Örlög alheimsins

1. Útþensla alheims

Alheimurinn hófst með Miklahvelli. Miklihvellur var sprenging sem varð allsstaðar í öllu rúminu á sama tíma. Hann var ekki sprenging í hefðbundnum skilningi, með eldi og reyk, heldur tölum við um sprengingu vegna þess hve ótrúlega mikið heimurinn þandist út á örskömmum tíma. Upp frá þessu hefur alheimurinn þanist út, þó með mismiklum hraða.

Þegar alheimurinn þenst, þá þenst hann ekki út í neitt. Hann sjálfur er allt sem er, og ekkert er utan hans. Rúmið sjálft þenst. Þetta er ólíkt því sem við þekkjum úr daglegu lífi. Þegar við blásum upp blöðru, þá þenst hún vissulega út í það sem fyrir utan hana er. Þegar við horfum út í geiminn virðist okkur við vera staðsett í nafla alheims, enda eru öll fjarlæg fyrirbæri vera á hraðri leið í burtu frá okkur. Í reynd virðist öllum athugendum í alheimi þeir vera nafli hans, því þeir sjá allir sömu útþensluna. (Mynd af útþenslu frá Weinberg)

Mynd 1: Við fyrstu sýn kann að virðast sem við séum stödd í miðju alheims enda eru flest fyrirbæri í geiminum á hraðferð burtu frá okkur. Þessi mynd ætti að leiðrétta þann misskilning. Hún sýnir að í heimi sem lítur lögmáli Hubbles virðist sérhverjum athuganda (A, B eða C) hann vera nafli alheims. Mynd: Weinberg (1998).

Rétt fyrir aldamótin síðustu, gerðu tveir rannsóknarhópar undir forystu Sauls Perlmutter og Adams Riess markverða uppgötvun, sem átti eftir að gjörbylta heimsfræði. Edwin Hubble áttaði sig á því um 1925 að heimurinn er að þenjast út. Fram undir árið 2000 töldu menn að útþenslan væri stöðugt að hægja á sér, en Perlmutter og Riess, sem rannsökuðu fjarlægar sprengistjörnur, sýndu fram á að því væri einmitt öfugt farið. Útþensluhraðinn eykst í sífellu. Hvaða afleiðingar mun það hafa fyrir íbúa jarðarinnar og afkomendur þeirra?

Það sem veldur þessum síaukna útþensluhraða vilja menn skýra með svokallaðri hulduorku. Um eðli hennar eru menn ekki allskostar vissir, en kenna þó um því sem þeir vilja kalla orku tómarúmsins. Samkvæmt skammtafræði er tómarúmið ekki aldeilis tómt. Þar myndast í sífellu eindir og andeindir þeirra sem eyðast síðan jafnharðan. Þessar eindir hafa orku og þá orku vilja margir gera ábyrga fyrir hulduorkunni sem knýr útþensluna.

Fyrst og síðast mun sjónsvið okkar minnka. Hinn sýnilegi alheimur er endanlegur og vegna útþenslunnar fjarlægjast nú fjölmargar vetrarbrautir okkur með hraða sem er meiri en ljóshraðinn. Það brýtur ekki í bága við afstæðiskenninguna (sem segir að innbyrðis hraði tveggja hluta megi ekki vera meiri en ljóshraðinn), því fráhvarfshraði þeirra er meiri en ljóshraðinn vegna útþenslu rúmsins sjálfs, en ekki vegna ferðar þeirra gegnumrúmið. En ljósið frá þeim berst aldrei til okkar. Þar sem útþensluhraðinn eykst, eykst að sama skapi fráhvarfshraði vetrarbrautanna, svo æ fleiri fjarlægjast okkur með hraða sem er meiri en ljóshraðinn. Smám saman fækkar því þeim vetrarbrautum sem við sjáum á himninum.

2. Hvað munum við sjá?

Til að átta sig almennilega á því hvaða afleiðingar þetta mun hafa í för með sér er gott að staldra aðeins við og hugsa hvað við sjáum í dag. Með berum augum getum við séð um 3.000 stjörnur (á hvoru hveli jarðar) í nánasta nágrenni okkar í vetrarbrautinni. Við getum jafnvel séð Andrómedu sem er næsta vetrarbraut á stærð við okkar og jafnvel nokkrar minni eins og Magellan-skýin á suðurhveli. Með sjónauka sjáum við enn fleiri vetrarbrautir. Við áætlum að í hinum sýnilega alheimi séu af stærðarþrepinu 100 milljarðar vetrarbrauta og í meðal vetrarbraut, eins og okkar eru á bilinu 100 til 400 milljarðar sólstjarna.

