Morgunblaðið - 24.06.2001, Blaðsíða 4

4 B SUNNUDAGUR 24. JÚNÍ 2001 MORGUNBLAÐIÐ
Þ
ETTA hefur komið stjarn-
vísindamönnum 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 al-
heims er takmarkaður um alla framtíð við end-
anlegt rúmmál í geimnum, svæði sem endar í
kúlulaga hveli í um 17 milljarða ljósára fjarlægð.
Þetta hvel er jaðar hins sýnilega heims og sam-
kvæmt almennu afstæðiskenningunni hefur það
furðulega eiginleika.
Frá okkur séð fjarlægjast aðrar vetrarbraut-
ir 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 geimn-
um, komnar á þessa himnu.
Þetta er það sem afkomendur okkar í fjar-
lægri framtíð munu sjá héðan frá heimaslóðum í
vetrarbrautinni. Ekki er þó allt sem sýnist.
Samkvæmt afstæðiskenningunni er hvelið
sýndarjaðar og í rauninni streyma vetrarbraut-
irnar út í gegnum það án nokkurrar fyrirstöðu.
Komandi kynslóðir stjörnufræðinga í þessum
vetrarbrautum munu hins vegar sjá okkar vetr-
arbraut setjast á tilsvarandi himnu á jaðri
þeirra sýnilega heims.
Endimörkin eru því raunveruleg í þeim skiln-
ingi 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 nafn-
inu miklihvellur. Hann var upphaf rúms, tíma
og efnis og þá tók rúmið að þenjast út með ógn-
arhraða. 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 vits-
munalíf. Eftir því sem best er vitað hófst þensl-
an alls staðar samtímis og alheimur hefur því
enga miðju.
Í dag eru hópar vetrarbrauta stærstu ein-
ingar alheimsins og með þenslunni er átt við að
fjarlægðin milli hópanna fari vaxandi. Vetrar-
brautirnar eru risastór kerfi stjarna og geim-
efnis. 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 sýni-
legra vetrarbrauta skiptir tugum ef ekki hundr-
uðum 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 þétt-
ari 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 ör-
bylgjuklið. Frumheimurinn er ógagnsær og hyl-
ur miklahvell, sem er örlítið utar, á kúluyfir-
borði sem venjulega gengur undir nafninu
sjóndeild.
Á hverjum tíma ákvarðast sjóndeildin af end-
anlegum aldri alheimsins, óháð því hvort al-
heimur er óendanlegur eða ekki.
Vaxandi þensluhraði
Til þess að sjá breytingar á þensluhraða al-
heimsins er nauðsynlegt að afla upplýsinga um
mjög fjarlæg fyrirbæri.
Þetta er tæknilega erfitt verkefni, þar sem
ystu ljósdeplarnir eru svo daufir vegna fjar-
lægðar að torvelt er að greina þá, jafnvel í bestu
sjónaukum. Það er því mikilvægt að leita sér-
staklega bjartra fyrirbæra.
Fyrir nokkrum árum tóku tveir hópar stjarn-
vísindamanna, með Bandaríkjamenn í broddi
fylkingar, sig til og hófu víðtæka leit í óravídd-
um himingeimsins að björtustu ljóslindum al-
heimsins, svokölluðum sprengistjörnum af gerð
Ia. Slíkar stjörnusprengingar verða þegar hvítir
dvergar í þéttstæðum tvístirnum soga til sín
efni frá systurstjörnum sínum og hrynja að lok-
um saman undan eigin þunga. Við þyngdar-
hrunið 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. Rannsókna-
hóparnir birtu fyrstu niðurstöður sínar árið
1998 og mun óhætt að fullyrða að þær hafi kom-
ið 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 frek-
ar en minnkandi.
Á þeim þremur árum, sem liðin eru, hafa
frekari mælingar á sprengistjörnum gefið sömu
niðurstöður. Að auki hafa mælingar á stefnu-
hneigð í örbylgjukliðnum og á dreifingu vetr-
arbrauta 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 nið-
urstöður 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 and-
þyngdarafl ráðandi í alheimi.
Það ýtir hlutum hverjum frá öðrum og vinnur
þannig gegn þyngdaraflinu. Slíkum fráhrindi-
krafti er lýst í almennu afstæðiskenningunni
með svokölluðum heimsfasta sem Einstein inn-
leiddi 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 heims-
fastann óþarfan og fjarlægði hann úr kenning-
unni.
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 nefni-
lega þenslu með sívaxandi hraða.
Samkvæmt skilningi eðlisfræðinga er heims-
fastinn mælikvarði á orkuþéttleika tómsins.
Tómarúmið er langt frá því að vera tómt, eins og
áður var talið, heldur er það iðandi kös svokall-
aðra 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 vega-
lengdir er þankrafturinn mjög veikur og aðrir
kraftar eins og þyngdin bera hann ofurliði. Það
er ástæða þess að við verðum ekki vör við þenn-
an kraft í daglegu lífi. Sama gildir um sólkerfið
og stærri svæði innan vetrarbrautanna. Í stað
þess að dofna með fjarlægð eins og þyngdarafl-
ið, 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 hraða-
aukninguna, 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 ljóshrað-
anum, segjum 10 milljón ár. Þegar ljósið kæmi á
endanum til okkar bæri það með sér upplýs-
ingar 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 þensluhrað-
inn 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 leiðar-
enda.
Þetta útskýrir jaðarinn. Ljós frá vetrarbraut-
um, sem eru handan hans, kemst aldrei til okk-
ar. 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. Sí-
vaxandi 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 vetr-
arbrautir, 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 jað-
arinn. 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 þenslu-
hraðinn stöðugt, lengri tími líður milli ljós-
skammtanna og rauðvikið fer vaxandi. Það er
ástæða þess að afkomendum okkar í mjög fjar-
lægri 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/heims-
fraedi.html.
Einar H. Guðmundsson:
,,Heimsmynd stjarnvísinda: Sannleikur eða skáldskap-
ur?“ Í bókinni Er vit i vísindum? Ritstj. Andri S. Björns-
son, 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.
Reuters
Stjörnuþokan NGC 4603 séð í gegnum Hubble-geimstjörnusjónauka NASA.
Endimörk hins
sýnilega heims
Allir vita að alheimurinn er að þenjast út, skrifar Einar H.
Guðmundsson. Nú hafa nýlegar mælingar gefið sterkar vísbend-
ingar um það að þensluhraðinn fari vaxandi og að hann hafi
verið að vaxa frá því löngu áður en jörðin varð til.
Höfundur er stjarneðlisfræðingur.