Kenning 1 – Hulduefni er vel þekkt efni
Daufar stjörnur halda stjörnuþokunum saman
Í jaðri stjörnuþoka er að finna hulduefni hvers massi tryggir að stjörnuþokurnar þeytast ekki hver frá annarri og að stjörnuklasar haldist á sínum stað. Samkvæmt þessari fyrstu kenningu um hulduefni eru þetta venjuleg himintungl sem eru aðeins of lítil og dauf til að við getum séð þau frá jörðu.
SAGA KENNINGARINNAR
Stjörnufræðingurinn Fritz Zwicky var fyrstur til að finna örugg ummerki hulduefnis þegar hann árið 1933 rannsakaði stjörnuþokur í Coma-þyrpingunni í 300 milljón ljósára fjarlægð. Zwicky komst að því að stjörnuþokur þyrpingarinnar hreyfðust svo hratt að þyrpingin hlyti að haldast saman vegna þyngdarafls frá miklu meira efni en væri greinanlegt í sýnilegum stjörnuþokum – annars myndu þær einfaldlega þeytast í sundur. Hugmyndir hans áttu örðugt uppdráttar, enda var hann ævinlega upp á kant við kollega sína. Nú á dögum er Zwicky þó talinn einn af fremstu stjörnufræðingum síðustu aldar.
Fritz Zwicky
Eðlilega var þessi fyrsta kenning um hulduefni talin vísa í gerð efnis sem við þekkjum en sendir einungis lítið eða hverfandi ljós. Margar tillögur komu fram, t.d. afar daufar rauðar dvergstjörnur eða ennþá minni og daufari brúnar dvergstjörnur. Einnig gæti verið um að ræða mikið magn reikistjarna sem þeytast um geiminn milli stjarnanna án þess að tengjast nokkru sólkerfi. Þá hafa nifteindastjörnur og svarthol í mismunandi stærðum komið til tals ásamt hvítum dvergstjörnum sem hafa kólnað það mikið að þær senda ekki lengur frá sér ljós.
Saman eru þessi fyrirbæri nefnd Machos (þynglar), sem stendur fyrir Massive Compact Halo Objects – eða ógnarstór fyrirbæri sem einkum er að finna í þeim kúlulagaða hjúp sem umlykur Vetrarbrautina og aðrar stjörnuþokur af samsvarandi gerð.
Frá síðasta áratug liðinnar aldar hafa menn leitað eftir þessum þynglum með aðstoð svonefndrar þyngdaraflslinsa. Hugmyndin er að þegar þynglar fara hjá framan við stjörnu muni það sveigja ljósið frá stjörnunni þannig að um stundarsakir virðist sem stjarnan verði bjartari. Tæknin er vandmeðfarin en í reynd hefur tekist að sýna fram á margvíslega þyngla.
STYRKUR KENNINGARINNAR
Augljós kostur Macho-kenningarinnar er að hún vinnur með vel þekkt efni. Ef það finnst aðeins ein gerð efnis verða öll líkön alheims mun einfaldari. Ennfremur hafa í raun fundist þynglar hvers massi er milli 0,3 og 0,8 sólmassar.
Macho-fyrirbæri eins og daufar brúnar stjörnur hafa í raun fundist.
VEIKLEIKAR KENNINGARINNAR
Eftir nýjustu útreikningum getur samanlagður massi þynglanna ekki gert grein fyrir meira en í hæsta lagi 20% af hulduefninu – og kannski miklu minna.
Auk þess má út frá Miklahvells-líkaninu reikna út hve marga þungeindir – byggingarsteinar efnis – urðu til aukreitis fyrir þyngla. Og fjöldi þungeindanna er einfaldlega ekki nægjanlegur til að mynda þyngla í slíku magni að það geti eitt og sér útskýrt hulduefni.
STAÐA KENNINGARINNAR
Enginn vafi leikur á að þynglar eru til. En flestir stjörnufræðingar eru sammála um að þeir séu einungis brot af hulduefninu. Kenningin er því helst talin geta bætt upp aðrar ítarlegri kenningar.
FORKÓLFURINN
Þrætugirni gerði Fritz Zwicky lífið leitt en kenning hans er gagnleg.
Kenning 2 – Hulduefni er óþekktar öreindir
Draugaefni mótar alheim
Agnarsmáar skammlífar öreindir geta kannski myndað hulduefni. Enn hefur vísindamönnum ekki tekist að bera kennsl á þessar öreindir en þökk sé kenningum um ofursamhverfu eru öreindirnar meðal annarra kandídata um eðli og gerð hulduefnis.
SAGA KENNINGARINNAR
Ef það er ekkert hulduefni í venjulegu efni sem er uppbyggt af vel þekktum öreindum eins og róteindum og nifteindum hlýtur það að samanstanda af einhverju öðru. Fyrsti kandídatinn var fiseindin en tilvist hennar var sögð fyrir af austurríska eðlisfræðingnum Wolfgang Pauli árið 1930.
