Þyngdarbylgjur benda til óðaþenslu
Stærsta uppgötvun stjarnvísinda síðan hulduorkan fannst árið 1998
Sævar Helgi Bragason
17. mar. 2014
Fréttir
Stjarnvísindamenn tilkynntu í dag að fundist hefðu fyrstu sönnunargögnin fyrir þyngdarbylgjum frá óðaþensluskeiði Miklahvells. Verði uppgötvunin staðfest er hér um að ræða eina mestu uppgötvun í sögu stjarnvísinda
Stjarnvísindamenn tilkynntu í dag að fundist hefðu fyrstu sönnunargögnin fyrir þyngdarbylgjum frá óðaþensluskeiði Miklahvells. Uppgötvunin, sem gerð var með BICEP2 útvarpssjónaukanum á Suðurskautslandinu, veitir hugsanlega upplýsingar um ástand alheimsins aðeins 10-36 sekúndum eftir upphafið. Verði uppgötvunin staðfest er hér um að ræða eina mestu uppgötvun í sögu stjarnvísinda. Með henni höfum komist nær upphafi alheimsins en nokkru sinni fyrr. Uppgötvunin opnar líka nýja leið til að rannsaka grunnkrafta náttúrunnar við gífurlega háa orku og kenningar um sameiningu þeirra í skammtaþyngdarfræði.
Fyrir hartnær 100 árum lauk Albert Einstein við að leiða út nýja kenningu um þyngdarkraftinn sem hann kallaði almennu afstæðiskenninguna, kenningu sem lýsti eðli rúms og tíma. Kenningin útskýrði ekki aðeins hvernig hlutir hreyfast í alheiminum, heldur líka hvernig sjálfur alheimurinn gæti þróast.
Meðal þess sem kenningin spáði fyrir um, var tilvist þyngdarbylgja, nokkurs konar gára í rúminu. Einstein reiknaði líka út að gárur þyngdarbylgnanna væru svo daufar að sennilega yrði aldrei hægt að mæla þær.
Á seinni hluta 20. aldar urðu þáttaskil í heimsfræði þegar örbylgjukliðurinn uppgötvaðist. Fram að þeim tíma höfðu eðlisfræðingar skipst í tvær fylkingar. Annars vegar þá sem töldu að heimurinn væri í jafnstöðu, þ.e.a.s. að efnisdreifing hans væri stöðug en ekki í þróun og hins vegar þá sem töluðu um einhvers konar upphaf, þ.e. Miklahvell.
Örbylgjukliðurinn reyndist elsta ljósið í alheiminum — bakgrunnsgeislun heits Miklahvells. Kliðurinn sýnir okkur alheiminn eins og hann leit út aðeins 380.000 árum eftir Miklahvell, löngu fyrir tíma stjarna og vetrarbrauta. Á þessum tíma var alheimurinn uppfullur af þéttri og þar með heitri súpu róteinda, rafeinda og ljósseinda. Er heimurinn þandist út og kólnaði mynduðu róteindir og rafeindir vetnisatóm og gat þá ljós fyrst ferðast óhindrað um alheiminn.
Vegna útþenslu alheimsins hefur teygst á bylgjulengd þessa ljóss. Nú nemum við það á formi örbylgna og hitastig ljóssins hefur kólnað úr 2700°C niður í aðeins 2,7 gráður yfir alkul (um –270°C) (sjá frétt um niðurstöður Planck gervitunglsins).
Samkvæmt almennu afstæðiskenningunni getur ljós á gagnstæðum svæðum himinhvolfsins ekki hafa verið í orsakasambandi áður en það lagði af stað í átt að okkur. Hins vegar er örbylgjukliðurinn ótrúlega einsleitur, þ.e.a.s. nokkurn veginn eins, sama hvert við lítum [1]. Hvers vegna?
