Stjörnuþokan NGC 4603 séð í gegnum Hubble-geimstjörnusjónauka NASA.
Stjörnuþokan NGC 4603 séð í gegnum Hubble-geimstjörnusjónauka NASA.
Allir vita að alheimurinn er að þenjast út, skrifar Einar H. Guðmundsson. Nú hafa nýlegar mælingar gefið sterkar vísbendingar um það að þensluhraðinn fari vaxandi og að hann hafi verið að vaxa frá því löngu áður en jörðin varð til.
Þetta hefur komið stjarnvísindamönnum verulega á óvart, því að til skamms tíma var talið að þenslan hefði stöðugt verið að hægja á sér, allt frá því að svokallaðri óðaþenslu lauk skömmu eftir miklahvell.

Hraðaaukningin veldur því að sýnilegur hluti alheims er takmarkaður um alla framtíð við endanlegt rúmmál í geimnum, svæði sem endar í kúlulaga hveli í um 17 milljarða ljósára fjarlægð. Þetta hvel er jaðar hins sýnilega heims og samkvæmt almennu afstæðiskenningunni hefur það furðulega eiginleika.

Frá okkur séð fjarlægjast aðrar vetrarbrautir okkur og stefna á hvelið. Þær hægja smám saman á sér, birta þeirra dvínar og að lokum virðast þær setjast á hvelið og mynda þar eins konar yfirborðshimnu. Á endanum verða allar fjarlægar vetrarbrautir, sem nú má sjá í geimnum, komnar á þessa himnu.

Þetta er það sem afkomendur okkar í fjarlægri framtíð munu sjá héðan frá heimaslóðum í vetrarbrautinni. Ekki er þó allt sem sýnist. Samkvæmt afstæðiskenningunni er hvelið sýndarjaðar og í rauninni streyma vetrarbrautirnar út í gegnum það án nokkurrar fyrirstöðu. Komandi kynslóðir stjörnufræðinga í þessum vetrarbrautum munu hins vegar sjá okkar vetrarbraut setjast á tilsvarandi himnu á jaðri þeirra sýnilega heims.

Endimörkin eru því raunveruleg í þeim skilningi að athugendur á hverjum stað geta ekki með nokkru móti aflað upplýsinga um það sem er handan þeirra jaðars.

Í því sem hér fer á eftir verður fjallað um nokkur atriði sem skýra þetta nánar.

Þensla alheims og sjóndeildin

Við lifum í alheimi sem varð til fyrir u.þ.b. 14 milljörðum ára. Sá atburður gengur undir nafninu miklihvellur. Hann var upphaf rúms, tíma og efnis og þá tók rúmið að þenjast út með ógnarhraða. Efnið var upphaflega gríðarlega heitt og þétt en það kólnaði og þynntist við þensluna og að því kom að kekkir tóku að myndast. Þeir urðu smám saman að vetrarbrautum, sólum og sólkerfum með reikistjörnum. Að minnsta kosti á einni reikistjörnu, jörðinni, má nú finna vitsmunalíf. Eftir því sem best er vitað hófst þenslan alls staðar samtímis og alheimur hefur því enga miðju.

Í dag eru hópar vetrarbrauta stærstu einingar alheimsins og með þenslunni er átt við að fjarlægðin milli hópanna fari vaxandi. Vetrarbrautirnar eru risastór kerfi stjarna og geimefnis. Í dæmigerðri vetrarbraut eins og þeirri, sem við búum í, eru um hundrað milljarðar sólna auk annars efnis.

Sá hluti alheimsins, sem við sjáum með bestu mælitækjum, er gríðarlega stór og fjöldi sýnilegra vetrarbrauta skiptir tugum ef ekki hundruðum milljarða. Vegna endanlegs hraða ljóssins sjáum við þessar vetrarbrautir ekki eins og þær eru núna, heldur eins og þær voru fyrir langa löngu, þegar þær sendu frá sér ljósið sem við sjáum í dag. Á þeim tíma var alheimurinn þéttari og vetrarbrautirnar voru mun nær okkur en þær eru nú.

Þegar horft er út í geiminn er því jafnframt verið að horfa aftur í tímann. Ef nógu langt er skyggnst má sjá aftur til þess tíma þegar engar vetrarbrautir voru til og engar stjörnur.

Lengst í burtu má sjá glitta í frumheiminn og frá honum berst sú geislun sem við köllum örbylgjuklið. Frumheimurinn er ógagnsær og hylur miklahvell, sem er örlítið utar, á kúluyfirborði sem venjulega gengur undir nafninu sjóndeild.

Á hverjum tíma ákvarðast sjóndeildin af endanlegum aldri alheimsins, óháð því hvort alheimur er óendanlegur eða ekki.

Vaxandi þensluhraði

Til þess að sjá breytingar á þensluhraða alheimsins er nauðsynlegt að afla upplýsinga um mjög fjarlæg fyrirbæri.

