Grundvallarathuganir í heimsfræði

1. Stærð alheims í tíma og rúmi

Ísak Newton (1642-1727) hugsaði með sér að í endanlegum alheimi myndi þyngdarkrafturinn milli stjarnanna draga þær, á nógu löngum tíma, saman í eina stóra stjörnu í miðju alheims. Sú var augljóslega ekki raunin. Newton taldi því að alheimurinn væri óendanlega stór og stöðugur.

Þessari kenningu fylgu ágallar. Þann stærsta dró Heinrich Olbers (1758-1840) fram í dagsljósið. Þversögn Olbers hljóðar einfaldlega svo: Hvers vegna er himinn svartur um nætur? Spurningin er hversdagsleg, en svarið krefst dálítillar umhugsunar. Í óendanlegum alheimi Newtons ættu augu okkar að enda á stjörnu, hvert sem litið væri á himninum. Rétt eins og þegar við horfum inn í þéttan skóg sjáum við tré hvert sem við horfum. Alheimurinn því að vera albjartur, jafnt daga sem nætur, en sú er augljóslega ekki raunin. Lausnin á þversögn Olbers felst í því að alheimurinn er endanlega gamall, en ekki óendanlegur líkt og Newton taldi og vegna endanlegs hraða ljóssins hefur okkur einfaldlega ekki borist ljós frá öllum stjörnum í alheimi.

Þessar vangaveltur koma okkur sumpart spánskt fyrir sjónir, enda vitum við meira um eðlis stjarna og gerð alheimsins nú en þá. Við vitum t.d. að efni í hinum sýnilega alheimi er takmarkað svo sérhver sjónlína í alheimi, myndi óhjákvæmilega ekki enda á stjörnu. Við vitum líka að líftími þeirra er endanlegur, og sumar stjörnur munu slokkna áður en aðrar senda okkur sína fyrstu geisla.

2. Grunnforsenda heimsfræðinnar

Til þess að stunda heimsfræði eins og þá sem við þekkjum, er gert ráð fyrir því að alheimurinn sé einsleitur og stefnusnauður á stórum kvarða (~100 Mpc). Það þýðir að alheimuinn er nokkurn veginn eins hvar sem er og hvert sem litið er. Milli þessa ber að greina. Sjá nánar í grein um forsendur nútíma heimsfræði (setja hlekk). Þessa forsendu styðja athuganir á alheimi. Örbylgjukliðurinn vitnar til um stefnusnauðan alheim. Hvert sem litið er lítur kliðurinn nokkurn veginn eins út.

Þótt alheimurinn sé stefnusnauður er ekki þar með sagt að hann sé líka einsleitur. Þéttni efnis umhverfis okkur gæti minnkað stöðugt því lengra sem við ferðuðumst út í geiminn en samt væri heimurinn stefnusnauður umhverfis jörðina. Kortlagning efnis í alheimi hefur þó leitt hið gagnstæða í ljós. Eitt stærsta verkefnið sem hefur tekist á við þetta er 2dF vetrarbrautarannsóknin. Til að mæla fjarlægðir til fjarlægra vetrarbrauta nota menn rauðvik (hlekkur á grein um rauðvik) í ljósi frá þeim. 2dF verkefnið mældi ljós frá 62.559 vetrarbrautum og afraksturinn má sjá á mynd (Mynd frá 2dF survey: Á myndinni virðist þéttni vetrarbrauta minnka með aukinni fjarlægð. Við rannsóknina takmörkuðu menn sig við vetrarbrautir með reyndarbirtu m= -19,5 og hærra og þar sem birtustig fellur með aukinni fjarlægð fækkar því þeim vetrarbrautum sem við sjáum. Myndin er því gleggri nær miðjunni.).

