi saman um 95% af öllu innihaldi alheimsins og valdi því að tímarúmið þenst út. Það gerir ráð fyrir því að Hubble-fastinn sé alltaf sá sami.

Sjá einnig:Alheimurinn er ekki allur þar sem hann er séður

Kári segir að vísbendingar hafi komið fram um að ólíkar mælingar á Hubble-fastanum bendi til þess að hann sé raunverulega breytilegur eftir því á hvaða skeiði alheimsins er er mældur. Slíkt frávik frá viðtekna líkaninu gæti á endanum afhjúpað eðli hulduorkunnar. Þessi dularfullu fyrirbæri vilji helst ekki afhjúpa sig en þau geti ekki falið sig fyrir útþenslu alheimsins því þau stýri hversu hratt alheimurinn þenst út hverju sinni.

„Það er í sjálfu sér vandamál ef allt bara smellpassar við væntingar því þá lærum við ekkert nýtt. Mismunandi gildi á Hubble-fastanum eftir því hvenær í alheimssögunni hann er mældur myndi þýða frávik frá þessu einfalda líkani af alheiminum og gefa vísbendingar um hvernig hulduorkan hagar sér,“ segir hann.

Mikið er í húfi því ef um raunverulegt frávik á Hubble-fastanum er ræða frekar en mæliskekkju gætu eðlisfræðingar þurft að gera veigamiklar breytingar á líkani sínu um alheiminn.

Í myndbandinu í spilaranum hér fyrir neðan eru gammageislar og samspil þeirra við bakgrunnsljós alheimsins sem notast var við í rannsókninni útskýrt í tengslum við fyrri rannsókn Kára á bakgrunnsljósinu.

Líkt og mýflugur í Egilshöll

Aðferðin sem Kári og félagar beittu til að mæla Hubble-fastann byggðist á svonefndu bakgrunnsljósi alheimsins sem íslenski stjarneðlisfræðingurinn mældi í rannsókn sem var birt í vísindaritinu Science í fyrra. Bakgrunnsljósið er leifar birtu allra stjarna sem skinið hafa í sögu alheimsins.

Með því að mæla þéttleika bakgrunnsljóssins gátu Kári og félagar metið hversu hratt þessi ljósþoka hefði þynnst út þegar alheimurinn þandist út frá því að hann varð til við Miklahvell. Þetta gerðu vísindamennirnir bæði með sjónaukum á jörðu niðri og Fermi-gammageislunargeimsjónauka bandarísku geimvísindastofnunarinnar NASA.

Kári líkir bakgrunnsljósinu og þynningu þess við að vera með þúsund mýflugur í litlu herbergi.

„Maður myndi taka eftir því ef þúsund mýflugur væru á sveimi með manni inni í litlu herbergi, en ef herbergið þenst út í stærð við Egilshöll að þá verða mýflugurnar miklu dreifðari. Þynning á þokunni með tímanum afhjúpar útþenslusögu fortíðarinnar,“ útskýrir hann.

Niðurstaða þeirra var að alheimurinn þenst út um 68 kílómetra á sekúndu á hver milljón parsek. Kári segir það smellpassa við athuganir á örbylgjukliðnum og núverandi staðallíkan um ungan alheim en óvissan sé enn þónokkur.

„Út af þessari óvissu held ég að þessar niðurstöður eigi ekki eftir að kveða niður rifrildið um Hubble-fastann sem er í gangi,“ viðurkennir Kári. „En við munum vinna að því að minnka hana“.

Myrkur alheimur sem þenst út í eilífðina

Samkvæmt staðallíkani heimsfræðinnar heldur alheimurinn áfram að þenjast út um ókomna tíð með sífellt meiri hraða. Ekki er vitað hver örlög alheimsins verður þegar þessi útþensla verður komin út í öfgar.

„Við vitum ekki hvernig tímarúmið hegðar sér í öfgakenndri hröðun. Vegna þess að við skiljum ekki drifkraft útþenslunnar, hulduorkuna, vitum við ekki hvort hann haldi svona áfram eða hvort eitthvað annað gerist,“ segir Kári.

Núverandi þekking vísindamanna gerir ráð fyrir að alheimurinn haldi áfram að þenjast út inn í eilífðina. Það eru slæmar fréttir fyrir stjörnufræðinga fjarlægrar framtíðar ef einhverjir verða.

„Á einhverjum tímapunkti sigla allar vetrarbrautir í alheiminum út fyrir sjóndeildina og hverfa okkur því þær munu fjarlægast á meira en ljóshraða. Við endum þá í myrkum alheimi þar sem stjörnufræðingar munu ekki geta gert athuganir á alheiminum í kringum sig eins og við getum gert núna,“ segir Kári.