Fiseindir eru örsmáar og nánast massalausar öreindir sem urðu til í miklu magni í Miklahvelli. Árið 1998 tókst japönskum eðlisfræðingum að staðfesta að fiseindir hafa massa. Því miður er hann svo lítill að þessar öreindir geta ekki gert grein fyrir miklu af hulduefninu. Auk þess fylgja vandkvæði því að fiseindir hreyfast með hraða nærri ljóssins og teljast því vera það sem stjörnufræðingar nefna „heitt“ hulduefni. Slík gerð hulduefnis getur ekki útskýrt myndun fyrstu stjarna og stjörnuþoka.
Wolfgang Pauli
Á síðustu árum hafa menn því snúið sér að annarri gerð öreinda sem ganga undir samheitinu Wimps (Weekly Interacting Massive Particles). Þetta eru svonefndar drumbeindir sem hafa næstum enga víxlverkun við venjulegt efni. Fræðilegur grunnur þeirra er ein af nýjustu hugmyndum eðlisfræðinga um ofursamhverfu í alheiminum. Drumbeindir hafi því svipaða eiginleika og fiseindir, þ. e. þær sjást ekki þegar lýst er á þær, en eru hins vegar mun þyngri.
STYRKUR KENNINGARINNAR
Mikilvægur kostur Wimp-kenningarinnar er að möguleiki er að sýna fram á hana með tilraunum. Slíkar eru þegar í gangi og niðurstöðurnar lofa góðu. Þannig mældi PAMELA-rannsóknarstöðin, sem er komið fyrir í gervihnetti, árið 2009 ofgnótt jáeinda á tilteknu orkusvæði. Þetta umframmagn stafar kannski af niðurbroti drumbeinda sem rekast á í geimnum.
Jafnframt hljóta drumbeindir í öllu falli að vera „kalt“ hulduefni – þ.e.a.s. efni þar sem öreindir hreyfast hægt. Þessi gerð efnis er talin vera nauðsynleg fyrir myndun stjörnuþoka.
VEIKLEIKAR KENNINGARINNAR
Helsti veikleiki hennar er að menn hafa aldrei fundið Wimp. Því miður er þetta staða sem eðlisfræðingar hafa þurft að sætta sig við eftir því sem tilraunir þeirra verða sífellt kostnaðarsamari. En reynslan sýnir að menn fara oft villur vegar þegar kenningar eru ekki grundvallaðar á tilraunum.
STAÐA KENNINGARINNAR
Kenningin er talin hin besta sem eðlisfræðingar hafa nú á dögum – einkum þar sem hún er sú eina sem styðst við „kalt“ hulduefni. Ennþá skortir þó sannanir til að hún öðlist mikla útbreiðslu.
KENNINGARSMIÐURINN
Austurríkismaðurinn Wolfgang Pauli sagði fyrir um fiseindina – mögulega skýringu á hulduefninu.
Kenning 3 – Hulduefni fyrirfinnst alls ekki
Reiknibrellur gera hulduefni ónauðsynlegt
Með lítilli breytingu á jöfnum þyngdaraflsins má útskýra þau frávik sem ella hafa gert ráð fyrir tilkomu hulduefnis. Breytingin á einungis við um afar veik þyngdarsvið sem er að finna lengst úti í alheimi.
SAGA KENNINGARINNAR
Hulduefni var innleitt þar sem stjörnur og stjörnuþokur hreyfðust ekki eins og vænta mátti. Fyrir því kunna að vera tvær ástæður: annað hvort er að finna efni ósýnilegt okkur sem ber þetta auka þyngdarafl. Ellegar er sjálft þyngdarlögmálið rangt. Vissulega hefur þyngdarlögmál Newtons sannað gildi sitt ótal sinnum með mikilli nákvæmni. Með beitingu þess má reikna hreyfingar reikistjarna og segja fyrir um sólmyrkva margar aldir fram í tímann. Það er einnig þyngdaraflið sem hefur stýrt geimförum að áfangastöðum þeirra eftir áralangar ferðir í sólkerfinu.
Engu að síður lagði ísraelski eðlisfræðingurinn Mordehai Milgrom árið 1983 til smávægilega breytingu á þyngdarlögmálinu – breytingu sem nefnist Mond (Modified Newtonian Dynamics). Milgron vissi gjörla að þyngdarlögmálið virkar snurðulaust í tiltölulega sterkum þyngdarsviðum í okkar sólkerfi og breytingin á því einungis við um afar veik þyngdarsvið sem finnast í útjaðri vetrarbrauta og annarra stjörnuþoka, og einnig í hinum miklu tómu víddum milli þeirra.