Óðaþenslulíkanið
Árið 1980 setti bandaríski eðlisfræðingurinn Alan Guth (og samtímamenn hans) fram kenninguna um óðaþenslu. Hún kveður á um að í frumbernsku alheimsins, aðeins 10-36 sekúndum eftir upphafið, hafi alheimurinn þanist út 1026-falt á augnabliki. Þessi snögga útþensla hafði þau áhrif að allar ójöfnur í alheiminum, svo sem efnisklumpar og sveigjur í rúminu, sléttust út. Þannig gat Guth útskýrt hvers vegna alheimurinn virðist mjög flatur og einsleitur í allar áttir. Hins vegar var ekkert fullyrt um hvað knúði óðaþensluna áfram og hvers vegna hún hætti skyndilega.
Orkan sem knúði þessa óðaþenslu var gífurleg og henni fylgdu öflugar þyngarbylgjur. Hafi þessar þyngdarbylgjur orðið til svo snemma í sögu alheimsins er næstum öruggt að ummerki þeirra (fingraförin) sjáist í örbylgjukliðnum. Þyngdarbylgjurnar hnoðuðu efnið og mynduðu sveiflur sem framkalla skautun í örbylgjukliðnum.
Ljós sem berst frá misleitri efnisdreifingu, eins og í örbylgjukliðnum er stundum skautað [2] að hluta. Skautunin er hins vegar mjög veik og erfitt að mæla. Myndin hér undir sýnir mynstur sem stjarneðlisfræðingar kalla E- og B-þætti.
 |
Skautun örbylgjukliðsins umhverfis fastan punkt á himni. Hægt er að aðgreina skautunina í E-þætti (rautt) og B-þætti (blátt).
|
Munurinn er sá að B-þættirnir vinda upp á sig og mynda nokkurs konar skrúfulaga mynstur sem ekki er að finna í E-þáttum. Án þyngdarbylgna myndum við aðeins mæla E-þætti. Á hinn bóginn, ef óðaþensla átti sér stað munu þyngdarbylgjur sökum hennar framkalla bæði E-þætti og B-þætti. Þennan umframsnúning í skautun örbylgjukliðsins er hægt að aðgreina með nákvæmum mælitækjum.
Um árabil hefur hópur vísindamanna leitað að B-þáttum í örbylgjukliðnum frá Amundsen-Scott rannsóknarstöðinni á ísbreiðu Suðurskautslandsins, í 2.800 metra hæð yfir sjávarmáli. Þar er loftið bæði þunnt og þurrt, sem er mikilvægt því vatnsgufa dregur örbylgjugeislunina í sig.
Eitt þessara verkefna er BICEP2 [3]. Vísindamenn þeirrar tilraunar héldu blaðamannafund í dag þar sem að þeir sögðu frá mælingum á B-þáttum í skautun örbylgjukliðins. Verði þessar mælingar staðfestar hafa fyrstu sönnunargögnin fyrir þyngdarbylgjum frá óðaþensluskeiði Miklahvells fundist.
„Verði uppgötvunin staðfest, er þetta tvímælalaust staðfesting á óðaþenslu og að á óðaþensluskeiðinu hafi átt sér stað skammtaflökt,“ segir Einar H. Guðmundsson, prófessor í stjarneðlisfræði við Raunvísindastofnun Háskólans. „Það er þetta skammtaflökt sem síðan gerir að verkum að það myndast kekkir í efninu og þessir kekkir þróist seinna yfir í vetrarbrautir og stjörnur.“
„Allt sem við sjáum í kringum okkur má því rekja aftur til þess tíma þegar skammtaflöktið réði ríkjum í þróun alheimsins. Á sama tíma mynduðust líka þyngdarbylgjur. Mælingarnar benda til þess, að þyngdarbylgjurnar séu raunverulegar og valdi þessari skautun. Það eru óbein merki um tilvist þyngdareinda (gravitons), sem eru skammtafræðileg lýsing á þyngdarbylgjum. Þar af leiðandi er þetta vísbending um að þyndarsviðið lúti lögmálum skammtafræðinnar. Þetta er meiriháttar uppgötvun sem bendir til þess að leit manna að skammtaþyngdarfræði sé ekki tilgangslaus, að þyngdarsviðið sé líka skammtað. Þetta er stærri uppgötvun en fundur Higgs-eindarinnar,“ segir Einar.
