Hulduorka

1. Alheimurinn þenst út með sívaxandi hraða

Laust fyrir aldamótin síðustu byltu heimsmyndinni tveir rannsóknarhópar undir forystu Adams G. Riess (f. 1969) og Saul Perlmutter (f. 1959) (sjá Riess, 1998 og Perlmutter, 1999). 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. Líkt og kannað verður hér á eftir má gera grein fyrir slíkri hegðan með því að bæta inn í jöfnur afstæðiskenningarinnar svokölluðum heimsfasta.

2. Aðkoma Einsteins

Þetta fyrirbæri – heimsfasti – hefur verið bitbein heimsfræðinga svo lengi sem elstu menn muna. Einstein kynnti hann fyrst til sögunnar 1917. Hann var þá vinna að fyrsta heimslíkaninu sem byggt er á almennu afstæðiskenningunni. Á þessum tíma deildu menn um hvort hluti þeirra stjörnuþoka sem sjást á himni væru innan okkar vetrarbrautar, eða vetrarbrautir utan okkar eigin. Það mál leystist með uppgötvun Hubbles. Þá vissu menn heldur ekki að heimurinn væri að þenjast út. Einstein leit því aðeins til stjarnanna og sumar færðust að okkur og aðrar frá okkur. Í dag vitum við að stjörnurnar voru allar innan okkar eigin vetrarbrautar. Einstein ályktaði að heimurinn væri stöðugur og bætti við jákvæðum heimsfasta til að jöfnurnar lýstu slíkum heimi. Nyti heimsfastans ekki við myndi efnið í alheimi draga hann saman á ný, án heimsfastans var veröldin óstöðug með tilliti til samdráttar. Seinna meir hvarf hann frá hugmyndum sínum um heimsfasta af fagurfræðilegum ástæðum.¹

Jöfnur Einsteins sem lýsa gerð tímarúmsins eru eitthvað á þessa leið:

(Sveigja tímarúmsins) = (dreifing efnis og orku í alheimi).

Við erum hluti af dreifingu efnis og orku í alheimi, og að því er Einstein vissi best var liðurinn hægra megin við jafnaðarmerkið því stærri en 0. Til að jafnan héldi þyrfti því sveigja tímarúmsins líka að vera stærri en 0. En ef sveigjan er jákvæð, myndi sá alheimur (sem menn töldu að innihéldi aðeins venjulegt efni) dragast saman, þ.e. hann væri óstöðugur. 1917 töldu menn að heimurinn væri stöðugur, Einstein bætti því við jákvæðum heimsfasta sem við táknum með gríska bókstafnum Λ. Jafna Einsteins er þá svona

(Sveigja tímarúmsins) – Λ = (dreifing efnis og orku í alheimi).

Hugmyndin var sú að þessi Λ-liður ynni gegn þyngdarkraftinum sem stafaði af efni í alheimi og þannig yrði heimurinn stöðugur, hann væri einskonar and-þyngdarafl. Við gætum ekki mælt áhrif hans á litlum mælikvarða en á stórum kvarða (~ 10 milljón ljósár) færu áhrif hans að safnast saman og dygðu til að halda alheimi stöðugum. Honum var þó ekki vel við heimsfastann og þótti hann lýti á annars „einfaldri“ kenningu.

Í dag er tilvist heimsfastans viðtekin, þökk sé m.a. rannsóknarhópum Riess og Perlmutter. Hann er ábyrgur fyrir síauknum útþensluhraða alheims. Menn hafa því gefið orsök hans nafn og kalla hulduorku.² Til að gera grein fyrir honum í kenningu Einsteins bæta menn því heimsfasta við upphaflegu jöfnurnar hans á þennan hátt:

(Sveigja tímarúmsins)= (dreifing efnis og orku í alheimi) + Λ.

Athugum að hér stendur fastinn með dreifingu orku og efnis í alheimi og hefur því aðra eðlisfræðilega merkingu en Einstein hugsaði sér. Hulduorkan er þannig hluti af orku-massa þéttleika alheims á sama hátt og venjulegt efni og geislun (ljós, fiseindir o.fl.).

3. Skammtafræði og hulduorka

Nú telja vísindamenn að a.m.k. hluta hulduorkunnar megi rekja til orku tómarúmsins. Samkvæmt skammtafræði er tómarúmið ekki tómt. Þar geta eindir og andeindir þeirra myndast fyrirvaralaust. Eina skilyrðið er að heildarorka eindanna ΔE og líftími þeirra í tómarúminu Δt hlíti óvissulögmáli Werners Heisenberg (1901–1976)

ΔE·Δt ≤ ћ/2.

