Heimurinn á enn meiri þönum

Nýjar mælingar Nóbelsverðlaunahafa í eðlisfræði með Hubble-geimsjónaukanum sem benda til þess að alheimurinn sé að þenjast hraðar út en áður var talið hafa vakið athygli í vísindaheiminum. Sævar Helgi Bragason, ritstjóri Stjörnufræðivefjarins, segir niðurstöðuna geta þýtt að áður óþekkt afl hafi áhrif á útþenslu alheimsins.

Niðurstöður mælinga Adams Riess frá Geimsjónaukavísindastofnuninni og Johns Hopkins-háskóla í Bandaríkjunum og félaga hans í SH0ES-hópnum benda til þess að alheimurinn þenjist út 5–9% hraðar en vísindamenn höfðu búist við. Grein um niðurstöður þeirra mun birtast í ritinu Astrophysical Journal.

Reynist niðurstöðurnar réttar hafa þær verulega þýðingu fyrir mælingar á aldri alheimsins og hver örlög hans verða.

Eitt mikilvægasta gildið í stjarnvísindum

Vitað hefur verið að alheimurinn er að þenjast út frá því að bandaríski stjörnufræðingurinn Edwin Hubble, sem geimsjónaukinn er nefndur eftir, gerði sér grein fyrir því með athugunum á rauðviki ljóss frá fjarlægum vetrarbrautum árið 1929. Eftir því sem ljósuppspretturnar fjarlægast, því meira teygist á bylgjulengdum ljóssins sem stafar frá þeim séð frá jörðinni.

Önnur bylting varð í skilningi manna á alheiminum fyrir um tveimur áratugum þegar stjarneðlisfræðingar áttuðu sig á því að hann hann væri að herða á útþenslu sinni með sívaxandi hraða. Vísindamennirnir sem uppgötvuðu það hlutu Nóbelsverðlaunin árið 2011, þar á meðal téður Riess.

Uppgötvanirnar komu á óvart en þyngdarkraftur sjáanlegra fyrirbæra í alheiminum ættu í kenningunni að valda því að alheimurinn skreppi saman. Menn hafa útskýrt þetta ósamræmi með tilvist ósýnilegrar hulduorku sem sé að stía alheiminum í sundur.

Það sem Hubble komst að á sínum tíma var að útþensluhraði vetrarbrautanna er í réttu hlutfalli við fjarlægð þeirra frá jörðinni og hefur það hlutfall verið nefnt Hubble-fastinn. Hann hefur veigamiklar afleiðingar þegar aldur alheimsins er ákvarðaður. 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.

Sævar Helgi segir að til að vita hversu hratt alheimurinn er að þenjast út þurfi stjörnufræðingar að mæla Hubble-fastann eins nákvæmlega og unnt er. Með honum sé hægt að reikna út stærð og aldur alheimsins og hversu hratt heimurinn þenst út.

„Þar af leiðandi veitir Hubble-fastinn okkur líka hugmynd um örlög alheimsins. Þess vegna er Hubble-fastinn eitt allra mikilvægasta gildið í stjarnvísindum og ekkert skrítið að stjörnufræðingar leggi svona mikla áherslu á að mæla það nákvæmlega. Í raun er þó ekki um fasta að ræða heldur stærð sem breytist með tímanum vegna þess að alheimurinn þenst mishratt út á mismunandi tímum“ segir Sævar Helgi. 

Skrefin þrjú sem vísindamennirnir notuðu til þess að ákvarða Hubble-fastann með meiri nákvæmni. ljósmynd/NASA, ESA, A. Feild (STScI), og A. Riess (STScI/JHU)

Allar vegalengdir tvöfaldast eftir 9,8 milljarða ára

Riess og félagar freistuðu þess að mæla Hubble-fastann með meiri nákvæmni en þekkst hefur fram að þessu. Þeir telja sig nú hafa nálgast hann með aðeins 2,4% óvissu. Þetta gerðu þeir með því að fínpússa aðferðir við að mæla vegalengdir til fjarlægra vetrarbrauta.