Hvað munum við sjá eftir 5 milljarða ára? Vetrarbrautin okkar og Andrómeda eru tvær stærstu vetrarbrautinar í svokölluðum grenndarhópi. Þær ásamt nokkrum litlum vetrarbrautum mjakast hver í átt að annarri undir verkan þyngdarkraftsins. Að fimm milljörðum ára liðnum verða þessir risar grenndarhópsins orðnir að einni stórri vetrarbraut. Sólin okkar er í dag u.þ.b. hálfnuð á lífsleið sinni. Hún mun eins og aðrar stjörnur af hennar stærð smám saman vaxa og verða að rauðum risa. Eftir 5 milljarða ára mun sólin væntanlega hafa eytt öllu lífi á jörðinni vegna aukinnar útgeislunar og væntanlegrar plássfrekju. Enn munum við sjá við fjarlægar vetrarbrautir þó þeim hafi fækkað nokkuð.

Að 100 milljörðum ára liðnum verður grenndarhópurinn orðinn að einni reginþoku. Á mynd 2 hefur listamaðurinn þeytt jörðinni út úr reginþokunni og við horfum á hana úr talsverðri fjarlægð. Það gæti hafa gerst í hamagangi undanfarinna þúsalda. Engar vetrarbrautir verða sýnilegar lengur. Þær síðustu hafa fyrir löngu sest á sjóndeildina og rauðvik ljóss þeirra verður svo mikið að við munum ekki greina þær meir. Þar með hverfa þær upplýsingar sem Hubble byggði á lögmál sitt um útþenslu alheimsins. Við munum aðeins sjá eina vetrarbraut – okkar eigin. Rauðvik örbylgjukliðsins mun að sama skapi stóraukast. Bylgjulengd ljóseinda hans verður um λ ≈ 1 m svo kliðurinn verður kominn yfir á útvarpssvið rafsegulrófsins. Ekki er nóg með að útþenslan muni teygja á bylgjulengdinni heldur mun styrkur geislunarinnar minnka um 12 stærðarþrep. Kliðurinn verður þar með orðinn veikari en rafgassuðið í miðgeimsefninu og okkur því að eilífu hulinn. Við höfum engar forsendur lengur til að álykta að við byggjum einsleitan og stefnusnauðan alheim – enda sýnumst við ein í miðju hans.

Þær athuganir sem við grundvöllum á heimsmynd nútímans verða horfnar. Vegna síaukins útþensluhraða kvörðunarstikans munu öll fyrirbæri sem ekki tilheyra grenndarhópnum hverfa frá okkur hraðar en ljósið. Myndir þeirra munu setjast á sjóndeildina, dofna og hverfa. Útþenslan hylur eigin spor. Leifar örbylgjukliðsins drukkna í rafgassuði geimefnis. Endurómur Miklahvells mun hljóðna. Þar sem við sitjum eftir, að því er virðist ein í miðju alheims, fjúka hugmyndir um grunnforsendu heimsfræðinnar út í veður og vind. Heimsmynd afkomenda jarðarbúa verður frábrugðin þeirri sem við höfum í dag. Vísindamenn framtíðarinnar munu líklega þrátt fyrir það, finna upp allar helstu eðlisfræðikenningar sem við beitum á heiminn í nútíma: Afstæðiskenningu, skammtafræði, klassíska aflfræði, rafsegulfræði o.s.frv. Án grunnforsendunnar mun afstæðiskenningin ekki leiða menn í átt að réttum kenningum um alheim sem hófst í Miklahvelli. Með hjálp kjarneðlisfræði og athugana á hlutföllum frumefna í alheimi, gætu vísindamenn sett neðri mörk á aldur vetrarbrautarinnar – en lengra kæmust þeir ekki. Kjarnahvörf í frumheimi verða mönnum hulin og því einnig uppruni frumefnanna. Afkomendur okkar munu gera mælingar á heiminum og komast að rangri niðurstöðu. Aðferðir vísindanna munu ekki veita okkur rétt svör. Við verðum eyland – í nafla alheims.

Eftir 100 billjónir ára slokknar á síðustu sólstjörnum reginvetrarbrautarinnar. Við fljótum ein í tóminu.

