Þú keyrir bíl milli tveggja bæja og reynir að mæla fjarlægðina. Kílómetramælirinn í bílnum gefur upp 74 en mæling á landakorti segir fjarlægðina vera 67,4. Spurningin er nú í hverju liggur villan: Er kílómetramælirinn bilaður eða er það eitthvað annað sem veldur þessu misræmi?
Núna standa stjarnfræðingar heims frammi fyrir sambærilegum vanda.
Það sem þeir eru að reyna að mæla er þó ekki fjarlægð milli tveggja bæja heldur hraðann sem alheimur þenst út á. Og hér hafa þeir komist að tveimur mismunandi niðurstöðum.
Búið er að grandskoða báðar mælingar, án þess að nokkuð sérstakt hafi fundist. En eigi leiðandi kenningar um innihald alheims og þróun hans að passa geta niðurstöðurnar ómögulega verið báðar réttar.
Allir stjarnfræðingar eru sammála um að alheimurinn þjáist af heiftarlegum vaxtarverkjum sem verður til þess að stjörnuþokurnar fjarlægjast hver aðra. Stóra spurningin er á hvaða hraða þær gera það.
Þessi hraði nefnist Hubble-fastinn og stjarnfræðingar eru ekki sammála um hann.
Þegar þeir vita Hubble-fastann geta þeir reiknað sig aftur á bak þannig að ósamkomulagið um aðra niðurstöðuna veldur einnig efasemdum um aldur alheims.
Planck-sjónaukinn
Gögn frá Planck-sjónaukanum hafa veitt nákvæmustu mælingar á staðli Hubbles.
- Gerð: Geimsjónauki
- Rekstur: 2009 – 2013
- Bylgjulengd: Frá örbylgjum yfir í innrautt róf.
- Markmið: Að mæla hitastigsmun í örbylgjuklið geimsins.
Það er erfitt að mæla Hubble-fastann með mikilli nákvæmni. Mismunandi aðferðir við að mæla hann hafa allan tímann veitt mismunandi niðurstöður en vísindamenn reikna með því að betri mælingaaðferðir myndu færa þá nær réttum þensluhraða.
Á síðustu árum hafa stjarnfræðingar hins vegar þróað nákvæmari aðferðir, án þess þó að niðurstöðurnar nálgist hvor aðra.
Þvert á móti virðast þær liggja í kringum tvö gildi – 67,4 og 74 km/sek. – og margir stjarnfræðingar telja nú að líklega finnist aðeins ein skýring: Skilningi okkar á innihaldi alheims og kröftum hans er ábótavant.
Stjörnudauði afhjúpar hraða stjörnuþoka
Bandaríski nóbelsverðlaunahafinn og prófessor við John Hopkins University, Adam Riess, hefur í ríflega 20 ár unnið að því að mæla Hubble-fastann.
Þegar sérstök gerð af stórum stjörnum enda líf sitt sem sprengistjörnur lýsa þær með ákveðnum ljósstyrk. Þetta gerir mönnum kleift að mæla fjarlægðina til fjarlægra stjörnuþoka og hraða þeirra burt frá okkur.
Árið 2019 komst Riess að því að Hubble-fastinn væri 74,0 km/sek. fyrir hverja megaparsec.
Megaparsec (stytt í Mpc) er lengdarmæling sem stjarnfræðingar nota við afar miklar fjarlægðir. Megaparsec samsvarar um 31 milljarði km.
Mælingar veita hvor sína niðurstöðu
Hubble-fastinn er mælieining fyrir það hversu hratt alheimur þenst út. Hraðann má mæla út frá sprengistjörnum eða frávikum í örbylgjukliðnum en mælingarnar veita ekki sömu niðurstöðu.
Aðferð 1
74 km/sek. er þensla alheims þegar stjarnfræðingar mæla út frá sprengistjörnum.
Stjörnusprengingar eru mælipunktar
Sprengistjarna af gerðinni la lýsir upp með þekktum ljósstyrk. Tvöföldun fjarlægðarinnar veitir fjórðung af ljósinu því ljósið dreifist yfir stærri flöt. Ljósstyrkurinn sýnir þannig hve langt í burt stjarnan er.
Útþensla hliðrar lit ljóssins í átt að rauðu
Þegar sprengistjarna færist burt frá okkur strekkist bylgjulengd ljóssins út þannig að ljósið verður rauðara. Með því að mæla rauðvik ljóssins geta vísindamenn reiknað út hve hratt sprengistjarnan fjarlægist okkur.