Vísindamennirnir leituðu að vetrarbrautum sem innihalda svonefnda sefíta eða sprengistjörnur af tegundinni 1a. Stjarnfræðilegu fyrirbrigðin nota menn sem svonefnd staðalkerti, fyrirbæri með þekkt birtustig sem gera vísindamönnum kleift að mæla fjarlægðir til þeirra með nákvæmum hætti.

Fjarlægðarmælingarnar báru vísindamennirnir svo saman við mælda útþenslu vetrarbrautanna út frá rauðviki þeirra. Þannig fengu þeir út nýja mælingu á Hubble-fastanum.

„Að mæla Hubble-fastann er mjög erfitt  Til að finna gildi hans þarf að mæla á fjarlægðir til margra vetrarbrauta mjög nákvæmlega og sömuleiðis hve hratt þær stefna burt frá okkur. Það er einmitt það sem stjörnufræðingarnir gerðu í rannsókninni,“ segir Sævar Helgi.

Niðurstöðurnar sem hópurinn fékk út benda til þess að alheimurinn sé að þenjast nokkuð hraðar út en menn hafa talið hingað til. Samkvæmt þeim þenst alheimurinn út með 73,24 km hraða á sekúndu fyrir hver 3,26 milljón ljósár sem við horfum út í geiminn. Þetta þýðir að fjarlægðir á milli allra fyrirbæra í alheiminum munu hafa tvöfaldast eftir 9,8 milljarða ára. 

Reyna að finna lausn á ráðgátunni

Vandamálið er að þessar niðurstöður samræmast ekki þeim útþensluhraða sem spáð hefur verið fyrir um út frá örbylgjukliðnum en hann er bakgrunnsgeislun frá Miklahvelli. Mælingar gervitungla bandarísku geimvísindastofnunarinnar NASA og evrópsku geimstofnunarinnar ESA á örbylgjukliðnum benda til þess að útþenslan ætti að vera 5-9% hægari.

Riess segir að hafi menn skilið eðlisfræðina og áætlað rétt magn efnis við upphaf alheimsins, þar á meðal hulduefnis og orku, þá ættu þeir að geta notað mælingar á útþenslu hans skömmu eftir Miklahvell til að spá fyrir um útþensluhraðann í dag. Misræmið sem hópurinn fann gæti verið vísbending um að menn hafi ekki skilið það rétt og að Hubble-fastinn sé annar í dag.

Sævar Helgi Bragason, ritstjóri Stjörnufræðivefsins. ljósmynd/Babak Tafreshi/National Geographic

Nokkrar skýringar eru taldar mögulegar á misræminu fyrir utan að mælingarnar séu hugsanlega ekki réttar. Ein er sú að hulduorkan sem knýr áfram útþenslu alheimsins sé að herða á útþenslunni af óþekktum ástæðum, önnur að ný öreind, huldugeislun, við upphaf alheimsins hafi brenglað spár manna út frá athugunum á örbylgjukliðnum og sú þriðja að hulduefni gæti haft áður óþekkta og einkennilega eiginleika.

Þá sé ekki loku fyrir það skotið að þetta sýni að kenning Alberts Einstein um eiginleika þyngdaraflsins sé hreinlega ófullkomin.

„Þetta kemur á óvart og helgast annaðhvort af skekkjum í mælingunum, sem á eftir að útrýma, eða hugsanlega er eitthvað annað óþekkt að hafa áhrif á útþenslu alheimsins. Við vitum það bara ekki. Nú er bara stóra málið að reyna að finna lausn á þessari ráðgátu,“ segir Sævar Helgi.

Markmið SH0ES-hópsins er að ná óvissunni um Hubble-fastann niður í 1%. Nýir og öflugri sjónaukar eins og James Webb-geimsjónaukinn sem á að taka við af Hubble árið 2018 gætu hjálpað vísindamönnunum að ná enn meiri nákvæmni í mælingum sínum.

Frétt NASA af mælingum Riess og félaga

• Blogga um frétt