Fyrstu niðurstöður Planck gervitunglsins birtar

Ný gildi á aldri og orkuþéttleika alheimsins

Sævar Helgi Bragason 21. mar. 2013 Fréttir

Fyrstu niðurstöður mælinga Planck gervitunglsins á örbylgjukliðnum — elsta ljósi alheimsins — voru kynntar í dag. Þær gefa ný gildi á aldri og orkuþéttleika alheimsins

  • örbylgjukliðurinn, Planck

Fyrstu niðurstöður mælinga Planck gervitunglsins á örbylgjukliðnum — elsta ljósi alheimsins — voru kynntar í höfuðstöðvum Geimvísindastofnunar Evrópu (ESA) í París í dag. Mælingar Planck veita góða staðfestingu á staðallíkani heimsfræðinnar með mikilli nákvæmni. Þær sýna að alheimurinn er örlítið eldri en hingað til hefur verið talið og gefa ennfremur nákvæmari gildi á magni venjulegs efnis, hulduefnis og hulduorku í alheiminum. Í gögnunum má að auki sjá þyngdarlinsuáhrif vegna dreifingar efnis í alheiminum. Íslenskur doktorsnemi í eðlisfræði við Princeton háskóla í Bandaríkjunum tók þátt virkan í gagnaúrvinnslunni og vinnur að nýrri tilraun til að mæla skautun í örbylgjukliðnum.

Planck gervitunglinu var skotið á loft frá geimferðamiðstöð ESA í Kourou í Frönsku-Gvæjana þann 14. maí árið 2009. Síðan hefur gervitunglið gert mælingar á ljósstyrk og skautun [1] örbylgjukliðsins, einni af meginstoðum Miklahvellskenningarinnar, með meiri nákvæmni en nokkru sinni fyrr. Mælingar Plancks gera vísindamönnum kleift að ákvarða efnasamsetningu og þróun alheimsins frá upphafi til okkar tíma.

Örbylgjukliðurinn er 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 2.700°C niður í aðeins 2,7 gráður yfir alkul (um –270°C).

Örbylgjukliðurinn er ekki 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.

Í dag voru um 30 greinar birtar á vef ESA (sjá tengil fyrir neðan) um rannsóknir vísindamanna á gögnum Plancks. Umfjöllunarefnin eru víðtæk en sem dæmi má nefna: 1) Mælingar sem setja skorður [2] á helstu breytur heimsfræðilíkana, þar á meðal Hubblesfastann, aldur og orkuþéttleika alheimsins; 2) skorður á óðaþenslu; 3) niðurstöður er varða efnisdreifingu alheimsins, svo sem tíðini vetrarbrautaþyrpinga, stærstu byggingareininga alheimsins, og 4) mælingar á segulsviði og dreifingu ryks í Vetrarbrautinni okkar.

Heimsfræðingar nota tiltölulega einfalt líkan til þess að lýsa alheiminum. Í raun stýra aðeins 6 breytistærðir þessu líkani, þar á meðal orkuþéttleiki hulduefnis og sýnilegs efnis. Nýju niðurstöður Planck eru nokkuð frábrugðnar eldri niðurstöðum, án þess þó að vera í ósamræmi við viðtekna heimslíkanið.

Ný gildi á aldri og orkuþéttleika alheimsins

Hubblesfastinn er ein þekktasta breytistærð heimslíkansins en hann lýsir útþensluhraða alheimsins og þar með aldri hans. Niðurstöður Planck benda til þess að fastinn sé 67,15 km/s (+/- 1,4 km/s) á megaparsek [3] sem er töluvert lægri en viðtekna gildið í dag. Búast má við heitri umræði á meðal stjarneðlisfræðinga á komandi vikum og mánuðum um þetta.

Gildi Hubblesfastans bendir til þess að alheimurinn sé því um 100 milljón árum eldri en áður var talið, eða 13,82 milljarða ára í stað 13,71 miljlarða ára. Óvissan er aðeins 50 milljón ár.

Með gögnum Planck hefur í fyrsta sinn tekist að kortleggja efnisþéttleika alheimsins í heild sinni. Ljóseindir örbylgjukliðsins ferðast um alheiminn í rúma 13 milljarða ára áður en þær rekast loks á nema mælitækisins. Efni, hvort sem það er sýnilegt eða hulduefni, hefur áhrif á ferla þessara ljóseinda. Með því að kortleggja afl ljóssins fá vísindamenn grófa mynd af efnisþéttleika í alheiminum.

Hægt er að líkja þessu við röntgenmyndatöku þar sem orkuríkt ljós gegnumlýsir líkamann. Í þessu tilviki er örbylgjukliðurinn ljósgjafinn og alheimurinn eins og hann leggur sig líkaminn. Mælingin er gróf en gefur fyrirheit um það sem koma skal.

Gögnin sýna að venjulegt efni — það efni sem stjörnur, vetrarbrautir og við erum búin til úr — telur aðeins 4,9% af massa- og orkuþéttleika alheimsins (sjá mynd þrjú). Hulduefni, sem menn hafa aðeins greint með óbeinum hætti hingað til út frá þyngdaráhrifum þess, telur 26,8%, nærri fimmtungi meira en áður en var talið. Afgangurinn, 68,3%, er hin dularfulla hulduorka, krafturinn sem talinn er eiga sök á auknum útþensluhraða alheimsins. Það er nokkru minna en eldri líkön sögðu til um.