Hraði/fjarlægð gefur Hubble-fastann
Með því að deila í hraða sprengistjörnu á leið burt frá fjarlægðinni til hennar geta stjarnfræðingar reiknað út Hubble-fastann. Því fleiri sprengistjörnur sem eru mældar, þess meiri verður nákvæmnin.
Mælingin er ekki 100% nákvæm en Riess og kollegar hans fullyrða að Hubble-fastinn hljóti að liggja einhvers staðar milli 72,6 og 75,4 km/sek. per. Mpc.
Þessi gildi eru studd af öðru teymi stjarnfræðinga undir forystu Sherry Suyu við Max Planck-stofnunina í stjarneðlisfræði í Þýskalandi.
Þeir hafa ekki nýtt sprengistjörnur heldur dulstirni – afar skærar miðjur stjörnuþoka – og hafa komist að því að gildið sé 73,3 km/sek. per. Mpc.
Aðrar og öllu óvissari mælingar veita niðurstöður í sama enda rófsins – niðurstaðan er 72 – 75 km/sek. per. Mpc en afar nákvæm mæling sem var gerð með annarri aðferð skilar mun lægra gildi.
Mælingin grundvallast á gögnum frá evrópska geimsjónaukanum Planck sem var í rekstri frá 2009 til 2013. Sjónaukinn mældi örbylgjuklið geimsins, leifar frá Miklahvelli sem losnuðu þegar alheimur var einungis 380.000 ára gamall.
Með því að greina þessa geislun geta stjarnfræðingar reiknað út hvernig alheimur hefur þanist út síðan þá. Árið 2018 tilkynnti teymið að Hubble-fastinn væri samkvæmt þeirra útreikningum 67,4 km/sek. per. Mpc – +/- 0,5 km/sek. per. Mpc. Þetta er minnsta óvissa í mælingu á fastanum til þessa.
Niðurstaðan er studd mælingum þar sem stjarnfræðingar reikna út Hubble-fastann með því að skoða stöðu stjörnuþokanna í alheimi. Í ungum alheimi var efnið ekki eins þétt.
Þetta hefur í för með sér að stjörnuþokurnar eru ekki jafn dreifðar í dag og þetta mynstur í dreifingu þeirra geta vísindamenn nýtt til að reikna út Hubble-fastann.
Út frá stærð og dreifingu heitra og kaldra svæða má reikna út útþensluhraða alheims.
Aðferð 2
67,4 km/sek. er þensla alheims þegar stjarnfræðingar mæla út frá örbylgjukliðinum.
Í milljarði ára hefur alheimur verið baðaður í hitageislun sem stafar frá bernsku hans – örbylgjukliðnum í geiminum. Í þann tíma var alheimur glóandi heit súpa af efni og geislun en súpan varð ekki jafnheit alls staðar – það voru lítil frávik í þéttni efnisins og hitastigsins. Síðan þá hefur alheimur þanist út og kólnað niður en geislunina frá þessum tíma, þegar alheimur var einungis 380.000 ára gamall, er þar enn að finna.
Planck-sjónaukinn hefur mælt þessar hitaleifar frá Miklahvelli með mikilli nákvæmni. Núna er hitastig alheims alveg niður við -270,47 °C – einungis 2,73 gráður yfir alkuli – en samt með smávægileg frávik. Þessi frávik í örbylgjukliðnum samsvara mismunandi þéttni efnisins í kornungum alheimi og út frá þeim útgangspunkti geta stjarnfræðingar reiknað út hve hratt alheimur hefur þanist út síðan þá.
Ef stjarnfræðingar nota tvær síðustu mælingarnar til þess að horfa aftur til Miklahvells mun aldur alheims verða 13,8 milljarðar ára eins og flestir sérfræðingar hafa til þessa talið.
En þenjist alheimur nokkru hraðar eins og mælingar Adam Riess sýna, gæti alheimur verið mörg hundruð milljón árum yngri.
Óvissan um Hubble-fastann varðar einnig form alheims. Flestir stjarnfræðingar eru sammála um að alheimur sé nærri því að vera flatur. En þeir vita ekki hvort hann sé óendanlega stór eður ei.
Innihald alheims ræður formi hans
Dreifing efni og orku veitir alheimi tiltekna sveigju. Hann gæti ýmist verið lokaður, opinn eða flatur. Flestir stjarnfræðingar telja að alheimur sé næstum flatur en hópur annarra hefur nýlega fært rök fyrir því að hann kunni að vera lokaður.
