Við skiljum einungis 5% af alheimi.
Til þess að geta skilið eitthvað verðum við nefnilega að geta séð það. En það sem við getum séð – stjörnurnar á himni, pláneturnar i kringum þær og gasið og rykið úti í geimi – er aðeins brot af öllu því sem fyrirfinnst í alheimi.
Restin hefur til þessa verið okkur ósýnileg. Vitað er að alheimur – samkvæmt öllum útreikningum og kenningum sem stjarnfræðingar geta hugsað upp – samanstendur 95% af alheimi af hinu dularfulla pari, hulduefni og hulduorku.
Við höfum bara aldrei getað fundið sannanir fyrir þessum hulda alheimi.
Nú hyggjast stjarnfræðingar gera nýja og stórbrotna tilraun.
Geimsjónaukanum Evklíð var skotið á loft þann 1. júlí 2023 um borð í Falcon 9-eldflaug og hefur nú náð áfangastað sínum: Sem er sporbraut um sólu í 1,5 milljón km fjarlægð frá jörðu, við hlið flaggskips NASA, James Webb geimsjónaukanum.
Evklíð hefur opnað linsu sína mót geimnum og verkefni hans er hafið. Það felst í að finna og magnsetja ósýnilegt hulduefni og hulduorku í geimnum.
Á sex árum mun geimsjónaukinn taka myndir af þriðjungi himinsins, sem og einum og hálfum milljarði stjörnuþoka.
Greiningar á öllum þessum myndum munu sýna hvaða áhrif þessi huldu fyrirbæri hafa á form og innihald alheims.
„Evklíð leiðangurinn er risastökk í leit okkar að skilningi á alheimi“.
Yannick Mellier forstöðumaður Evklíð Consortium
Kannski mun Evklíð ekki aðeins umbylta skilningi okkar á hulduefni og hulduorku, heldur einnig á grundvallarkenningu heimsfræðinnar.
Athuganir þessar geta staðfest skilning okkar á þyngdarafli og sögu alheims – eða neytt sérfræðingana til að hugsa um allt þetta upp á nýtt.
Hulduefni eykur hraða stjarnanna
Stjörnuþokur eru saman í stórum hópum sem kallast stjörnuklasar. Þegar upp úr 1930 sýndu athuganir að stjörnuþokur í þessum klösum hringa hver aðra hraðar en ætla mætti út frá þeim stjörnum sem unnt var að greina.
Svissneski stjarnfræðingurinn Fritz Zwicky rannsakaði fyrirbærið og lagði til að það hlyti að vera að finna massa í stjörnuþokunum sem við gætum ekki séð – og nefndi þennan massa „hulduefni“ (á þýsku „dunkle Materie“).
Þetta hulduefni fær stjörnurnar í stjörnuþokunum til að hringa miðju þeirra hraðar en þær myndu ella gera.
Um 1970 mældi bandaríski stjarnfræðingurinn Vera C. Ruin snúninginn á fjölmörgum stjörnuþokum og þá kom í ljós að stjörnuþokurnar innihalda fimm sinnum meira af hulduefni en venjulegu efni.
Mestur hluti alheims er hulinn
Einungis 5% af alheimi samanstendur af venjulegu sýnilegu efni. Hulduefni sér til þess með þyngdarkrafti sínum að ystu stjörnur í stjörnuþokum slöngvist ekki langt út í buskann. Hulduorka fær alheim til að þenjast út.
1. Sýnilegt efni
2. Hulduefni
3. Hulduorka
Síðan þá hafa eðlisfræðingar reynt að finna út hvað þetta hulduefni eiginlega er.
En við vitum aðeins það með vissu að efni þetta sendir hvorki frá sér, endurvarpar eða dregur til sín ljós og það getur farið í gegnum venjulegt efni án þess að raska því nokkuð.
Á hverri sekúndu geta milljónir af öreindum hulduefnis farið í gegnum líkama okkar án þessa að við tökum hið minnsta eftir því.
Í hundruðum tilrauna hafa eðlisfræðingar leitast við að fá hulduefni til að afhjúpa sig en fram til þessa hefur það ekki skilið eftir sig nokkur spor – burt séð frá því að þyngd þess togar í venjulegt efni með aðdráttarafli sínu.
Þyngdarkrafturinn frá hulduefni sér þannig til þess að venjulegt efni safnast saman í gríðarstórum kosmískum formum. Stjörnuþokurnar liggja eins og daggardropar í þrívíðum köngulóarvef, þar sem þræðirnir eru hulduefni.
Nú á Evklíð-sjónaukinn að kortleggja efnið.
Sjónauki fangar fjarlægt stjörnuþokuljós
Tveggja tonna þungur og 4,5 metra langur geimsjónaukinn Evklíð hringar sólina á sporbraut í 1,5 milljon km fjarlægð frá jörðu. Þar fangar hann ljós frá stjörnuþokum í tíu milljarða ljósára fjarlægð sem vísindamenn rannsaka í þaula – og vonast til að finna sannanir um hulduefni og hulduorku.