Engar niðurstöður um skautun örbylgjukliðsins voru birtar að þessu sinni. Kenningar um óðaþenslu spá fyrir um mynstur í skautun örbylgjukliðsins sem er afar dauft og hefur engri tilraun hingað til hefur tekist að nema það.

Í dag keppast vísindahópar við að hanna og smíða hárnákvæm mælitæki sem geta greint þetta merki; hugsanlega er næmni Plancks nægjanleg til þess. Áhugasamir verða þó að hinkra til ársins 2014 eftir þeim upplýsingum, þegar lokaniðurstöður mælinganna verða birtar og gagnamagnið tvöfaldað.

Niðurstöðurnar sem birtar voru í dag byggja á gögnum sem aflað var á rúmu ári en hátíðnimælitækið lauk mælingum í janúar 2012.

Íslendingur tók þátt í gagnaúrvinnslunni

Jón Emil Guðmundsson
Jón Emil Guðmundsson

Jón Emil Guðmundsson, doktorsnemi í eðlisfræði við Princeton háskóla í New Jersey í Bandaríkjunum, tók virkan þátt í gagnaúrvinnslu frá Planck gervitunglinu ásamt hópi vísindamanna við Princeton. Jón vinnur auk þess að hönnun og smíði tilrauna sem kvarða örbylgjukliðinn.

„Með því að skoða örbylgjukliðinn má fræðast um heimsfræðilegar breytur á borð við Hubblesfastann og aldur alheimsins. Þar að auki má nota skautun örbylgjukliðsins til þess að mæla orkuskalann sem knúði óðaþenslu í frumbernsku alheimsins. Slíka orkuþéttleika getum við ekki kannað hér á jörðinni. Með sömu aðferðum getum við einnig kortlagt efnisdreifingu alheimsins í heild sinni, “ segir Jón Emil.

Hópur Jóns Emils vinnur við smíði á sambærilegri tilraun sem nefnist SPIDER [4]. Henni er ætlað að mæla skautun örbylgjukliðsins með talsvert meiri nákvæmni en Planck er fær um. SPIDER tilraunin verður send upp í um 40 km hæð með lofbelg frá Suðurskautslandinu í lok þessa árs.

Skýringar

[1] Ljós er rafsegulbylgja og rafsegulbylgjur geta verið skautaðar. Skautaðar rafsegulbylgjur sveiflast aðeins eftir öðrum ási hnitakerfis. Sólarljós sem endurvarpast af vatnsfleti er til dæmis skautað samsíða sléttu vatnsflatarins. Veiðimenn nota sólgleraugu sem eyða þessum skautaða hluta ljóssins og eiga þar með auðveldara með að sjá fiska undir vatnsyfirborðinu. Sjá einnig umfjöllun á Vísindavefnum.

[2] Hornróf (e. angular power spectrum) örbylgjukliðsins gefa tölfræðilegar upplýsingar um þá stærðarskala sem einkenna hitastigssveiflur örbylgjukliðarins. Þessu má líkja við að mæla ölduhæð á hafsfleti og teikna síðan línurit af tíðni mismunandi ölduhæða. Þannig gætum við séð hvaða ölduhæð er algengust og borið þær niðurstöður saman við líkön. Sjá umfjöllun á ensku hér.

[3] 1 megaparsek = 3.262.000 ljósár. Sjá nánar hér.

[4] SPIDER stendur fyrir Suborbital Polarimeter for Inflation, Dust and the Epoch of Reionization.

Tenglar

Tengiliður

Jón Emil Guðmundsson
Princeton University
Physics Department - Jadwin Hall
Princeton, NJ, 08544
Bandaríkin
Farsími: +1-609-216-4484
Netfang: jgudmund@princeton.edu

Sævar Helgi Bragason
Stjörnufræðivefurinn
Farsími: 896-1984
Netfang: saevar@stjornuskodun.is

Þetta er fréttatilkynning frá Stjörnufræðivefnum stj1301 sem byggir á fréttatilkynningu ESA

Tengdar myndir

  • örbylgjukliðurinn, PlanckÖrbylgjukliðurinn 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
  • örbylgjukliðurinn, PlanckKort af þyngdarlinsu alheimsins. Dökkir fletir tákna hlutfallslega lágan efnisþéttleika á milli okkar og örbylgjukliðarins. Mynd: ESA/Planck
  • örbylgjukliðurinn, PlanckUppskrift að alheimi. Kort Planck gervitunglsins af örbylgjukliðnum hefur gert vísindamönnum kleift að fá betri mynd á efna- og orkuinnihaldi alheimsins. Venjulegt efni, sem myndar stjörnurnar og vetrarbrautirnar, er aðeins 4,9% af massa/orkuinnihaldi alheimsins. Hulduefni, sem mælist óbeint út frá þyngdaráhrifum þess á venjulegt efni, telur 26,8% alheimsins en afgangurinn, 68,3%, er hulduorka, dularfullur kraftur sem talinn er eiga sök á auknum útþensluhraða alheimsins. Mynd: ESA/Planck
  • örbylgjukliðurinn, PlanckPlanck gervitunglið (skýringarmynd). Tilraunin skartar fjölmörgum tækninýjungum. Til að mynda var aðalspegilinn smíðaður úr koltrefjaplasti. Mynd: ESA/Stjörnufræðivefurinn/Jón Emil Guðmundsson