Nauðsynlegt að sannreyna niðurstöðurnar
BICEP2 hópurinn þarf nú að sannfæra vísindasamfélagið um að mælingarnar séu traustar. Líklega mun taka nokkur ár að sannreyna þær fyllilega. Nokkrir aðrir sjónaukar, sem nú eru í notkun, geta einnig mælt skautun örbylgna á himinhvolfinu og býr hluti þeirra yfir nægjanlegri næmni til að endurtaka mælingarnar og sannreyna staðhæfingar BICEP2.
Eitt þessara verkefna nefnist SPIDER en ungur íslenskur vísindamaður, Jón Emil Guðmundsson, sem nú er í doktorsnámi við Princeton háskóla í Bandaríkjunum, tekur þátt í því.
„Sjónaukar SPIDER tilraunarinnar munu hanga úr helíumloftbelg í 35 km hæð yfir Suðurskautslandinu,“ segir Jón Emil. „Þetta er nokkurs konar ódýr útgáfa af gervitungli. Tilraunir á borð við SPIDER munu skera úr um sannleiksgildi mælinga BICEP2. Takist að staðfesta þessar niðurstöður er ljóst að opnast hafa nýjar dyr í heimi stjarneðlisfræðinnar. Það verður afar spennandi að sjá hvað gerist á næstu árum.“
Skýringar
[1] Örbylgjukliðurinn er ekki alveg samfelldur, þ.e. jafnheitur allstaðar, heldur greinast hárfínar hitastigssveiflur í honum. Þessar hitastigssveiflur urðu til strax í kjölfar Miklahvells við skyndilega augnabliksútþenslu sem kallast óðaþensla. Þær samsvara misþéttum svæðum í árdaga alheimsins sem eru fræin sem síðar skópu þær stjörnur og vetrarbrautir sem við sjáum í alheiminum í dag. Vísindamenn sem kanna eiginleika þessa ljós geta lært ýmislegt um alheiminn í frumbernsku, efnasamsetningu hans og þróun í fortíð, nútíð og framtíð.
[2] Skautuðu ljósi er venjulega lýst með tveimur hornréttum þáttum. Vönduð sólgleraugu fluguveiðimanns eru t.d. þrædd með örfínum vírum sem liggja lárétt í linsunum. Þetta er gert svo að óþarft ljós, sem endurvarpast af vatnsfleti og er nær einvörðungu lárétt skautað, speglist af gleraugum veiðimannsins og geri honum þar með kleift að koma auga á fiskinn. Á hliðstæðan hátt eru nemarnir í BICEP2 hannaðir með vírum sem liggja bæði lóðrétt og lárétt. Skautaða hluta örbylgjukliðsins er þó lýst með öðrum hætti.
[3] BICEP2 () notar einfaldan sjónauka sem beinir örbylgjum í átt að hitageislunarnemum. Örbylgjurnar hita agnarsmáar títanflögur sem breyta samstundis um rafleiðni. Straumur í rafrás nærri flögu breytist fyrir vikið og er sú breyting í réttu hlutfalli við ljósaflið.