1. Spegill safnar ljósi frá stjörnuþokum
Aðalspegillinn er 1,2 metrar í þvermál og samanstendur af kísilkarbíði, einu harðasta þekkta efninu sem er húðað silfri. Ljósið frá fjarlægum stjörnuþokum er sent með minni speglum áfram til mælibúnaðar um borð.
2. Risamyndavél tekur skarpar myndir
Myndavél sjónaukans samanstendur af 36 CCD-myndaflögum sem hver er 5 cm á hlið og með upplausn sem nemur 17 megapixlum. Alls nær myndavélin þannig upplausn sem er yfir 600 megapixlum. Hver mynd inniheldur tugþúsundir af stjörnuþokum.
3. Ljósinu er skipt upp
Svokallaður ljósrofsmælir fangar innrautt ljós frá stjörnuþokunum og skiptir ljósinu upp í einstakar bylgjulengdir þess. Með slíkum mælingum geta vísindamenn reiknað út nákvæma fjarlægð til hverrar stjörnuþoku sem er mynduð.
4. Sólhlíf heldur sjónaukanum köldum
Sjónaukinn virkar best við um -150 °C og því er Evklíð búinn sólhlíf þannig að speglarnir og mælitækin liggi stöðugt í skugga. Sólarmegin eru sólarþil sem framleiða straum.
1. Spegill safnar ljósi frá stjörnuþokum
Aðalspegillinn er 1,2 metrar í þvermál og samanstendur af kísilkarbíði, einu harðasta þekkta efninu sem er húðað silfri. Ljósið frá fjarlægum stjörnuþokum er sent með minni speglum áfram til mælibúnaðar um borð.
2. Risamyndavél tekur skarpar myndir
Myndavél sjónaukans samanstendur af 36 CCD-myndaflögum sem hver er 5 cm á hlið og með upplausn sem nemur 17 megapixlum. Alls nær myndavélin þannig upplausn sem er yfir 600 megapixlum. Hver mynd inniheldur tugþúsundir af stjörnuþokum.
3. Ljósinu er skipt upp
Svokallaður ljósrofsmælir fangar innrautt ljós frá stjörnuþokunum og skiptir ljósinu upp í einstakar bylgjulengdir þess. Með slíkum mælingum geta vísindamenn reiknað út nákvæma fjarlægð til hverrar stjörnuþoku sem er mynduð.
4. Sólhlíf heldur sjónaukanum köldum
Sjónaukinn virkar best við um -150 °C og því er Evklíð búinn sólhlíf þannig að speglarnir og mælitækin liggi stöðugt í skugga. Sólarmegin eru sólarþil sem framleiða straum.
Með Evklíð-sjónaukanum hyggjast stjarnfræðingar skapa þrívíða mynd af alheimi.
Myndinni má líkja saman við það sem læknar skoða á segulómmyndum.
Tíu milljarða ára aftur í sögu alheims getur geimsjónaukinn Evklíð greint.
Í þessari þrívíðu mynd geta vísindamenn þannig séð hvernig stjörnuþokurnar hafa hópast saman á síðustu tíu milljörðum ára. Þannig geta þeir jafnframt fundið út hvernig hulduefni hefur mótað alheim.
Auk þess hyggjast vísindamennirnir nýta sér fyrirbæri sem nefnast veiku þyngdarafls-linsuáhrif til þess að afhjúpa hulduefni. Áhrifin nefnast svo þar sem hulduefni – rétt eins og venjulegt efni – sveigir sjálft rúmið í kringum sig þannig að ljósið frá fjarlægum stjörnuþokum verður að fara á svigi í gegnum alheim til að ná til okkar.
Þannig virkar hulduefnið eins og eins konar linsa sem fær stjörnuþokurnar til þess að bjagast lítillega þegar ljósið frá þeim nær til Evklíðs-sjónaukans.
Rúmfræði alheims ræðst af magni hulduefnis og hulduorku og því er nýi sjónaukinn nefndur eftir ættföður rúmfræðinnar, gríska stærðfræðingnum Evklíð.
Greiningar á þessari bjögun stjörnuþokanna geta fært vísindamenn nær sannleikanum um hulduefni.
Vísindamenn hafa enga hugmynd um úr hverju þetta efni eiginlega er en tveir kandídatar eru mögulegir: Hinar tiltölulega þungu öreindir sem nefnast WIMPS (Weekly Interacting Massive Particles) og léttari öreindir sem nefnast axiónur.
Myndir Evklíðs má bera saman við reiknilíkön fyrir WIMPS og axiónur og vonir eru bundnar við að það geti beint fræðimönnum í rétta átt.
Alheimur eykur hraðann
Alheimur þenst út. Fræðimenn vissu þegar upp úr 1920 að stjörnuþokurnar fjarlægjast hver aðra stöðugt því að jafnvel rúmið milli þeirra verður stærra og það er hægt að mæla.