3. Útþensla alheimsins

Sjá nánar: Útþensla alheimsins og lögmál Hubbles

Árið 1929 birti Edwin Hubble (1889-1953) greinina: „Vensl fjarlægðar og burthraða vetrarbrauta“, þar sem hann rakti niðurstöður rannsókna sinna. Lögmál Hubbles

v = H₀d

segir að burthraði vetrarbrautar, táknað með v, sé í réttu hlutfalli við fjarlægðina til hennar, táknuð með d. Stærðinar tengir Hubblesstuðullinn H₀. Gildi Hubblesstuðuls í dag er

H₀ = 70,4 km s^-1Mpc^-1.

Það segir okkur að vetrarbraut í 1 Mpc (u.þ.b. 3,26 milljón ljósár) fjarlægð fjarlægist okkur með hraða sem nemur 70,4 km s^-1. (Mynd frá Weinberg). H₀ er gildi Hubblesstuðuls í dag, en stærðin fer lækkandi og hefur markgildi. Ef heimurinn er að þenjast út, var hann sennilega eitt sinn þéttar saman en nú. Hafi heimurinn stöðugt þanist út með þessum hraða frá upphafi vega, var allt efni í alheimi saman komið í einum punkti fyrir

t_H = 13,9 milljörðum ára

sem er ótrúlega nærri lagi, því við teljum nú að heimurinn sé um 13,75 milljarða ára gamall.

4. Örbylgjukliðurinn

Sjá nánar: Örbylgjukliðurinn

Ef við beinum sjónaukum, næmum fyrir örbylgjugeislun (sjá rafsegulrófið, hlekkur) upp í himininn sjáum við eitthvað svipað og á mynd (mynd af örbylgjukliðnum.). Þetta er örbylgjukliðurinn, bakgrunnsgeislun úr frumheimi – endurómur sjálfs Miklahvells.

Í árdaga var alheimurinn svo þéttur og heitur að rafeindir gátu ekki bundist róteindum og myndað atóm. (sjá mynd atómmyndun) Ljóseindir komust aldrei langa leið því þær rákust jafnharðan á frjálsar rafeindir. Heimurinn eltist og kólnaði, uns hitastigið var orðið nógu lágt (u.þ.b. 3.000 K) til þess að rafeindir gátu bundist róteindum. Þegar frjálsum rafeindum fækkaði skyndilega gátu ljóseindir ferðast lengri vegalengdir svo heimurinn varð gegnsær, ljóseindir urðu frjálsar. Þær urðu svo að örbylgjukliðnum. Þetta henti þegar alheimurinn var um 380.000 ára gamall. Um það leyti voru ljóseindir kliðsins miklu orkumeiri en nú. Bakgrunnsgeislunin hefur ekki alla tíð verið örbylgjukliður. Rétt eins og annað ljós sem okkur berst frá fjarlægum stjörnum teygist á bylgjulengd ljóseinda örbylgjukliðarins vegna útþenslu alheimsins. Ljósið roðnar og orka þess minnkar.

Tilvist örbylgjukliðsins styður þannig kenninguna um heitan Miklahvell.

5. Síaukinn útþensluhraði

Sjá nánar: Hulduorka

Laust fyrir aldamótin síðustu breyttu 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. Gera má grein fyrir slíkri hegðan með því að bæta inn í jöfnur afstæðiskenningarinnar svokölluðum heimsfasta.

Heimildir

• Carroll, B. W. og D. A. Ostlie (2007). An Introduction to Modern Astrophysics. San Fransisco: Addison Weasley.
• Freedman, R. A. og W. J. Kaufmann III (2008). Universe. New York: W. H. Freeman and Company.
• Hartle, J. B. (2003). Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity. San Fransisco: Addison Weasley.

Tengdar greinar

• Stórgerð alheimsins
• Hulduorka
  
• Örbylgjukliðurinn
• Heimsfræði
• Útþensla alheimsins og lögmál Hubbles

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Ottó Elíasson (2010). Grundvallarathuganir í heimsfræði. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/grundvallarathuganir (sótt: DAGSETNING).