Þetta er tæknilega erfitt verkefni, þar sem ystu ljósdeplarnir eru svo daufir vegna fjarlægðar að torvelt er að greina þá, jafnvel í bestu sjónaukum. Það er því mikilvægt að leita sérstaklega bjartra fyrirbæra.

Fyrir nokkrum árum tóku tveir hópar stjarnvísindamanna, með Bandaríkjamenn í broddi fylkingar, sig til og hófu víðtæka leit í óravíddum himingeimsins að björtustu ljóslindum alheimsins, svokölluðum sprengistjörnum af gerð Ia. Slíkar stjörnusprengingar verða þegar hvítir dvergar í þéttstæðum tvístirnum soga til sín efni frá systurstjörnum sínum og hrynja að lokum saman undan eigin þunga. Við þyngdarhrunið fara af stað ferli sem enda með því að dvergarnir springa í tætlur í einhverjum mestu hamförum sem stjarnvísindamenn þekkja.

Upphaflegur tilgangur rannsóknanna var að mæla þensluhraða alheims og enn fremur að kanna hversu ört drægi úr honum. Rannsóknahóparnir birtu fyrstu niðurstöður sínar árið 1998 og mun óhætt að fullyrða að þær hafi komið mjög á óvart. Sprengistjörnurnar reyndust nefnilega talsvert daufari en menn höfðu búist við. Þegar tillit hafði verið tekið til allra þekktra óvissuþátta var eina tiltæka skýringin sú að stjörnurnar væru mun lengra í burtu en áður var talið mögulegt. Þetta var sterk vísbending um að þensluhraði alheimsins færi vaxandi frekar en minnkandi.

Á þeim þremur árum, sem liðin eru, hafa frekari mælingar á sprengistjörnum gefið sömu niðurstöður. Að auki hafa mælingar á stefnuhneigð í örbylgjukliðnum og á dreifingu vetrarbrauta stutt þessa túlkun. Hún er jafnframt í fullu samræmi við mælingar á aldri alheimsins og aðrar heimsfræðilegar athuganir. Það er því nauðsynlegt að horfast í augu við þessar niðurstöður og kanna ítarlega hvaða afleiðingar þær hafa fyrir heimsmyndina.

Heimsfasti og hulduorka

Nýju mælingarnar sýna að þegar um miklar vegalengdir er að ræða verður eins konar andþyngdarafl ráðandi í alheimi.

Það ýtir hlutum hverjum frá öðrum og vinnur þannig gegn þyngdaraflinu. Slíkum fráhrindikrafti er lýst í almennu afstæðiskenningunni með svokölluðum heimsfasta sem Einstein innleiddi 1917 til þess að geta sett fram mynd af kyrrstæðum og eilífum heimi sem ekki hryndi saman undan eigin þunga. Þegar þensla alheims var uppgötvuð árið 1929 taldi Einstein heimsfastann óþarfan og fjarlægði hann úr kenningunni.

Hann mun jafnframt hafa látið þau orð falla að innsetning heimsfastans í kenninguna væru mestu mistök ævi sinnar.

Atburðarás síðustu ára bendir hins vegar til þess að þar hafi honum heldur betur skjátlast. Við réttar aðstæður veldur heimsfastinn nefnilega þenslu með sívaxandi hraða.

Samkvæmt skilningi eðlisfræðinga er heimsfastinn mælikvarði á orkuþéttleika tómsins. Tómarúmið er langt frá því að vera tómt, eins og áður var talið, heldur er það iðandi kös svokallaðra launeinda. Með launeindum er átt við alls konar öreindir sem myndast ásamt andeindum sínum úr engu og með tilviljanakenndum hætti. Þær lifa í örskamman tíma áður en þær eyðast. Hvar sem er í tóminu, inni í hlutum sem utan, er mikill fjöldi launeinda stöðugt að verða til og hverfa. Orka tómsins er orkan sem fólgin er í öllum þessum launeindum og víxlverkunum þeirra. Þetta er hin svokallaða hulduorka.

Örum sveiflum tómsins fylgir jafnframt spenna sem veldur þenslu og verkar þannig líkt og andþyngdarafl. Fyrir tiltölulega litlar vegalengdir er þankrafturinn mjög veikur og aðrir kraftar eins og þyngdin bera hann ofurliði. Það er ástæða þess að við verðum ekki vör við þennan kraft í daglegu lífi. Sama gildir um sólkerfið og stærri svæði innan vetrarbrautanna. Í stað þess að dofna með fjarlægð eins og þyngdaraflið, fer þankrafturinn hins vegar vaxandi og fyrir vegalengdir á stærð við þær sem nú eru milli vetrarbrautahópa er hann allsráðandi. Þetta er talin ástæða þess að tómið stíar hópunum í sundur og veldur því að alheimur þenst nú út með vaxandi hraða. Til þess að útskýra hraðaaukninguna, sem mælst hefur, þarf framlag hulduorkunnar til heildarorku alheimsins að vera um tvöfalt meira en samanlagt framlag allrar annarrar orku.

