Heimsfræði

1. Hvað er heimsfræði?

Heimsfræði er sú fræðigrein innan stjörnu- eða stjarneðlisfræði sem fæst við allan alheiminn í heild sinni, gerð hans, þróun og örlög. Heimsfræði er að miklu leyti frábrugðin öðrum vísindagreinum.^[1] Okkur er fyrirmunað að gera tilraunir á heiminum en í flestum öðrum greinum náttúruvísinda gera menn tilraunir á viðföngum sínum. Menn geta stjórnað einstökum breytum og gert samanburðarrannsóknir. Slíkt er að sjálfsögðu ómögulegt þegar allur alheimur, eðli hans og þróun er viðfangið. Athuganir í heimsfræði felast þannig fyrst og fremst í því að gera mælingar á því sem fyrir er – á því sem við sjáum. Í dag sjáum við ekki nema lítið brot af alheimi og sennilega verður hann okkur að mestu hulinn sjónum alla tíð.

2. Forsendur heimsfræðinnar

Nútíma heimsfræði hvílir á þremur stoðum:

Mynd 1: Vinstra megin er einsleitt mynstur ef litið er á stærri kvarða en kubbastærðar og hægra megin er mynstr- ið stefnusnautt í miðpunkti. Athugum að hvorki er eins- leita mynstrið stefnusnautt né það stefnusnauða einsleitt. Mynd: Ned Wright, UCLA.

1. Grunnforsendu heimsfræðinnar, sem segir að alheimurinn er einsleitur og stefnusnauður á stórum kvarða.
2. Setningu Hermanns Weyl (1885-1955) um heimslínur athugenda.
3. Að almenna afstæðiskenning Einsteins lýsi fyllilega víxlverkun efnis og tímarúmsins.

2.1. Grunnforsenda heimsfræðinnar

Í skilningi heimsfræðinnar, svara miklar fjarlægðir til um 100 Mpc.^[2] Fjarlægðir milli reginþyrpinga vetrarbrauta eru af þessari stærðargráðu. En hvað þýðir það að alheimurinn sé einsleitur og stefnusnauður? Athugendur í einsleitum alheimi sjá sömu stórgerð hvar sem þeir eru staddir og athugendur í stefnusnauðum alheimi sjá sömu stórgerð hvert sem litið er. Vert er að athuga að einsleitni hefur ekki í för með sér stefnusneyðu og öfugt. Einsleit og stefnusnauð mynstur má sjá á mynd 1. Oft er grunnforsendan sett fram á eftirfarandi hátt og þá kennd við Nikulás Kópernikus (1473-1543): „Við byggjum ekki sérstakan stað í alheimi.“ Ein afleiðing þessa er sú að ómögulegt er að tilgreina miðju alheims.

Mynd 2: Stórgerð alheims á kvarða ∼100 Mpc. Heimkynni okkar mannanna eru á miðri mynd. Nálægar reginþyrpingar eru merktar inn á myndina. Mynd: AtlasoftheUniverse.com

Grunnforsenda heimsfræðinnar gildir þó ekki þegar horft er til lítilla fjarlægða, t.d. innan Meyjarþyrpingarinnar, Vetrarbrautarinnar eða jafnvel sólkerfisins. Athugandi á jörðinni sér fleiri stjörnur þegar hann horfir inn eftir vetrarbrautarskífunni en þegar hann horfir upp úr henni. Alheimurinn er heldur ekki einsleitur á þessum kvarða, því athugandi nær miðju hennar sér fleiri stjörnur í grennd við sig en jarðbúinn.

Mynd 2 sýnir þéttleika efnis í alheimi á stórum kvarða. Efnið safnast saman í kekki og svipar til sápulöðurs. Þetta er stórgerð alheims. Þessi stórgerð er einsleit og stefnusnauð. Þetta styðja mælingar á dreifingu vetrarbrauta í grennd við okkur sem reynist einsleit og á stefnusnauðum örbylgjukliði. Við höfum því ástæðu til að ætla að þessi setning sé skynsamleg.

2.2. Setning Weyls

Setning Weyls hljóðar svo:

Í alheimi eru vetrarbrautir (athugendur) á gagnvegum^[3] í tímarúminu, sem greinast frá sama punkti í fyrndinni (endanlegri eða óendanlegri).