Mynd 2: Framtíð alheims rakin á fjórum myndum. Í dag sjáum við ógrynni vetrarbrauta undir, yfir og allt um kring. Þegar fram líða stundir mun Andrómeda færast nær okkur og innan 10 milljarða ára verður grenndarhópurinn orðinn að einni stórri reginvetrarbraut. Öll önnur fyrirbæri munu hverfa okkur sjónum. Á myndinni hefur listamaðurinn þeytt jörðinni út úr reginþyrpingunni en líkur eru á slíkum hamförum við samruna grenndarhópsins. Eftir hundrað þúsund milljarða ára munu sólstjörnur reginvetrarbrautarinnar senda sína síðustu geisla. Mynd: Krauss og Scherrer (2008).

3. Skeið alheims

Það blæs ekki byrlega fyrir þeim sem byggja munu alheim. En þótt sólirnar sendi sína síðustu geisla eftir 10¹⁴ ár mun alheimurinn, eða öllu heldur það sem í honum er, halda áfram að breytast. Deila má ævi alheims í fimm skeið, eftir því hvað var, er eða verður í honum:

1. Bernskuskeið (e. primordial era) hefst í Miklahvelli og lýkur um það leyti sem efnið nær yfirhöndinni sem ráðandi afl í útþenslu alheimsins, þegar alheimurinn er ~10⁵ ára gamall.
   
2. Við tekur sólbrunaskeið (e. stelliferous era). Efni þéttist staðbundið í geimnum og myndar sólir, sólkerfi og vetrarbrautir – þann alheim sem við þekkjum. Á þessu skeiði brenna sólstjörnur eldsneyti sínu með kjarnahvörfum. Undir lok skeiðsins er það efni sem vetrarbrautir smíða úr sínar stjörnur, nær uppurið. Það vetni sem eftir verður í alheimi, verður bundið í brúnum dvergum, stjörnum sem urðu aldrei nógu massamiklar til að hefja vetnisbruna í iðrum sínum. Hinar sem lýstu geiminn enda ýmist sem hvítir dvergar, nifteindastjörnur eða svarthol. (Til að vetnisbruni geti hafist þurfa stjörnur að hafa massa M > 0,08 M_⊙,þar sem M_⊙ = 2·10³⁰ kg er massi sólarinnar okkar.) Sólbrunaskeiðið líður undir lok þegar aldur alheims er ~10¹⁴ ár.
   
3. Á öngefnisskeiði (e. degenerate era) heldur stjörnumyndun áfram, þó á annan hátt. Árekstrar tveggja hnatta í vetrarbrautum er afar sjaldgæfur – en ef við bíðum nógu lengi henda þeir. Við árekstur brúnna dverga myndast lítil sólstjarna, nógu þung til að brenna því vetni sem hana myndar. Til eru kenningar sem lýsa hrörnun róteindarinnar. Hún hrörnar þá í jáeind og píeind. Þegar jáeindin kemst í snertingu við rafeindir eyðast þær og skilja eftir geislun. Ef slík hvörf eru raunveruleg munu þau hafa mikil áhrif á þróun nifteindastjarna og hvítra dverga. Slíkar stjörnur munu hreinlega gufa upp á nógu löngum tíma, á ~10⁴⁰ ár.
   
4. Þá verður svo komið að einu fyrirbærin sem eitthvað kveður að í alheimi verða svarthol, næsta skeið kallast því svartholaskeið (e. black hole era). Svartholin eru þó hvergi óhult og smám saman minnka þau vegna svokallaðrar Hawkingsgeislunar. Svarthol eins og þau sem myndast við þyngdarhrun massamikilla stjarna gufa upp á 10⁶⁵ árum og þau sem finna má í iðrum vetrarbrauta á 10⁸³ árum.
   
5. Í enn fjarlægri framtíð, þegar öll svarthol heimisins hafa gufað upp tekur við skuggaskeiðið (e. dark era). Þá verður aðeins eftir geislun í alheimi, leifar allra skeiða. Að mestum styrk verður þó Hawkingsgeislunin.