Stærðin ћ er Plancksfastinn, einskonar gunnfáni skammtafræðinnar. Þar sem honum bregður fyrir, hafa menn beitt skammtafræði. Gildi hans er afskaplega lágt, enda fæst skammtafræðin vði hegðun þess smæsta sem við þekkjum í alheimi. Áþennan hátt má reikna út orku tómarúmsins. Það hafa menn gert. Óhætt er að fullyrða að aldrei í sögu vísindanna hafi niðurstöðum kenninga borið svo illa saman við mælingar. Skammtafræðin spáir því að orkuþéttleiki tómarúmsins sé ríflega 120 stærðarþrepum meiri en mælingar segja til um. Þetta segir samt lítið til um gildi skammtafræði sem vísindakenningar, enda er hún sennilega best prófaða kenning allra tíma. Nær væri að segja sem svo, að við vitum ósköp lítið um orku tómarúmsins og eðli hennar.

Þrátt fyrir þessi ósköp stöndum við keik þegar við ræðum hulduorku. Áhrif hennar á útþenslu alheimsins eru staðreynd hvað svo sem kann að valda henni.

4. Hulduorka og sívaxandi útþensluhraði

Til að lýsa nánar undarlegu eðli hulduorkunnar er ágætt að bera hana saman við eitthvað sem við þekkjum. Efni hefur orku og hana má reikna samkvæmt hinum frægu orku-mass venslum Einsteins, E = mc². Tiltekið rúmmál af efni, geymir því ákveðna orku. Ef við aukum rúmmálið, líkt og gerist þegar alheimurinn þenst út, minnkar þéttleiki efnisins innan þessa tiltekna rúmmáls. Efnið dreifist um og lengra verður á milli efnisagnanna. Við segjum því að þegar rúmmálið stækkar þá minnki orkuþéttleiki efnisins.

Svona er þessu ekki farið með hulduorkuna. Í tilteknu rúmmáli af „tómi“ býr tiltekin orka. Þegar rúmmálið eykst, eykst sjálfkrafa þessi orka. Þannig eykst stöðugt hlutdeild hulduorku í heildar orkuþéttleika alheims. Í dag má rekja um 74% af orkuþéttleika alheims til hulduorkunnar. Í ofanálag hefur hulduorkan öfug áhrif á rúmið miðað við venjulegt efni, þ.e. hún dregur úr áhrifum þyngdaraflsins (þó ekki í alveg sama skilningi og Einstein hafði hugsað sér). Þessi öfugu áhrif aukast stöðugt með tímanum því rúmmál alheimssins eykst. Og þegar rúmmál alheimsins eykst aukast áhrif hulduorkunnar, sem veldur þá enn meiri þenslu. Þetta telja vísindamenn að sé ástæðan fyrir sívaxandi útþensluhraða alheimsins.

Neðanmálsgreinar

1. Iðulega eru þau ummæli eignuð Einstein, að hann hafi kveðið heimsfastann sitt „mesta axarskaft“. Engar beinar heimildir eru þó til um þessi orð hans, heldur segir eðlisfræðingurinn George Gamow (1904–1968) svo frá í bókinni My World Line, frá árinu 1970.
2. Vert er að taka fram að þrátt fyrir að hulduorka og hulduefni hafi sama forskeyti eiga þau ekkert sameiginlegt nema það að náttúra þessara fyrirbæra er okkur hulin.

Heimildir

• Carroll, B. W. og D. A. Ostlie (2007). An Introduction to Modern Astrophysics. San Fransisco: Addison Weasley.
• Duncan, T. og C. Tyler (2009). Your Cosmic Context. San Fransisco: Pearson Addison-Weasley.
• Perlmutter, S. et al.(1999). Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae. The Astrophysical Journal 517, 565.
• Riess, A. et al.(1998). Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. The Astronomical Journal116, 1009.
• Ryden, B. (2003). Introduction to Cosmology. San Fransisco: Addison Weasley.

Tengdar greinar

• Efni og orka í alheimi
  
• Hulduefni
• Almenna afstæðiskenningin
• Heimsfræði
• Grundvallarathuganir í heimsfræði

Hvernig vitna skal í þessa grein

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