Án setningarinnar getum við ekki verið viss um hvort ólíkir athugendur séu í raun þeir sömu. Sem dæmi er auðvelt að ímynda sér heimslínur ólíkra athugenda sem greinast frá sameiginlegum punkti í fortíðinni en sameinast aftur í dag, þ.e. á tíma þar sem aldur alheims er um 14 milljarðar ára. Án setningar Weyls hrynur meginforsendan. Með hjálp setningarinnar má úthluta sérhverjum athuganda í alheimi einni og aðeins einni heimslínu. Grunnforsenda heimsfræðinnar hefur í för með sér að hitastig alheims er alls staðar hinn sami á stórum kvarða. Þannig getur sérhver athugandi ákvarðað sinn heimstíma út frá hitastigi örbylgjukliðsins á hverjum tímapunkti í sögu alheims.

2.3. Almenna afstæðiskenningin

Albert Einstein (1879-1955) setti fram almennu afstæðiskenninguna árið 1916. Hún lýsir því hvernig massi sveigir tímarúmið og hefur þannig áhrif á hreyfingu þess sem í heiminum er. Kenningin er notuð til að leiða út þær jöfnur sem lýsa þróun alheimsins, við hljótum því að gera ráð fyrir því að hún lýsi vel eðli alheimsins á stórum kvarða.

3. Gerð tímarúmsins

Öll höfum við lært dálitla rúmfræði. Þríhyringar, ferningar, trapisur og hringir eru kunnuleg form úr rúmfræði Evklíðs (um 300 f. Kr.) – rúmfræði á sléttum fleti. Evklíð byggði alla sína rúmfræði á fimm frumsendum. Ríflega 2.000 árum seinna lögðu þeir Carl Friedrich Gauss (1777-1855), Johann Bolyai (1802-1860), Nicolai Ivanovitch Lobachevsky (1793-1856) og Bernard Riemann (1826-1866) grunninn að óevklíðskri rúmfræði. Eina frumsenduna, frumsenduna um samsíða línur, mátti setja fram þrjá ólíka vegu. Þannig sköpuðu þeir rúmfræði rúms með jákvæða sveigju og rúmfræði rúms með neikvæða sveigju, auk þeirrar sem Evklíð hafði lýst. Til að átta sig á eðli þessara ólíku greina rúmfræðinnar er gott að skoða mynd 3.

Mynd 3: Hér má sjá í verki frumsenduna um samsíða línur. Til vinstri (a) rennur ein og aðeins ein lína um punkt P samsíða línu L á evklíðskum fleti; í miðið (b) gengur engin lína gegnum P samsíða L á fleti með jákvæða sveigju (kúluyfirborð); til hægri (c) má draga fleiri en tvær línur gegnum P samsíða L á fleti með neikvæða sveigju (söðulflötur). Til að átta sig á eðli þessara ólíku flata er gott að hugsa um þríhyrninga. Ef við drögum þríhyrning á sléttum fleti er hornasumma hans 180◦ . Á yfirborði kúlu er hornasumma hans ætíð meiri en 180◦ og á söðulfleti ávallt minni en 180◦. Mynd: Carroll og Ostlie (2007).

Þó evklíðsk rúmfræði hrökkvi til við flest það sem þarfnast rúmfræði hér á jörðu niðri er ekki sjálfgefið að hún dugi til að lýsa fyrirbærum í hinum stóra heimi. Svo er því farið í almennu afstæðiskenningunni að massinn sveigir tímarúmið þannig að ljósgeisli sem ferðast hjá massamikilli stjörnu virðist sveigja af leið. Í tilvikum sem þessum er nauðsynlegt að geta gripið til óevklíðskrar rúmfræði svo gefa megi fyllilega lýsingu á hegðan ljóssins. Hér látum við okkur varða sveigju tímarúmsins í heild, sveigju alheimsins sjálfs. Þegar hugsað er um sveigju tímarúmsins sjálfs er gott að ímynda sér ferð tveggja ljósgeisla sem ferðast samsíða. Í flötu rúmi verða þeir samsíða alla tíð, í rúmi með lokaða sveigju munu geislarnir að endingu skerast, en í rúmi með opna sveigju greinast þeir frá hvorum öðrum og skerast aldrei.

