Morgunblaðið - 23.06.1985, Blaðsíða 47

MORGUNBLAÐIÐ, SUNNUDAGUR 23. JÚNÍ 1985
47
VÍSINDI Sverrir Ólafsson
MeA lýsandi efni í alheiminum er átt við allt það efni
sem sendir frá sér Ijós eða einhverja mælanlega geislun.
Mikill hluti hins lýsandi efnis er bundinn í stjörnum, eða
er í formi lofttegunda sem lýst geta upp í nálægð Ijósmik-
illa stjarna. Allt annað efni nefnist dimmt. Frá upphafi
vísindalegrar stjarnfræði hafa fræðimenn gert ráð fyrir því
að efnisuppistaða alheimsins sé lýsandi efni, þ.e. stjörnur
ásamt þunnum lofttegundum sem fylla rúmið á milli
þeirra.
Dimmt
Samheldni vetrarbrauta verður einungis skilin með því að gera ráð fyrir
tilvist mikils magns ósýnilegs efnis.
efni í alheiminum
Á fjórða áratug þessarar aldar
var hinsvegar orðið ljóst að mik-
ill hluti af efni alheimsins er í
dimmu formi. Fyrsta vísbending
um tilvist hins dimma efnis
fékkst árið 1933, er Bandaríkja-
maðurinn Fritz Zwicky gerði at-
huganir á hreyfingu vetrar-
brauta sem tilheyra vetrar-
brautahópnum „Coma Berenic-
es“.
Með mælingum fann Zwicky
að massi hins lýsandi efnis dugði
engan veginn til útskýringar á
hreyfiferlum og hraða einstakra
vetrarbrauta innan Coma Beren-
ices.
Hraði þeirra reyndist svo mik-
ill að þyngdarkraftur hins lýs-
andi efnis hefði ekki dugað til að
halda vetrarbrautahópnum sam-
an.
Niðurstöður Zwicky voru því
þær að mikill efnismassi væri
„falinn" innan vetrarbrauta
Coma Berenices þ.e. ekki grein-
anlegur með beinum ljósfræði-
legum mælingum. Einungis með
því að gera ráð fyrir þessum
viðbótarmassa fékkst fullnægj-
andi skýring á hreyfingu og
samheldni vetrarbrautanna.
Fljótlega komust fleiri
stjarnfræðingar að svipuðum
niðurstöðum með athugunum á
hreyfingu annarra vetrar-
brautakerfa.
Nákvæmari athuganir og út-
reikningar bentu til þess að allt
að því (og i sumum tilfellum
meira en) 90 prósent af efnis-
massa ákveðinna vetrarbrauta-
kerfa, svo og einstakra vetrar-
brauta af mismunandi stærð
væri í formi dimms efnis.
En hvar er þá efni alheimsins
niður komið og hver er samsetn-
ing þess? Margar hugmyndir
hafa komið fram er reyna að
skýra gerð hins dimma efnis þó
enn hafi engin ein hlotið al-
menna viðurkenningu.
Eina vísbendingin um tilvist
hins dimma efnis er virkni
þyngdarkrafts þess, en hún ein
gefur litlar upplýsingar um
hugsanlega samsetningu þess.
Reynt hefur verið að skýra til-
vist þess með sérstökum enn
ófundnum eindum sem ætlað er
að búa yfir nýstárlegum, áður
óþekktum eiginleikum.
Einnig hefur verið stungið upp
á „hvítum dvergum", „nifteinda
stjörnum" eða jafnvel „svarthol-
um“ sem geymum hins dimma
efnis. Slíkt er þó frekar ólíklegt
— því væri mikill meiri hluti af
efni alheimsins samankominn á
slíkum stöðum hefði það leitt til
hrifa í stjarnfræðilegum víddum
sem að öllum líkindum hefðu
mælst.
Um nokkurra ára skeið hafa
fræðimenn reynt að útskýra til-
vist hins dimma efnis með til-
gátu þess eðlis að sk. fiseindir
búi yfir smávægilegum massa.
Árið 1930 sagði austurríski eðl-
isfræðingurinn Pauli fyrir um
tilvist fiseinda, en tilrauna-
fræðileg sönnun hugmyndar
hann fékkst ekki fyrr en árið
1956. Fiseindir gegna mikilvægu
hlutverki í ýmsum geislavirkni-
ferlum, sem orsakast af völdum
hins svokallaða veika kjarna-
krafts, en lengst af hafa fræði-
menn talið þær massalausar.
Með framkomu nýrra kenn-
inga innan eindafræðinnar á sið-
ustu árum hafa eðlisfræðingar
endurskoðað afstöðu sína gagn-
vart fiseindinni. Kenningar
þessar sem nefndar eru „stór-
samrunakenningar" leita eftir
sameiginlegum þáttum nokk-
urra af grundvallarkröftum
náttúrunnar í þeirri von að sam-
eina megi þá í einum frumkrafti.