1. Lokaður alheimur
Mikil þéttni gerir alheim lokaðan
Ef meðaltal magns orku og efnis – þéttnin – í alheimi er mikil, sveigist hann inn á við eins og kúla. Vísindamenn segja alheim lokaðan því þeir ljósgeislar sem sendast af stað samhliða nálgast hvorn annan. Í þríhyrningi er summa hornanna meira en 180°.
2. Opinn alheimur
Lág þéttni gerir alheim opinn
Ef þéttnin er lág sveigist alheimur út á við eins og söðull. Þetta nefnist opinn alheimur því tveir ljósgeislar sem eru sendir af stað samsíða munu fjarlægjast hvor annan út í hið óendanlega. Í opnum alheimi er hornasumma þríhyrnings minni en 180°.
3. Flatur alheimur
Tiltekin þéttni gerir alheiminn flatan
Hafi þéttnin tiltekið gildi, sveigist alheimur alls ekki á stórum skala. Hann er flatur eins og pönnukaka – einungis í þremur víddum. Tveir samsíða ljósgeislar verða því samsíða út í hið óendanlega og summan af hornum í þríhyrningi er ævinlega 180°.
Í vísindagrein í tímaritinu Nature Astronomy frá nóvember 2018 færa þrír eðlisfræðingar rök fyrir því að mælingar Planck-sjónaukans bendi til þess að alheimur sé lokaður.
Þ.e.a.s. að alheimur sveigist inn á við eins og kúla og er því með endanlegt rúmtak. Kenning þessi leysir ekki vandann með Hubble-fastann heldur þvert á móti. Lokaður alheimur myndi þýða að Hubble fastinn hefði enn lægra gildi en það sem teymið á bak við Planck-sjónaukann reiknaði út.
Endurrita þarf handbók alheims
Þegar vísindamenn mæla stærð tiltekins fyrirbæris eins og hraðann á útþenslu alheims verða niðurstöðurnar að vera þær sömu í hvert sinn – þær mega ekki ráðast af mælingaraðferðinni.
Fái vísindamenn mismunandi niðurstöður eru annað hvort mælingarnar eða einhver grunn sjónarmið þeirra röng.
Stjarnfræðingurinn Adam Riess hefur mælt Hubble fastann með hjálp sprengistjarna.
Ósamkomulagið hefur náð því stigi að því má ómögulega hafna sem hendingu.
Adam Riess, prófessor í stjarnfræði
Stjarnfræðingar hafa reynt allt hvað þeir geta til þess að gera ráð fyrir öllum aðstæðum sem gætu valdið villu í mælingunum en allir útreikningar virðast kórréttir – bæði þeir sem sýna Hubble-fastann vera nærri 67 km/sek. per. Mpc og þær sem sýna gildi nærri 74 km/sek. per. Mpc.
Enginn getur fundið nokkra villu í greiningunum. Heimsfræðin stendur m.ö.o. frammi fyrir miklum vanda en vísindamenn gleðjast oft slíkum flækjum, því leiðin út úr vandanum getur leitt til nýrrar grundvallarþekkingar.
Adam Riess segir þennan mun í mælingunum vera ákaflega spennandi þróun innan heimsfræðinnar og ályktar:
„Ósamkomulagið hefur aukist og er nú komið á þann stað sem ómögulegt er að hafna því sem tilfallandi.“
Séu allar mælingar réttar hlýtur munurinn að stafa af því að við skiljum ekki leikreglur alheims.
Eins og Sherlock Holmes sagði: „Þegar maður hefur útilokað hið ómögulega hlýtur það sem er eftir að vera sannleikurinn, óháð því hversu ósennilegt það er.“
Stjarnfræðingar geta því þurft að taka til í leiðbeiningabókinni fyrir alheim sem þeir hafa þróað um áratugaskeið og nokkrar tillögur að lausnum vegna Hubble vandans eru þegar komnar fram.
Þær eiga sameiginlegt að þær lýsa alheimi sem er mun flóknari en vísindamenn héldu.
Viðtekið líkan stjarnfræðinga – svonefnt λ-CDMlíkan – hefur fram til þessa getað útskýrt hvers vegna alheimurinn lítur út eins og hann gerir og líkanið liggur til grundvallar öllum mælingum á útþenslu hans.
CDM stendur fyrir Cold Dark Matter, kalt hulduefni. Hulduefni dregur nafn sitt af því að það sendir ekki frá sér nokkra geislun. Með köldu meina eðlisfræðingar að það hreyfist hægar en ljós.