4. Alheimurinn okkar

Við teljum að alheimurinn hafi átt upphaf sitt í heitum Miklahvelli fyrir tæplega 14 milljörðum ára síðan. Steven Weinberg lýsir atburðinum svo:

Í upphafi varð sprenging. Ekki sprenging eins og við þekkjum hér á jörðu, ekki sprenging sem hefst á ákveðnum stað og breiðist út frá honum, heldur sprenging sem hófst alls staðar í senn og fyllti gervallan geiminn, þannig að hver einasta efnisögn þeyttist burt frá öllum öðrum.

Alheimurinn tók að þensjast út. Hér skal athuga að engu skiptir í þessu samhengi hvort alheimurinn sé endanlegur eða óendanlegur, hann getur verið hvort heldur sem er. Þá ber hér að skilja orðið sprengingu, aðeins þeim skilningi að um ræði einhvers konar ferli, sem þeyti tveimur hlutum burt frá hvor öðrum.

Á næstu andartökum gerðust áhugaverðir hlutir. Efnið í alheimi var þétt saman og hitastig alheims mjög hátt. Öreindir flutu því frjálsar um geiminn, enda gátu þær ekki bundist örðum öreindum þegar hitinn var svo mikill. Smám saman kólnaði alheimurinn við útþensluna svo öreindir tóku að bindast í atómkjarna og seinna gátu atómkjarnar bundist rafeindum og myndað frumefni eins og vetni. Seinna meir tók efni í alheimi að þéttast á stærri kvarða og mynda kekki í geimnum. Úr þessum kekkjum urðu svo stjörnur, vetrarbrautir, plánetur og við. Þessa kenningu um upphaf alheimsins styðja örbylgjukliðurinn og útþensla alheimsins – lögmál Hubbles.

4.1. Efni og orka í alheimi

Til að átta sig á gerð og þróun alheims þurfum við að vita hvað í honum er. Augljósast er með okkur sjálf. Við erum í alheimi. Við, eins og sólin, jörðin og tunglið, erum úr atómum, og atómin úr þungeindum. Alheiminn fyllir líka geislun ljóss og afstæðilegra einda.^[4] Það er annars konar fyrirbæri en hefur orku rétt eins og þungeindirnar. En það er eitthvað fleira en það sem við sáum þegar við lítum út um gluggann.

Þegar vísindamenn rannsaka hreyfingu hnatta hér í vetrarbrautinni, sjá þeir að ekki er nægjanlega mikið efni í henni (þ.e. stjörnur) til að gera grein fyrir hreyfingum þeirra. Ef vel ætti að vera, þyrfti meiraefni en menn sjá. Því telja vísindamenn að til sé meira efni en við sjáum, en af því að við sjáum það ekki, er það kallað hulduefni. Sumir vísindamenn gera drumbeindir (e. Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) og þyngla (e. MAssive Compact Halo Object, MACHO) ábyrga fyrir hulduefni. Drumbeindir eru massamiklar eindir sem víxlverka við annað efni einungis gegnum veika kjarnakraftinn og þyngdarkraftinn. Þær víxlverka ekki með rafsegulkrafti og þess vegna sjáum við þær ekki. Sem dæmi um drumbeindir má nefna svokallaðar áseindir (e. axions). Þyngill er samheiti yfir hvíta og brúna dverga, svarthol og nifteindastjörnur sem leynast í hjúpum vetrarbrauta. Þynglar eru því úr þungeindum líkt og venjulegt efni. Þetta eru gríðarlega massamikil og þétt fyrirbæri sem við sjáum ekki svo auðveldlega nema í tygjum við önnur, bjartari fyrirbæri. Allt þetta efni veldur sömu þyngdarhrifum.