Stórsamrunakenningar styðja
þann möguleika að fiseindir búi
yfir smávægilegum massa,
krefjast þess þó ekki. Til athug-
unar á þessum möguleika hafa
verið framkvæmdar nokkrar til-
raunir, sem enn hefur ekki tekist
að svara spurningunni á afger-
andi hátt. Þær einungis setja
hugsanlegum massa fiseinda
ákveðin efri mörk, sem eru u.þ.b.
einn tvö þúsundasti hluti af
massa rafeinda.
Fjöldi fiseinda í alheiminum
er mjög mikiil, að meðaltali lík-
lega u.þ.b. eitt hundrað í hverj-
um rúmsentimetra. Hefðu þær
ekki nema örlitinn massa, af áð-
urnefndri stærðargráðu, væri
framlag þeirra til heildarmassa
alheimsins verulegt, að öllum
líkindum svo mikið að megin-
hluti þyngdarafls alheimsins
orsakaðist af fiseindamassa.
Ýmsar nýjar tilgátur alheims-
fræðinnar nota hugmyndina um
massa-fiseindir til útskýringar á
myndun vetrarbrautakerfa.
Það er þvf mikið metnaðarmál
bæði einda- og stjarneðlisfræði
að fá úr því skorið með tilraun-
um hvort fiseindir búa yfir
massa eða ekki.
Endanlegt svar mun hafa um-
fangsmikil áhrif á báðum svið-
um.
Rétt er að geta þess að á síð-
ustu örfáu árum hafa nokkrir
fræðimenn látið í ljós efasemdir
um að fiseindir geti haft massa.
Fiseindir með massa af áður-
nefndri stærðargráðu hefðu á
frumskeiði alheimsins haft
þannig víxlverkan við nifteindir
og róteindir er leitt hefði til
myndunar stærri vetrarbrauta-
kerfa en þekkjast í dag.
Samkvæmt útreikningum ætti
stærð vetrarbrautakerfa sem
myndast hefðu í fiseindaríkjandi
frumástandi alheimsins að vera
u.þ.b. eitt hundrað milljón ljós-
ár.
í dag er meðalstærð þekktra
vetrarbrautakerfa hins vegar
ekki nema þriðjungur þessarar
stærðar. Af þessari ástæðu telja
margir eðlisfræðingar að efnis-
uppbygingu alheimsins hafi ekki
verið stýrt af virkni massa-fis-
einda.
Vitanlega er hugsanlegt að
bjarga hudmyndinni um fis-
eindaríkjandi frumástand með
viðbótartilgátum eða -skýring-
um. Ein þeirra er sú að vetrar-
brautakerfi þau sem í upphafi
mynduðust fyrir tilstuðlan
þyngdarafls fiseinda hafi síðar
klofnað niður í smærri hópa sem
við sjáum í dag.
Veikleiki fiseindakenningar-
innar hefur leitt til þess að ýms-
ir fræðimenn reyna að skýra eðli
hins dimma efnis með tilvist
annarra enn ófundinna einda,
þekktastar þessara eru sk. ein-
segulpólar. Árið 1931 sagði enski
eðlisfræðingurinn Paul Dirac
fyrir um tilvist þeirra, en hingað
til hafa með vissu engar einpóla
eindir fundist.
Hugmynd Diracs var sú að
einsegulpólar hefðu að geyma
segulhleðslur, þ.e. einangraða
norður- eða suðurpóla. Dirac
hugsaði sér þetta segulfræðilega
samsvörun þeirrar staðreyndar
að ýmsar þekktar eindir búa yfir
neikvæðri eða jákvæðri raf-
hleðslu.
Kenning Diracs gat hinsvegar
lítið sem ekkert sagt fyrir um
aðra eiginleika einsegulpólanna
og því var erfitt að geta sér til
um hvar þeirra væri helst að
leita.
ÁRið 1974 uppgötvuðu Gerard
t’Hooft og A. Polyakov með út-
reikningum, að tilvist einsegul-
póla er óhjákvæmileg afleiðing
stórsamrunakenninga. Sam-
kvæmt kenningum þessum var
hægt að segja fyrir um nokkra
af eiginleikum einsegulpólanna
þar á meðal massa þeirra sem
átti að vera tíu billjón sinnum
meiri en massi róteinda!
Stórsamrunakenningar gera
ráð fyrir því að á frumástandi
alheimsins hafi fjöldi einsegul-
póla verið svipaður fjölda nift-
einda og róteinda.
Slíkar niðurstöður eru hins-
vegar ósamrýmanlegar þeirri
staðreynd að alheimurinn er
u.þ.b. 15—20 þúsund milljón ára
gamall og enn stöðugt að þenjast
út.
Áður nefndur fjöldi jafn
þungra einsegulpóla hefði leitt
til svo sterks þyngdarsviðs að út-
þensla alheimsins hefði stöðvast
u.þ.b. tíu þúsund árum eftir upp-
haf frumsprengingar. Eftir það
hefði efni alheimsins fallið sam-
an fyrir tilstuðlan eigin þyngd-
arafls. Það er augljóst að slíkt
hefur ekki gerst.