4. Framtíð heimsfræði

Eftir 100 milljarða ára verða þær athuganir sem við grundvöllum á heimsmynd nútímans horfnar. Vegna síaukins útþensluhraða kvörðunarstikans munu öll fyrirbæri sem ekki tilheyra grenndarhópnum hverfa frá okkur hraðar en ljósið. Myndir þeirra munu setjast á sjóndeildina, dofna og hverfa. Útþenslan hylur eigin spor. Leifar örbylgjukliðsins drukkna í rafgassuði geimefnis. Endurómur Miklahvells mun hljóðna. Þar sem við sitjum eftir, að því er virðist ein í miðju alheims, fjúka hugmyndir um grunnforsendu heimsfræðinnar út í veður og vind. Heimsmynd þeirra sem byggja munu veröldina verður frábrugðin þeirri sem við höfum í dag. Vísindamenn framtíðarinnar munu líklega þrátt fyrir það, finna upp allar helstu eðlisfræðikenningar sem við beitum á heiminn í nútíma: Afstæðiskenningu, skammtafræði, klassíska aflfræði, rafsegulfræði o.s.frv. Án grunnforsendunnar mun afstæðiskenningin ekki leiða menn í átt að réttum kenningum um alheim sem hófst í Miklahvelli. Með hjálp kjarneðlisfræði og athugana á hlutföllum frumefna í alheimi, gætu vísindamenn sett neðri mörk á aldur vetrarbrautarinnar – en lengra kæmust þeir ekki. Kjarnahvörf í frumheimi verða mönnum hulin og því einnig uppruni frumefnanna. Afkomendur okkar munu gera mælingar á heiminum og komast að rangri niðurstöðu. Aðferðir vísindanna munu ekki veita okkur rétt svör. Við verðum eyland – í nafla alheims.

Í ljósi þessa vakna óhjákvæmilega spurningar um áreiðanleika kenninga okkar um heiminn í dag. Ef vísindin munu gefa röng svör, gætu svör dagsins í dag hæglega verið það einnig. Óðaþensla, í ætt og þá sem mun skilja okkur eftir ein, henti líklega einnig í frumheimi. Sennilega höfum við þegar tapað mikilvægum upplýsingum, kubbum sem mun ætíð vanta í heildarmyndina. Þetta er einmitt innsta eðli vísindanna. Þau eru það sem best er vitað á hverjum tíma. Kenningar koma og fara og þær sem lifa í dag, deyja á morgun. Í upphafi tuttugustu aldarinnar töldu menn að vetrarbrautin okkar væri ein í alheimi og þau fyrirbæri sem við köllum í dag fjarlægar vetrarbrautir, væru í raun innan okkar eigin. Önnur kenning sem lifði góðu lífi á öldinni sem leið var sístöðukenningin svokallaða, en í þeirri kenningu myndast efni jafnharðan og alheimurinn þenst út svo þéttleiki hans er hér um bil fasti. Slíkur alheimur er eilífur og lítur eins út í dag og hann gerði í gær. Þessi kenning var keppinautur kenningarinnar um Miklahvell. Fundur örbylgjukliðsins festi Miklahvellskenninguna í sessi en velti sístöðukenningunni um koll.

Þetta vekur líka spurningu um getu vísindanna. Að 100 milljörðum ára liðnum virðast spurningar t.d. um eðli fjarlægra vetrarbrauta ekki lengur hafa neina skýra vísindalega merkingu á sama hátt og spurningin: „Hvað var fyrir Miklahvell?“ virðist hafa í dag. Fyrir 10 milljörðum ára hefðum við ekki getað sagt til um sívaxandi áhrif hulduorku á kvörðunarstikann og að nokkrum Hubblestímum liðnum er hæpið að við munum greina merki útþenslunar. Við lifum á tímum í sögu alheims þar sem við virðumst geta rannsakað alla þá þætti sem ráða þróun hans, ólíkt því sem var eða verður. Heimsmynd nútímans sýnist trygg. Ólíkar athuganir styðja hvora aðra og þannig heimsmynd okkar í dag. En líkt og vísindakenningar fyrri tíma hafa brugðist hljótum við að gera ráð fyrir því að sú kenning sem við hömpum í dag geti ekki gert grein fyrir öllum athugunum komandi tíma og verði áður en mjög langt um líður skipt út fyrir aðra betri.

Heimildir

• Adams, F. C. og G. Laughlin (1999). Five Ages of the Universe. http://www.fathom.com/course/10701055/sessions.html (sótt 16. júní 2010). Einnig er til bók með þessu nafni eftir höfundana.
• Einar H. Guðmundsson (1996). Heimsmynd stjarnvísinda: Sannleikur eða skáldskapur. Prentað í Er vit í vísindum?, bls. 39-68. Reykjavík: Háskólaútgáfan.
• Krauss, L. M. og R. J. Scherrer (2007). The Return of a Static Universe and the End of Cosmology. General Relativity and Gravitation 39:1545–1550.
  
• Krauss, L. M. og R. J. Scherrer (2008). The End of Cosmology? Scientific American 298:34–41.
• Weinberg, S. (1998). Ár var alda. Reykjavík: Hið íslenzka bókmenntafélag.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Ottó Elíasson (2010). Örlög alheimsins og framtíð heimsfræði. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/orlog_alheims (sótt: DAGSETNING).