Ný mæling varpar ljósi á ráðgátu um útþenslu alheimsins | Háskóli Íslands Skip to main content

Ný mæling varpar ljósi á ráðgátu um útþenslu alheimsins

8. nóvember 2019

Alþjóðlegur hópur vísindamanna í stjarneðlisfræði hefur beitt nýrri aðferð til að mæla einn af grundvallarmælikvörðum um útþenslu alheimsins, svokallaðan Hubble-stuðul. Meðal þeirra sem komu að rannsókninni er Kári Helgason, sem starfað hefur við Háskóla Íslands.

Umræddur stuðull er líkt hinn frægi Hubble-stjörnusjónauki kenndur við einn af þekktustu stjörnufræðingum 20. aldar, Edwin Hubble. Hann var í hópi fyrstu stjörnufræðinga til þess að varpa ljósi á það að Vetrarbrautin okkar væri aðeins ein af mörgum vertarbrautum í órafjarlægð og þar með að alheimurinn væri miklu stærri en áður hafði verið talið. Jafnframt sýndi hann fram á að vetrarbrautir fjarlægðust hver aðra á hraða sem var í réttu hlutfalli við fjarlægðina á milli þeirra, þ.e. eftir því sem fjarlægðin milli vetrarbrautanna jókst, því hraðar fjarlægðust þær.

Samkvæmt upphaflegu mælingum Hubbles árið 1929 var útþensluhraði alheimsins í kringum 500 kílómetrar á sekúndu á hverju megaparsek, en megaparsek er fjarlægðareining sem jafngildir um 3,26 milljónum ljósára. Hubble ályktaði sem svo að vetrarbraut sem væri tvö megaparsek frá okkar vetrarbraut fjarlægðist okkur tvöfalt hraðar en vetrarbraut sem væri eitt megaparsek í burtu. Þetta hlutfall hefur verið nefnt Hubble-stuðullinn (eða Hubble-Lemaître stuðullinn) og staðfesti í fyrsta sinn að heimurinn væri að þenjast út. Jafnframt var þetta fyrsta vísbendingin um að alheimurinn átti sér upphaf. Ef vetrarbrautir eru að fjarlægjast hver aðra þýðir það að áður fyrr voru þær nær hver annarri. Ef við einfaldlega spólum nógu langt aftur í tímann þá voru þær allar í einum punkti. Hubble-stuðullinn er því lykilmælikvarði á bæði aldur alheimsins og örlög hans. Mun hann þenjast út að eilífu eða hægja á sér og á endanum hrynja saman aftur?

Allt frá því að Hubble-stuðullinn leit fyrst dagsins ljós hafa vísindamenn reynt að kvarða hann með nákvæmari hætti. Eitt af lykilverkefnum Hubble-geimsjónaukans (sem tók til starfa árið 1993) var að fá botn í illdeilur tveggja fylkinga stjörnufræðinga sem deildu um gildi Hubble-stuðulsins, ýmist 50 eða 90. Það má segja að enginn hafi unnið þetta rifrildi því svarið reyndist vera einhvers staðar mitt á milli, eða í kringum 70. 

Edwin Hubble er hér ásamt eðisfræðingnum Albert Einstein. Samkvæmt upphaflegu mælingum Hubbles árið 1929 var útþensluhraði alheimsins í kringum 500 kílómetrar á sekúndu á hverju megaparsek, en megaparsek er fjarlægðareining sem jafngildir um 3,26 milljónum ljósára. Hubble ályktaði sem svo að vetrarbraut sem væri tvö megaparsek frá okkar vetrarbraut fjarlægðist okkur tvöfalt hraðar en vetrarbraut sem væri eitt megaparsek í burtu.  Mynd fengin frá California Institute of Technology

Fleiri en ein mæling á stuðlinum rétt?