Tenglar
Tengiliðir
Jón Emil Guðmundsson
Princeton University
Physics Department - Jadwin Hall
Princeton, NJ, 08544
Bandaríkin
Farsími: +1-609-216-4484
Netfang: [email protected]
Einar H. Guðmundsson
Prófessor í stjarneðlisfræði
Háskóli Íslands
Farsími: 862-6192
Netfang: [email protected]
Sævar Helgi Bragason
Stjörnufræðivefurinn og Raunvísindastofnun Háskólans
Farsími: 896-1984
Netfang: [email protected]
Þetta er fréttatilkynning frá Stjörnufræðivefnum stj1401
Tengdar myndir
Þyngdarbylgjur vegna óðaþenslu mynda dauft en áberandi undið mynstur í skautun örbylgjukliðsins sem kallast B-þættir. Hér sést B-þátta mynstrið eins og BICEP2 sjónaukinn sér það á mismunandi stöðum himinsins yfir Suðurskautslandinu. Mynd: BICEP2
Sólin sest á bak við BICEP2 á ísbreiðu Suðurskautslandsins. Mynd: Steffen Richter, Harvard University
Örbylgjukliðurinn með augum Planck. Hitastigssveiflur í örbylgjukliðnum eins Planck gervitunglið sér þær. Örbylgjukliðurinn er svipmynd af elsta ljósi alheimsins og sýnir okkur heiminn eins og hann leit út aðeins 380.000 árum eftir Miklahvell. Litirnir sýna hárfínar hitastigsbreytingar sem samsvara misþéttum svæðum en þau eru fræin sem að mynduðu þær stjörnur og vetrarbrautir sem við sjáum í alheiminum í dag. Mynd: ESA/Planck
Þyngdarbylgjur benda til óðaþenslu
Stærsta uppgötvun stjarnvísinda síðan hulduorkan fannst árið 1998
Sævar Helgi Bragason 17. mar. 2014 Fréttir
Stjarnvísindamenn tilkynntu í dag að fundist hefðu fyrstu sönnunargögnin fyrir þyngdarbylgjum frá óðaþensluskeiði Miklahvells. Verði uppgötvunin staðfest er hér um að ræða eina mestu uppgötvun í sögu stjarnvísinda
Stjarnvísindamenn tilkynntu í dag að fundist hefðu fyrstu sönnunargögnin fyrir þyngdarbylgjum frá óðaþensluskeiði Miklahvells. Uppgötvunin, sem gerð var með BICEP2 útvarpssjónaukanum á Suðurskautslandinu, veitir hugsanlega upplýsingar um ástand alheimsins aðeins 10-36 sekúndum eftir upphafið. Verði uppgötvunin staðfest er hér um að ræða eina mestu uppgötvun í sögu stjarnvísinda. Með henni höfum komist nær upphafi alheimsins en nokkru sinni fyrr. Uppgötvunin opnar líka nýja leið til að rannsaka grunnkrafta náttúrunnar við gífurlega háa orku og kenningar um sameiningu þeirra í skammtaþyngdarfræði.
Fyrir hartnær 100 árum lauk Albert Einstein við að leiða út nýja kenningu um þyngdarkraftinn sem hann kallaði almennu afstæðiskenninguna, kenningu sem lýsti eðli rúms og tíma. Kenningin útskýrði ekki aðeins hvernig hlutir hreyfast í alheiminum, heldur líka hvernig sjálfur alheimurinn gæti þróast.
Meðal þess sem kenningin spáði fyrir um, var tilvist þyngdarbylgja, nokkurs konar gára í rúminu. Einstein reiknaði líka út að gárur þyngdarbylgnanna væru svo daufar að sennilega yrði aldrei hægt að mæla þær.
Á seinni hluta 20. aldar urðu þáttaskil í heimsfræði þegar örbylgjukliðurinn uppgötvaðist. Fram að þeim tíma höfðu eðlisfræðingar skipst í tvær fylkingar. Annars vegar þá sem töldu að heimurinn væri í jafnstöðu, þ.e.a.s. að efnisdreifing hans væri stöðug en ekki í þróun og hins vegar þá sem töluðu um einhvers konar upphaf, þ.e. Miklahvell.
Örbylgjukliðurinn reyndist elsta ljósið í alheiminum — bakgrunnsgeislun heits Miklahvells. Kliðurinn sýnir okkur alheiminn eins og hann leit út aðeins 380.000 árum eftir Miklahvell, löngu fyrir tíma stjarna og vetrarbrauta. Á þessum tíma var alheimurinn uppfullur af þéttri og þar með heitri súpu róteinda, rafeinda og ljósseinda. Er heimurinn þandist út og kólnaði mynduðu róteindir og rafeindir vetnisatóm og gat þá ljós fyrst ferðast óhindrað um alheiminn.
Vegna útþenslu alheimsins hefur teygst á bylgjulengd þessa ljóss. Nú nemum við það á formi örbylgna og hitastig ljóssins hefur kólnað úr 2700°C niður í aðeins 2,7 gráður yfir alkul (um –270°C) (sjá frétt um niðurstöður Planck gervitunglsins).
Samkvæmt almennu afstæðiskenningunni getur ljós á gagnstæðum svæðum himinhvolfsins ekki hafa verið í orsakasambandi áður en það lagði af stað í átt að okkur. Hins vegar er örbylgjukliðurinn ótrúlega einsleitur, þ.e.a.s. nokkurn veginn eins, sama hvert við lítum [1]. Hvers vegna?