λ, gríski bókstafurinn lambda, stendur fyrir hulduorku – gerð orku sem er að finna hvarvetna í alheimi og þenur hann í sundur. Sú skýring sem hlotið hefur mesta athygli varðar einmitt þessa hulduorku.
Efni og hulduorka toga hvort í sína átt
Frá Miklahvelli hefur alheimur þanist út. En útþenslan bremsast af venjulegu efni og hulduefni. Hins vegar leitast hulduorkan sífellt við að hraða þenslunni. Hún virkar eins og eins konar fjöður sem þenur út sjálft rúmið.
Venjulegt efni bremsar
Stjörnur, plánetur og frumefni sem við getum séð er venjulegt efni. Allt efni togar í annað efni – þennan togkraft nefnum við þyngdarkraft. Þyngdarkrafturinn togar alheim saman og virkar á móti útþenslu hans.
Hulduorka hraðar
Hulduorka virkar á móti þyngdarkraftinum og er því eins konar neikvæður þrýstingur. Magn hulduorku miðað við rúmmál helst hið sama en þar sem hulduorkan skapar meira rúm, eykst magn þess stöðugt sem hraðar útþenslu alheims.
Hulduefni bremsar ennþá meira
Rétt eins og venjulegt efni, togar hulduefni í allt annað efni og það bremsar útþenslu alheims ennþá meira. Þar sem hulduefni sendir hvorki frá sér né tekur til sín nokkra þekkta gerð geislunar má líta á það sem þyngdarkraft.
Efni og hulduorka toga hvort í sína átt
Frá Miklahvelli hefur alheimur þanist út. En útþenslan bremsast af venjulegu efni og hulduefni. Hins vegar leitast hulduorkan sífellt við að hraða þenslunni. Hún virkar eins og eins konar fjöður sem þenur út sjálft rúmið.
Venjulegt efni bremsar
Stjörnur, plánetur og frumefni sem við getum séð er venjulegt efni. Allt efni togar í annað efni – þennan togkraft nefnum við þyngdarkraft. Þyngdarkrafturinn togar alheim saman og virkar á móti útþenslu hans.
Hulduorka hraðar
Hulduorka virkar á móti þyngdarkraftinum og er því eins konar neikvæður þrýstingur. Magn hulduorku miðað við rúmmál helst hið sama en þar sem hulduorkan skapar meira rúm, eykst magn þess stöðugt sem hraðar útþenslu alheims.
Hulduefni bremsar ennþá meira
Rétt eins og venjulegt efni, togar hulduefni í allt annað efni og það bremsar útþenslu alheims ennþá meira. Þar sem hulduefni sendir hvorki frá sér né tekur til sín nokkra þekkta gerð geislunar má líta á það sem þyngdarkraft.
Í einfaldasta líkani fyrir alheim gera stjarnfræðingar ráð fyrir að hulduorkan hafi ævinlega verið hin sama – að hver rúmmetri af geiminum hafi ævinlega innihaldið tiltekið magn hulduorku.
Þessi hulduorka verður til þess að alheimur þenst út hraðar og hraðar því það myndast meira rúm og þar með meiri hulduorka. En ef þessi hulduorka styrkist í sjálfri sér mun þenslan verða ennþá hraðari.
Það gæti útskýrt að mismunandi mælingaaðferðir veiti mismunandi niðurstöður. Lágt gildi Hubble-fastans sem er reiknað út frá örbylgjukliðnum, byggir nefnilega á þeirri forsendu að hulduorka sé fasti.
Þær mælingar sem veita hærra gildi byggja á hraða stjörnuþoka í burt frá okkur og ráðast ekki af fyrirbærum eins og hulduorku.
Ef hulduorka er ekki fasti má skilja að mælingaaðferðir veiti hver sína niðurstöðu.
Á hinn bóginn eiga eðlisfræðingar erfiðara með að útskýra hvers konar stærð hulduorka sé eiginlega og hvaða dularfullt náttúruafl breytir henni með tímanum.
Mestur hluti alheims er hulinn
Samkvæmt viðteknu líkani heimsfræðinnar samanstendur alheimur af þremur meginþáttum: Hulduorku, hulduefni og venjulegu efni. Venjulegt efni sem er það efni sem við getum greint, er einungis 4,9%. Breytilegar mælingar á útþensluhraða alheims stafa kannski af því að það er eitthvað við ósýnilegan alheim – hulduorku eða hulduefni – sem eðlisfræðingar skilja ekki til fulls.