Enn er ekki öll sagan sögð. Laust fyrir aldamótin síðustu byltu heimsmyndinni tveir rannsóknarhópar undir forystu Adams G. Riess (f. 1969) og Saul Perlmutter (f. 1959). Þá var viðtekið að útþensluhraði alheims færi minnkandi, að útþenslan hægði stöðugt á sér. Þeir hugðust mæla þessi hrif og beindu tækjum sínum að sprengistjörnum af gerð Ia en þær má nota sem staðalkyndla, fyrirbæri með þekkta reyndarbirtu. Þannig má mæla sýndarbirtuna og ákvarða fjarlægðina. Niðurstöður þeirra voru afgerandi. Hraði útþenslunnar eykst í sífellu. Flestir vísindamenn telja að eitthvert afl sé í alheimi sem valdi þessum síaukna útþensluhraða. Náttúra þess er mönnum hulin svo menn kalla fyrirbærið hulduorku.Við skulum athuga að hulduorka og hulduefni eiga ekkert sameiginlegt nema að eðli fyrirbæranna er okkur hulin.

4.2. Örlög alheimsins

Sjá nánar: Örlög alheimsins og framtíð heimsfræði

Alheimur þenst semsagt út og það með sívaxandi hraða. Það mun hafa miklar afleiðingar í för með sér fyrir þá sem erfa munu heiminn. Nú sjáum við þúsundir stjarna á himninum. Í gegnum sjónauka sjáum við milljónir, auk fjarlægra fyrirbæra eins og vetrarbrautir. Öll fjarlæg fyrirbæri, nema þau sem mynda grenndarhópinn svokallaða, eru á hraðferð í burtu frá okkur. Líkt og lögmál Hubbles kveður á um, fjarlægjast fyrirbærin okkur með æ meiri hraða, því fjarlægari sem þau eru. Sum hverfa jafnvel frá okkur með hraða sem er meiri en hraði ljóssins!^[5] Ef vetrarbraut fjarlægist okkur með meiri hraða en ljóshraðanum, munum við aldrei nema frá henni ljósmerki, svo við getum ekki séð hana. Og þar sem sífellt fleiri vetrarbrautir fjarlægjast okkur með meiri en ljóshraða, fækkar stöðugt þeim vetrarbrautum sem við sjáum. Smám saman minnkar því sjóndeild hins sýnilega heims. Eftir um 100 billjónir ára munum við ekkert sjá nema eina vetrarbraut – okkar eigin, sem þá mun hafa sameinast grenndarhópnum.

Neðanmálsgreinar

1. Mælt er eindregið með grein Einars H. Guðmundssonar (sjá heimildaskrá), en hún tekur m.a. á sérstöðu greinarinnar.
2. 1 parsek (pc) jafngildir um 3,26 ljósárum.
3. Gagnvegur eru stysta fjarlægð milli tveggja punkta í tímarúmi.
4. Afstæðilegar eindir eru eindir sem ferðast á hraða nálægt ljóshraða.
5. Það er í lagi. Takmarkaða afstæðiskenningin bannar einungis innbyrðis hraði hluta sem ferðast gagnum rúmið megi ekki vera meiri en ljósið. En ef burthraðinn stafar af útþenslu rúmsins sjálfs er engin mótsögn við afstæðiskenninguna.

Heimildir

1. Carroll, B. W. og D. A. Ostlie. 2007. An Introduction to Modern Astrophysics.San Fransisco: Addison Weasley.
2. Einar H. Guðmundsson. 1996. Heimsmynd stjarnvísinda: Sannleikur eða skáldskapur? Prentað í Er vit í
   vísindum?, bls. 39-68. Reykjavík: Háskólaútgáfan.
   
3. Longair, M. S. 2008. Galaxy Formation. Berlin: Springer Verlag.
4. Ryden, B. 2003. Introduction to Cosmology. San Fransisco: Addison Weasley.
5. Weinberg, S. 1998. Ár var alda. Reykjavík: Hið íslenzka bókmenntafélag.

Frekara lesefni

• Hawking, S. W. 1999. Saga tímans. Reykjavík: Hið íslenzka bókmenntafélag.
• Hawking, S. W. 2001. The Universe in a Nutshell. New York: Bantam Press.
• Weinberg, S. 1998. Ár var alda. Reykjavík: Hið íslenzka bókmenntafélag.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Ottó Elíasson (2010). Heimsfræði. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/heimsfraedi (sótt: DAGSETNING).