Óðaþenslulíkanið
Árið 1980 setti bandaríski eðlisfræðingurinn Alan Guth (og samtímamenn hans) fram kenninguna um óðaþenslu. Hún kveður á um að í frumbernsku alheimsins, aðeins 10-36 sekúndum eftir upphafið, hafi alheimurinn þanist út 1026-falt á augnabliki. Þessi snögga útþensla hafði þau áhrif að allar ójöfnur í alheiminum, svo sem efnisklumpar og sveigjur í rúminu, sléttust út. Þannig gat Guth útskýrt hvers vegna alheimurinn virðist mjög flatur og einsleitur í allar áttir. Hins vegar var ekkert fullyrt um hvað knúði óðaþensluna áfram og hvers vegna hún hætti skyndilega.
Orkan sem knúði þessa óðaþenslu var gífurleg og henni fylgdu öflugar þyngarbylgjur. Hafi þessar þyngdarbylgjur orðið til svo snemma í sögu alheimsins er næstum öruggt að ummerki þeirra (fingraförin) sjáist í örbylgjukliðnum. Þyngdarbylgjurnar hnoðuðu efnið og mynduðu sveiflur sem framkalla skautun í örbylgjukliðnum.
Ljós sem berst frá misleitri efnisdreifingu, eins og í örbylgjukliðnum er stundum skautað [2] að hluta. Skautunin er hins vegar mjög veik og erfitt að mæla. Myndin hér undir sýnir mynstur sem stjarneðlisfræðingar kalla E- og B-þætti.
Munurinn er sá að B-þættirnir vinda upp á sig og mynda nokkurs konar skrúfulaga mynstur sem ekki er að finna í E-þáttum. Án þyngdarbylgna myndum við aðeins mæla E-þætti. Á hinn bóginn, ef óðaþensla átti sér stað munu þyngdarbylgjur sökum hennar framkalla bæði E-þætti og B-þætti. Þennan umframsnúning í skautun örbylgjukliðsins er hægt að aðgreina með nákvæmum mælitækjum.
Um árabil hefur hópur vísindamanna leitað að B-þáttum í örbylgjukliðnum frá Amundsen-Scott rannsóknarstöðinni á ísbreiðu Suðurskautslandsins, í 2.800 metra hæð yfir sjávarmáli. Þar er loftið bæði þunnt og þurrt, sem er mikilvægt því vatnsgufa dregur örbylgjugeislunina í sig.
Eitt þessara verkefna er BICEP2 [3]. Vísindamenn þeirrar tilraunar héldu blaðamannafund í dag þar sem að þeir sögðu frá mælingum á B-þáttum í skautun örbylgjukliðins. Verði þessar mælingar staðfestar hafa fyrstu sönnunargögnin fyrir þyngdarbylgjum frá óðaþensluskeiði Miklahvells fundist.
„Verði uppgötvunin staðfest, er þetta tvímælalaust staðfesting á óðaþenslu og að á óðaþensluskeiðinu hafi átt sér stað skammtaflökt,“ segir Einar H. Guðmundsson, prófessor í stjarneðlisfræði við Raunvísindastofnun Háskólans. „Það er þetta skammtaflökt sem síðan gerir að verkum að það myndast kekkir í efninu og þessir kekkir þróist seinna yfir í vetrarbrautir og stjörnur.“
„Allt sem við sjáum í kringum okkur má því rekja aftur til þess tíma þegar skammtaflöktið réði ríkjum í þróun alheimsins. Á sama tíma mynduðust líka þyngdarbylgjur. Mælingarnar benda til þess, að þyngdarbylgjurnar séu raunverulegar og valdi þessari skautun. Það eru óbein merki um tilvist þyngdareinda (gravitons), sem eru skammtafræðileg lýsing á þyngdarbylgjum. Þar af leiðandi er þetta vísbending um að þyndarsviðið lúti lögmálum skammtafræðinnar. Þetta er meiriháttar uppgötvun sem bendir til þess að leit manna að skammtaþyngdarfræði sé ekki tilgangslaus, að þyngdarsviðið sé líka skammtað. Þetta er stærri uppgötvun en fundur Higgs-eindarinnar,“ segir Einar.