Hér á jörðu er þyngdarhröðunin 9,8 m/s2. Milgrom gat sér til að lögmálið væri annað fyrir hröðun sem er minni en 10 -10 m/s2. Í viðtekinni útgáfu af þyngdarlögmáli Newtons minnkar þyngdaraflið í öðru veldi af fjarlægðinni – óháð styrk hröðunar. Samkvæmt Mond minnkar þyngdaraflið hægar fyrir hröðun sem er minni en 10 -10 m/s2, nefnilega í öfugu hlutfalli við fjarlægðina.
Þ.e.a.s. að tvöfaldi maður fjarlægðina til fyrirbæris í viðtekinni útgáfu af þyngdaraflinu verður þyngdarkrafturinn frá því fjórum sinnum minni. Í útgáfu Milgrons verður þyngdaraflið aðeins helmingi minna við sömu aðstæður.
STYRKUR KENNINGARINNAR
Styrkur Mond-kenningarinnar felst í að hún getur gert grein fyrir mörgum þeim stjörnuhreyfingum er greina má í stjörnuþoku án þess að kynna til sögunnar svonefnt hulduefni eða óþekkt efni.
Noti maður sem dæmi viðtekna þyngdarlögmálið til að reikna út massa stjörnuþoku út frá þeim hraða sem stjörnur og gasský í jaðri hennar hafa, má finna út að massinn er í hlutfalli við snúningshraðann í öðru veldi. En stjörnufræðingarnir R. Brent Tully og J. Richard Fischer hafa sýnt að massinn er í raun í hlutfalli við snúningshraðann í fjórða veldi. Og þessi niðurstaða passar fullkomlega við forsagnir Mond-kenningarinnar.
VEIKLEIKAR KENNINGARINNAR
Það er vandkvæðum bundið þegar ýmsar athuganir passa ekki við forsagnir. Sem dæmi ætti hulduefni í Bullet-þyrpingunni þar sem tvær stjörnuþokur rekast saman að „bremsast“ niður og finnast þar sem gasskýin eru. Þess í stað er það í mestu magni beggja vegna þeirra. Þetta passar betur við Wimp-kenninguna þar sem hulduefnið hægist ekki við árekstur.
STAÐA KENNINGARINNAR
Mond-kenningin er ennþá heldur utangarðs. Margir eðlisfræðingar telja það miklum vandkvæðum bundið að leggja til kenningu sem er fundin upp til að leysa afmarkað vandamál og passar ekki við viðtekna eðlisfræði.
FRUMKVÖÐULLINN
Mordehai Milgrom breytti lítillega hinu virta þyngdarlögmáli Newtons.
Wimp gæti leyst gátuna
Hinar örsmáu drumbeindir eru nú besta tilgáta fræðimanna um byggingareindir hulduefnis. En til þess að ná lengra – og öðlast kannski skýringu á hve stór hluti hulduefnis er samsettur úr drumbeindum – verða vísindamenn að styðjast við tilraunir til að undirbyggja sínar kennilegu vangaveltur.
Einn möguleiki er að skapa drumbeind í hinum 27 km langa sterkeindahraðli LHC á landamærum Frakklands og Sviss.
Annað er að fanga drumbeindir þegar þær berast til okkar frá geimnum. Til þess eru lagðar til tvær aðferðir: önnur er sú að góma Wimp í sérstakan nema og hin felst í að skoða niðurbrot drumbeindar.
Vandamálið er að drumbeindir víxlverka afar takmarkað við venjulegt efni. Eina leiðin sem það gerist er í gegnum svonefndan veikan kjarnakraft sem verkar einungis á öreindasviði. En þá staðreynd má einmitt nýta sér við aðra aðferð þar sem niðurbrot drumbeindar má skoða. Drumbeind mun nefnilega verka á venjulegt efni í beinum árekstri við kjarna frumeinda. Þess vegna hafa eðlisfræðingar byggt nema úr germaníum sem er kælt niður í einungis 0,01 gráðu yfir alkuli en það er -273,15°C. Ef svo heppilega vildi til að drumbeind hitti beint inn í slíkan atómkjarna myndi hún losa úr læðingi örlítinn varma eða ljós, sem eðlisfræðingarnir vonast til að nema.
Reyndar telja þeir að þetta hafi mögulega þegar átt sér stað. Í námu einni í Minnesota í BNA á slík tilraun sér stað undir nafninu Cryogenic Dark Matter Surf Experience. Þar hafa menn tvívegis – árin 2007 og 2008 – mælt hitastigshækkun sem gæti stafað af árekstri við drumbeind. Margir eðlisfræðingar draga þó þær niðurstöður í efa.
Kannski má staðfesta niðurstöðurnar með mælingum í Boulby-námunni í Englandi. Þar hafa menn um margra ára skeið gert tilraunir en vegna hins viðkvæma eðlis drumbeinda þarf bæði heppni og ástundun til að fanga tilvist hennar.