Margar tilraunir hafa verið
gerðar til að leysa þessa mót-
sögn. Þekktust er sú er byggir á
hugmyndinni um sk. „bólgu-
alheim", en öllum er þeim sam-
eiginlegt að reyna að útskýra
hvarf mikils meirihluta hins gíf-
urlega magns einsegulpóla sem
samkvæmt stórsamrunakenn-
ingum hafa verið fyrir hendi ör-
skömmu eftir upphaf frum-
sprengingar. (Hugmyndin um
bólgu-alheim verður rædd
seinna hér á visindasiðunni.)
Þrátt fyrir margvíslega erfið-
leika og óvissu sem tengd eru
hugmyndinni um einsegulpóla
eru margir vísindamenn vongóð-
ir að sönnun fyrir tilvist þeirra
fáist á næstu örfáu árum.
Ýmsar tilraunir hafa þegar
verið framkvæmdar eða eru í
uppsetningu.
Tveir starfshópar töldu sig
meira að segja hafa mælt áhrif
einsegulpóla, einn við háskólann
í Stanford árið 1982 en hinn við
Washington-háskóla á síðast-
liðnu ári.
Mæld tilfelli eru enn sem kom-
ið er of fá til að hljóta almenna
viðurkenningu. Eins ber að
nefna þá staðreynd að öðrum
starfshópum hefur, þrátt fyrir
umfangsmiklar tilraunir, ekki
tekist að staðfesta niðurstöður
hópanna í Stanford og Wash-
ington.
Með massa-nifteindum og ein-
segulpólum eru engan veginn
upptaldar þær eindir sem stung-
ið hefur verið upp á til útskýr-
ingar á tilvist dimms efnis.
Svokallaðar „súper þyngdar-
aflskenningar", sem settar voru
fram árið 1975 gera ráð fyrir
miklum fjölda nýrra einda sem
nefnast „súpereindir". Sam-
kvæmt kenningum þessum á sér-
hver hinna hefðbundnu einda
s.s. rafeindir, fiseindir, quarkar
o.s.frv. ákveðna fylgieind eða
„súperfélaga". Súperfélagi raf-
eindarinnar hefur verið nefndur
„rafínó" en súperfélagar kvark-
anna nefnast „skvarkar". Engin
þessara súpereinda hefur hins-
vegar fundist enn sem komið er.
Þær súpereindir sem í tengsl-
um við alheimsfræðina hafa
hlotið mesta athygli eru sk.
þungínur sem að öllum líkindum
búa yfir smávægilegum massa,
ef þær yfirhöfuð eru til. Þungín-
ur eru súperfélagar þungeinda,
sem taldar eru vera virknisberar
þyngdarkraftsins.
Þungínur eru langtum orku-
minni en fiseindirnar og því er
ekki ólíklegt að þær geti skýrt
myndun vetrarbrauta og jafnvel
vetrarbrautahópa af svipaðri
stærðargráðu og þeir þekkjast i
dag.
Til skýringar á dimmu efni
innan sk. dvergvetrabrauta svo
og til skilnings á myndun þeirra
hafa nokkrir fræðimenn talið
nauðsynlegt að notast við enn
eina eind sem nefnd hefur verið
„axíón", en áætlaður massi
hennar er ekki nema örlítill
hluti af mögulegum hámarks-
massa fiseinda.
Samkvæmt stórsamrunakenn-
ingum hefur fjöldi axíóna í upp-
hafi sögu alheimsins verið mik-
ill. Orka þeirra hefur hinsvegar
verið langtum minni og sam-
heldni þeirra meiri en fiseinda.
Þyngdaraflsvirkni axíóna hef-
ur því með frekari útþenslu al-
heimsins leitt til myndunar
smærri „efnisstrúktura“ en fis-
eindir, þ.e. vetrarbrauta frekar
en vetrarbrautakerfa.
Vandamálið í sambandi við
axíónur er hið sama og það sem
varðar súpereindirnar þ.e. fyrir
tilvist þeirra er engin sönnun.
Það eina sem við vitum með
vissu er að mikill meirihluti af
efni alheimsins er ósýnilegur.
Flestir fræðimenn eru sann-
færðir um að þetta dimma efni
samanstendur ekki af „venjulegu
efni“ þ.e. róteindum, nifteindum
eða rafeindum. Ýmsar nýjar
kenningar eindafræðinnar segja
fyrir um fjölda nýrra einda, en
nokkrar þeirra geta hugsanlega
skýrt samsetningu hins dimma
efnis.
Samkvæmt kenningum þess-
um leiða mismunandi eindir til
mismunandi uppbyggingar vetr-
arbrautakerfa.
Hér kemur til náinna og
áhugaverðra tengsla á milli
einda- og alheimsfræðinnar.
Tilraunir komandi ára munu
vafalaust skera úr um það hverj-
ar hinna nýstárlegu einda eru
megin uppistaða hins ósýnilega
alheims.