Á síðustu árum hefur Hubble-stuðullinn getið af sér nýja ráðgátu. Mismunandi mælingar virðast hópast kringum tvö gildi: 68 eða 73. En aðeins eitt þeirra getur verið rétt. Eða hvað? Sá spennandi möguleiki er fyrir hendi að aðferðir sem byggjast á mælingum á ástandi alheimsins þegar hann var mjög ungur séu réttilega frábrugðnar mælingum sem byggjast á alheiminum í nærumhverfi okkar í dag. Það gæti stafað af nýjum, óþekktum eðlisfræðilögmálum eða hegðun hinnar dularfullu hulduorku en hvort tveggja gæti valdið því að Hubble-stuðullinn sé ekki fasti heldur breytist gegnum alheimssöguna. 

Til að skera úr um þetta þarf ekki bara nákvæmari mælingar heldur einnig fjölbreyttar mæliaðferðir sem skoða alheiminn á mismunandi þróunarstigum. Nú hefur alþjóðlegur hópur vísindamanna beggja vegna Atlantshafs undir forystu Alberto Domínguez við Háskólann í Madríd birt mælingu á útþensluhraðanum með nýrri aðferð. Sagt er frá niðurstöðum þeirra í grein sem nefnist „A New Measurement of the Hubble Constant and Matter Content of the Universe using Extragalactic Background Light-Gamma Ray Attenuation,” í nýjasta hefti vísindatímaritsins Astrophysical Journal sem kemur út í dag.

Við mælingar sínar studdust vísindamennirnir við gögn úr bæði stjörnusjónaukum á jörðu niðri og úti í geimnum, þar á meðal Fermi-gammageislasjónauka NASA sem skotið var í út í geim fyrir um tíu árum. Út frá mælingum á samspili gammageisla, sem eru orkumesta form ljóss í heiminum, og svokallaðs bakgrunnsljóss vetrarbrautanna eða alheimsþoku, sem hefur að geyma allt útfjólublátt, innrautt og sjáanlegt ljós sem borist hefur frá stjörnum frá upphafi alheimsins, komst vísindahópurinn að þeirri niðurstöðu að Hubble-stuðulinn væri 68 kílómetrar á sekúndu á hvert megaparsek. „Þegar alheimurinn þenst út þynnist alheimsþokan. Með því að mæla þéttleika þokunnar gegnum alheimssöguna gátum við ákvarðað útþensluna og þar með Hubble-stuðulinn,“ segir stjarneðlisfræðingurinn Kári Helgason, einn af aðstandendum rannsóknarinnar. Kári vann að rannsókninni í starfi sínu við Raunvísindastofnun Háskólans en hann hefur nú fært sig um set og starfar nú að CarbFix-verkefni Orkuveitu Reykjavíkur og Háskólans.

Myndband sem varpar ljósi á samspil gammageisla og alheimsþokunnar

Áfram verður glímt við ráðgátuna um Hubble-stuðulinn

En hvaða þýðingu hefur það að ná að áætla útþensluhraða alheimsins með nákvæmari hætti? „Samkvæmt þessu er aldur alheimsins 13,9 milljarða ára, en það er kannski ekki stóra málið í þessu. Aðferðin okkar ákvarðar útþensluhraðann þegar alheimurinn er miðaldra. Þetta vill segja að breytileikinn í mismunandi mælingum er kannski til kominn vegna ófullkominna aðferða og mæliskekkju frekar en áhrifa hulduorku eða nýrra eðlisfræðilögmála,“ segir Kári. Hann viðurkennir að möguleikinn á nýjum lögmálum hefði auðvitað verið meira spennandi en efast um að niðurstöður rannsóknarinnar kveði niður ráðgátuna um Hubble-stuðulinn. „Við þurfum bæði nákvæmari mælingar og fjölbreyttar mæliaðferðir. Okkar aðferð er nýtt verkfæri í kistunni,“ útskýrir hann.

Þess má geta að sami vísindahópur birti í fyrra afar athyglisverðagrein í hinu virta tímariti Science þar sem hann hafði mælt samanlagða stjörnubirtu alheimsins og endurskapað gang stjörnumyndunar yfir tímabil sem nær yfir 90% af sögu alheimsins.

Greinin sem birtist í Astrophysical Journal.

Kári Helgason
Skýringarmynd sem dregur fram mögulegar sviðsmyndir útþenslu heimsins