Önnur dularfull orka sem virkaði einungis fyrstu 100.000 árin í sögu alheims og hvarf síðan sporlaust, kann einnig að vera útskýring á þessu misræmi.
Svo kannski þarf því nýtt náttúruafl til að útskýra hvers vegna alheimur kemur stjarnfræðingum svo á óvart.
Fiseindir fá tölurnar til að passa
Ef lausnin á hubblevandanum felst ekki í nýju náttúruafli gæti dularfull öreind verið að verki. Stjarnfræðingar við m.a. Fermilab í BNA hafa bent á mögulega útskýringu sem varðar hina lítilfjörlegu grunnöreind sem nefnist fiseind.
Þrátt fyrir að þær sé að finna hvarvetna og myndist í miklu magni í sólinni t.d., er oft litið fram hjá þeim. Fiseindir víxlverka nefnilega nær ekkert við önnur efni heldur eru eins konar draugaöreind sem þeytist í gegnum allt og er ákaflega erfitt að mæla.
Það er einmitt þess vegna sem eðlisfræðingar vita ekkert mikið um fiseindir og kannski geyma þær leyndarmál sem geta útskýrt þessa mismunandi niðurstöður mælinga.
Eðlisfræðingar vita um þrjár ólíkar gerðir fiseinda en það er mögulegt að sú fjórða finnist sem hefur ekki enn uppgötvast.
Ef þessi fjórða fiseind var að verki í bernsku alheims gæti það bæði haft þýðingu fyrir örbylgjukliðinn og eins fyrir það hvernig stjörnuþokur hafa dreifst.
Þá munu þau gögn sem liggja til grundvallar lægra gildi Hubble-fastans verða greind með nýjum hætti. Það gæti veitt hærra gildi sem liggur nær hinu sem fannst út með sprengistjörnum og dulstirnum.
Ástralski stjörnufræðingurinn Matt O'Dowd stjórnar myndbandsþáttum um stjörnufræði. Horfðu á hann útskýra vandamálið með Hubble-fastann.
Nýja fiseindarannsóknarstöðin Hyper-Kamiokande getur kannski veitt svarið.
Stofnunin er í smíðum í Japan og samanstendur m.a. af vatnstanki sem verður fylltur með 260 milljón lítrum af ofurhreinu vatni. 40.000 hárnákvæmir ljósskynjarar eiga að fanga spor eftir fiseindirnar þá sjaldan þær fara í gegnum vatnssameindir – og gætu afhjúpað óþekkta fiseind.
Ef það eru sprengistjörnurnar sem eru sökudólgurinn gæti stóri sjónaukinn Vera C. Rubin Observatory sem er í smíðum í Chile, veitt nákvæmari mælingar.
Sjónaukinn verður tilbúinn árið 2023 og mun geta uppgötvað langtum fleiri sprengistjörnur en áður var mögulegt. Þess fleiri sprengistjörnur sem hægt er að ákvarða hraða og fjarlægð til, því nákvæmari verður Hubble-fastinn.
Árið 2022 var evrópski geimsjónaukinn Evklíð sendur á loft til að rannsaka hvernig alheimur hefur þróast í gegnum síðustu tíu milljarða ára.
Með sjónaukanum geta stjarnfræðingar ekki einungis séð hvernig alheimur þenst núna út, heldur einnig hvernig útþenslan hefur verið í allri sögu alheims. Með þessum hætti munu stjarnfræðingar geta séð hvort athuganirnar passi við kenningarnar fyrir útþenslu alheims.
Evklíd
Evklíd-gervihnötturinn á að rannsaka hvort hulduorka hafi breyst með tímanum.
- Gerð: Geimsjónauki
- Geimskot: 2022
- Bylgjulengd: Sýnilegt ljós til nær innrauðs ljós
- Markmið: Rannsókn á hulduorku og hulduefni með mælingum á útþenslu alheims
Hvort þetta sé ein af fyrrnefndum kenningum eða kannski sú þriðja sem kemur á samkomulagi meðal stjarnfræðinga, munu mælingar framtíðar leiða í ljós.
Fyrst þegar rétt líkan fyrir alheim og innihald hans hefur fundist geta vísindamenn tjáð sig um útþensluhraða alheims og aldur með fullri vissu.
Nýjar athuganir á fiseindum, hulduorku og sprengistjörnum munu vonandi leiða til nákvæmari lýsingar á alheimi.
Þannig að þegar þú keyrðir bíl milli tveggja bæja, eins og greint var frá hér að framan, munu bæði kílómetramælirinn og landakortið sýna sömu fjarlægð.