Nauðsynlegt að sannreyna niðurstöðurnar
BICEP2 hópurinn þarf nú að sannfæra vísindasamfélagið um að mælingarnar séu traustar. Líklega mun taka nokkur ár að sannreyna þær fyllilega. Nokkrir aðrir sjónaukar, sem nú eru í notkun, geta einnig mælt skautun örbylgna á himinhvolfinu og býr hluti þeirra yfir nægjanlegri næmni til að endurtaka mælingarnar og sannreyna staðhæfingar BICEP2.
Eitt þessara verkefna nefnist SPIDER en ungur íslenskur vísindamaður, Jón Emil Guðmundsson, sem nú er í doktorsnámi við Princeton háskóla í Bandaríkjunum, tekur þátt í því.
„Sjónaukar SPIDER tilraunarinnar munu hanga úr helíumloftbelg í 35 km hæð yfir Suðurskautslandinu,“ segir Jón Emil. „Þetta er nokkurs konar ódýr útgáfa af gervitungli. Tilraunir á borð við SPIDER munu skera úr um sannleiksgildi mælinga BICEP2. Takist að staðfesta þessar niðurstöður er ljóst að opnast hafa nýjar dyr í heimi stjarneðlisfræðinnar. Það verður afar spennandi að sjá hvað gerist á næstu árum.“
Skýringar
[1] Örbylgjukliðurinn er ekki alveg samfelldur, þ.e. jafnheitur allstaðar, heldur greinast hárfínar hitastigssveiflur í honum. Þessar hitastigssveiflur urðu til strax í kjölfar Miklahvells við skyndilega augnabliksútþenslu sem kallast óðaþensla. Þær samsvara misþéttum svæðum í árdaga alheimsins sem eru fræin sem síðar skópu þær stjörnur og vetrarbrautir sem við sjáum í alheiminum í dag. Vísindamenn sem kanna eiginleika þessa ljós geta lært ýmislegt um alheiminn í frumbernsku, efnasamsetningu hans og þróun í fortíð, nútíð og framtíð.
[2] Skautuðu ljósi er venjulega lýst með tveimur hornréttum þáttum. Vönduð sólgleraugu fluguveiðimanns eru t.d. þrædd með örfínum vírum sem liggja lárétt í linsunum. Þetta er gert svo að óþarft ljós, sem endurvarpast af vatnsfleti og er nær einvörðungu lárétt skautað, speglist af gleraugum veiðimannsins og geri honum þar með kleift að koma auga á fiskinn. Á hliðstæðan hátt eru nemarnir í BICEP2 hannaðir með vírum sem liggja bæði lóðrétt og lárétt. Skautaða hluta örbylgjukliðsins er þó lýst með öðrum hætti.
[3] BICEP2 () notar einfaldan sjónauka sem beinir örbylgjum í átt að hitageislunarnemum. Örbylgjurnar hita agnarsmáar títanflögur sem breyta samstundis um rafleiðni. Straumur í rafrás nærri flögu breytist fyrir vikið og er sú breyting í réttu hlutfalli við ljósaflið.
Tenglar
Heimasíða BICEP2 sjónaukans
Upplýsingar um örbylgjukliðinn á Stjörnufræðivefnum
Fyrstu niðurstöður Planck gervitunglsins birtar
Upplýsingar um þyngdarbylgjur á Stjörnufræðivefnum
Tengiliðir
Jón Emil Guðmundsson
Princeton University
Physics Department - Jadwin Hall
Princeton, NJ, 08544
Bandaríkin
Farsími: +1-609-216-4484
Netfang: [email protected]
Einar H. Guðmundsson
Prófessor í stjarneðlisfræði
Háskóli Íslands
Farsími: 862-6192
Netfang: [email protected]
Sævar Helgi Bragason
Stjörnufræðivefurinn og Raunvísindastofnun Háskólans
Farsími: 896-1984
Netfang: [email protected]
Þetta er fréttatilkynning frá Stjörnufræðivefnum stj1401
Tengdar myndir