Stjarnfræðingar reiknuðu eiginlega með að útþenslan myndi smám saman bremsast af vegna alls efnisins í alheimi, því allt efni togar jú í allt annað efni með þyngdarkrafti sínum.
En þess í stað fundu vísindamennirnir árið 1998 óvænt út að útþenslan heldur ekki aðeins ótrauð áfram, heldur eykst hraði útþenslunnar. Því hlýtur að vera til einhver orka sem verkar á móti samanlögðum krafti þyngdarkraftsins og sem „þrýstist út á við“ – og þessi orka hefur verið nefnd hulduorka.
LESTU EINNIG
Í sinni einföldustu gerð er hulduorkan innbyggð í sjálft rúmið og virkar eins og sundrandi afl – er með neikvæðan þrýsting – sem fær rúmið til að þenjast út.
Meira rúm felur þannig í sér meiri hulduorku sem enn á ný býr til meira rúm og þannig getur þetta haldið áfram.
En kannski er hulduorka ekki svona einföld.
⇑ Stjörnuþokuljós afhjúpar hulinn alheim
Ljós frá fjarlægum stjörnuþokum sveigist vegna hulduefnis þannig að það virkar bjagað frá okkar sjónarhorni. Bjögunina geta vísindamenn sem standa að Evklíð-sjónaukanum notað til þess að kortleggja hulduefni og mæla hvernig hulduorka þenur alheim út.
Fjarlægar stjörnuþokur senda frá sér ljós
Myndavél Evklíðs fangar ljós sem var sent frá einum og hálfum milljarði stjörnuþoka alheims úr tíu milljarða ljósára fjarlægð. Ljós stjörnuþokanna er þannig upprunnið frá tiltölulegri bernsku alheims í 13,8 milljarða ára gamalli sögu hans.
Hulduefni sveigir ljósið
Á hinni löngu leið sinni í gegnum alheim mætir ljósið frá stjörnuþokunum þyrpingum af hulduefni sem sveigir rúmið í kringum sig. Ljósið fylgir þessari sveigju eftir og breytir stefnu sinni á leiðinni til okkar.
Hulduorkan hefur dreift hulduefninu.
Greiningar á formi stjörnuþoka innihalda upplýsingar fyrir stjarneðlisfræðinga um hve mikið hulduefni er að finna í alheimi og hvernig það hefur klumpast saman. Þau gögn hjálpa til við að reikna áhrif hulduorku á alheim.
Með tilkomu Evklíðs geta vísindamenn fundið út hversu hratt stjörnuþokur hafa fjarlægst hver aðra á síðustu tíu milljörðum ára.
Þar með geta þeir einnig komist að því hvort hulduorka hafi ævinlega verið þannig hvarvetna í alheiminum. Kannski er styrkur hennar breytilegur með tíma og þá þurfa eðlisfræðingar að finna nýtt líkan fyrir alheim og þróun hans.
Kenningar verða mögulega umritaðar
Evklíð er eini geimsjónaukinn sem einvörðungu er ætlað að einblína á hulinn alheim. En niðurstöður mælinga frá sjónaukanum munu ekki standa einar og sér, því bandarískir vísindamenn vinna nú hörðum höndum að smíði voldugrar stjörnurannsóknarstofnunar: Vera C. Rubin Observatory.
Sjónauki hennar verður settur upp á toppi fjallsins Cerro Pachón í norðurhluta Chile og á árinu 2024 mun hann hefjast handa við að taka myndir af himinhvolfinu yfir suðurhveli jarðar.
Auk þess verður næsti stóri geimsjónauki NASA, Nancy Grace Roman Space Telescope, sendur á loft 2027. Hann verður enn stærri en Evklíð og mun geta rýnt lengra út í geim.
Með því að keyra saman gögn frá Evklíð, Rubin og Roman er hægt að ná fram mun nákvæmari mælingum sem gætu veitt okkur aukinn skilning á hulduorku.
LESTU EINNIG
Helsta spurningin er hvort besta líkan eðlisfræðinga fyrir alheim haldi vatni.
Eðlisfræðingar byggja líkan sitt um alheim á tveimur forsendum: Að efni alheims sé jafndreift um hann allan og að alheimur líti eins út úr öllum áttum. Síðast en ekki síst að hann jafnframt þenjist út jafn hratt í allar áttir.
Ef mælingar Evklíðs sýna að sú er ekki raunin – ef alheimur sem dæmi þenst hraðar út í eina átt heldur en í einhverja aðra – þá þurfa eðlisfræðingar að endurskoða útreikninga sína rækilega.
En það sem kæmi mest á óvart myndi vera ef í ljós kemur að almenna afstæðiskenning Einsteins standist ekki skoðun á svona stórum skala.
Þá þurfa vísindamenn að finna alveg nýja kenningu fyrir sjálfan þyngdarkraftinn.