Endimörkin

Eftir að óðaþenslunni við upphaf alheims lauk hafði þankraftur tómsins lítil áhrif á þensluna vegna þess hvað efnið var þétt og þyngdaraflið sterkt. Að lokum náði hann þó yfirhöndinni og mælingarnar á sprengistjörnunum benda til þess að þensluhraði alheimsins hafi byrjað að vaxa fyrir um það bil 6 milljörðum ára.

Til samanburðar má minna á að jörðin er 4,6 milljarða ára gömul.

Til þess að skilja áhrif hraðaaukningarinnar skulum við hugsa okkur ljóseind (ljósskammt) sem leggur af stað frá fjarlægri vetrarbraut og stefnir til okkar. Ef heimurinn væri ekki að þenjast út væri ferðatími ljóssins einfaldlega fjarlægð vetrarbrautarinnar deilt með ljóshraðanum, segjum 10 milljón ár. Þegar ljósið kæmi á endanum til okkar bæri það með sér upplýsingar um hina fjarlægu vetrarbraut eins og hún var fyrir 10 milljónum ára.

Nú er alheimurinn ekki stöðugur, heldur er hann að þenjast út.

Ferðalagið tekur því lengri tíma, einfaldlega vegna þess að meðan á ferðinni stendur eykst fjarlægðin sem ljósið þarf að fara en hraði þess er hinn sami og áður. Eftir því sem þensluhraðinn er meiri, þeim mun lengri tíma tekur það ljósið að berast til okkar.

Til viðbótar má nefna að vegna þenslunnar tapar ljósið orku á leiðinni og bylgjulengd þess vex. Ljósið sem hingað kemur er því rauðara en það var þegar það lagði af stað. Þetta er kallað rauðvik.

Ljóst er hvað gerist ef þensluhraðinn fer stöðugt vaxandi. Að því kemur fyrr eða síðar að þenslan er orðin svo hröð að ljós sem leggur af stað frá vetrarbrautinni kemst aldrei á leiðarenda.

Þetta útskýrir jaðarinn. Ljós frá vetrarbrautum, sem eru handan hans, kemst aldrei til okkar. Á sama hátt ná engin ljósboð, eða aðrar sendingar, að berast frá okkur til vetrarbrauta handan jaðars.

Jaðarinn hefur alla tíð verið að færast utar og er nú í u.þ.b. 16 milljarða ljósára fjarlægð. Sívaxandi þensluhraði veldur því hins vegar að hann fer ekki mikið lengra og að lokum stöðvast hann í um 17 milljarða ljósára fjarlægð. Þar eru því endimörk hins sýnilega heims.

Þar sem jaðarinn er í endanlegri fjarlægð og alheimurinn er að þenjast út er ljóst að vetrarbrautir, sem upphaflega eru innan jaðars, færast út fyrir hann á endanlegum tíma. Þetta á við um þær vetrarbrautir sem eru utan okkar eigin vetrarbrautahóps. Sýna má fram á að í dag eru aðeins 2% vetrarbrautanna eftir, þannig að heldur er orðið tómlegt í okkar heimshluta. Hins vegar er enn að berast til okkar ljós frá vetrarbrautum, sem þegar eru farnar, en það ljós lagði af stað löngu áður en þær fóru yfir jaðarinn. Við sjáum þær því í dag eins þær voru í fjarlægri fortíð. Ljós frá þeim mun halda áfram að berast um ókomna framtíð en það lagði allt saman af stað áður en vetrarbrautirnar yfirgáfu okkur. Eftir því sem tíminn líður eykst þensluhraðinn stöðugt, lengri tími líður milli ljósskammtanna og rauðvikið fer vaxandi. Það er ástæða þess að afkomendum okkar í mjög fjarlægri framtíð mun sýnast sem vetrarbrautirnar verði sífellt daufari og hægi á sér. Á endanum verða þær nánast kyrrstæðar og hverfa.

Frekara lesefni um heimsmyndina:

Einar H. Guðmundsson og Gunnlaugur Björnsson: ,,Dark Energy and the Observable Universe". Forprent, maí 2001. Á slóðinni: http://raunvis.hi.is/~einar/heimsfraedi.html.

Einar H. Guðmundsson:

,,Heimsmynd stjarnvísinda: Sannleikur eða skáldskapur?" Í bókinni Er vit i vísindum? Ritstj. Andri S. Björnsson, Torfi Sigurðsson og Vigfús Eiríksson.

Reykjavík, 1996, bls. 39-68.

Hawking, S.W.:

Saga tímans. Með inngangi eftir Lárus Thorlacius.

Hið íslenzka bókmenntafélag, Reykjavík, 1990.

Lárus Thorlacius:

,,Efnið og alheimurinn". Lesbók Morgunblaðsins, 5. maí 2001, bls. 6-7.

Weinberg, S.:

Ár var alda. Með inngangi eftir Einar H. Guðmundsson.

Hið íslenzka bókmenntafélag, Reykjavík, 1998.

,,Upphaf og endir alheims".

Viðtal við Einar H. Guðmundsson.

Morgunblaðið, 25. júní 1995, bls. 18-19.

Höfundur er stjarneðlisfræðingur.