Evklíð ætlað að af­hjúpa huldu­öfl al­heimsins

Evklíð-geimsjónauki evrópsku geimstofnunarinnar ESA á að þeysast út í geim með Falcon 9-eldflaug SpaceX frá Canaveral-höfða á Flórídaskaga í dag. Hann er 1,2 metra breiður spegilsjónauki sem nemur annars vegar sýnilegt ljós og hins vegar nærinnrautt ljós.

Sjónaukinn er sérstaklega hannaður til þess að rannsaka þróun alheimsins. Það á hann að gera með því að að kortleggja milljarða vetrarbrauta í allt að tíu milljarða ljósára fjarlægð á meira en þriðjungi næturhiminsins. Afraksturinn á að verða stærsta og nákvæmasta þrívíða kortið af alheiminum til þessa.

Með því að kortleggja alheiminn í tíma og rúmi vonast vísindamenn til þess að skilja betur eðli tveggja framandi fyrirbæra sem saman mynda langstærstan hluta alheimsins og hafa stjórnað þróun hans en nær ekkert er vitað um: hulduorku og hulduefni.

Kári Helgason, stjarneðlisfræðingur, tók þátt í Evklíðssamstarfinu á sínum tíma og vann að því að gera líkan af svonefndu bakgrunnsljósi alheimsins. Hann segir Evklíðssjónaukann einstakan.

„Við höfum ekki haft neitt sambærilegt tæki í geimnum,“ segir hann í samtali við Vísi.

Sérstaða Evklíðs birtist í víðu sjónsviði hans. Þó að James Webb-geimsjónaukinn geti rannsakað einstök fyrirbæri mun nákvæmar mun það taka Evklíð tvo daga að kortleggja jafnstóran hluta himinsins og Hubble-geimsjónaukin hefur gert á þremur áratugum.

Sjónaukanum var skotið á loft klukkan 15:11 að íslenskum tíma. Hægt er að sjá vel heppnað geimskotið með því að spóla til baka í spilaranum hér að neðan:

Eðli alheimsins í andstöðu við það sem við sjáum

Engin leið er fyrir heims- og eðlisfræðinga að botna í alheiminum eins og hann lítur út án þess að gera ráð fyrir tilvist huldufyrirbæranna tveggja sem eru ósýnileg okkur að öllu leyti utan áhrifa þeirra á alheiminn.

Í hátt í öld hafa stjarneðlisfræðingar vitað að alheimurinn er ekki stöðugur heldur þenst hann út með sívaxandi hraða. Edwin Hubble, bandarískur stjörnufræðingur, komst fyrstur að þessu þegar hann mældi svonefnt rauðvik frá vetrarbrautum, hversu mikið teygist á bylgjulengdum ljóss þegar þær fjarlægjast, og sá að þær færast frá jörðinni á hraða sem er í beinu hlutfalli við fjarlægð þeirra. 

Þetta hlutfall kallast Hubble-fastinn og er grundvallarmælikvarði í heimsfræði á hversu hratt alheimurinn þenst út í allar áttir. Útþensluhraðinn og breytingar hans eru svo lykillinn að upphafi og örlögum alheimsins. Hafi útþenslan verið hæg má gera ráð fyrir að alheimurinn sé eldri en ef útþenslan var hröð því þá hefði alheimurinn eins og við þekkjum hann í dag þanist út á skemmri tíma en talið hefur verið til þessa.

Hængurinn er að „hefðbundið“ efni sem menn geta greint getur ekki skýrt útþenslu alheimsins og hvers vegna stærstu fyrirbæri hans eins og vetrarbrautir og vetrarbrautarþyrpingar tolla saman. Án massa einhvers konar „hulduefnis“ ættu vetrarbrautir og vetrarbrautaþyrpingar að liðast í sundur. Ef ekki væri fyrir „hulduorku“ ætti að hægja á útþenslu alheimsins frekar en að hann þendist út með sívaxandi hraða.

Staðallíkan heimsfræðinnar hvílir þess vegna á þeim grunni að 95 prósent af efnismassa og orkuinnihaldi alheimsins sé hulið sjónum manna. Aðeins fimm prósent alheimsins sé hefðbundið sýnilegt efni, svonefnt þungeindaefni sem er uppistaðan í stjörnum, reikistjörnum og lífverum.

Hulduefnið er talið um 27 prósent af efnisinnihaldi alheimsins. Það hafi massi en víxlverki ekki við ljós. Meirihluti massa vetrarbrauta virðist vera hulduefni og ættu þeir að liðast í sundur án þess.

Hulduorkan virðist 68 prósent af orku alheimsins og lætur svipuna ganga á útþenslu alheimsins.

Gaf í fyrir sex milljörðum ára

Til þess að flækja myndina enn frekar komust eðlisfræðingar að því í kringum síðustu aldamót að hert hafi á útþenslu alheimsins fyrir um sex milljörðum ára. Þeir hafar engar skýringar á hvers vegna það gerðist. Sé þetta rétt er Hubble-fastinn ekki svo mikill fasti eftir allt saman og vísindamenn þurfa þá að endurskoða staðallíkan sitt um þróun alheimsins og afstæðiskenningu Alberts Einstein.

„Hafa áhrif hluduorku á alheiminn alltaf verið hin sömu eða hafa þau breyst í aldanna rás? Eða er almenna afstæðiskenning Einsteins takmörkuð að einhverju leyti?“ segir Kári.

Hér kemur Evklíð og fyrirhugaðar rannsóknir hans til sögunnar. Með því að píra allt að tíu milljarða ljósára aftur í rúmið, en sérstaklega tímann, fá vísindamenn aukna vitneskju um hvernig alheimurinn þandist út og hvernig stærstu einingar hans mynduðust og þróuðust.

Út frá þessu vonast vísindamenn til þess að komast nær eiginleikum hulduorkunnar, hulduefnisins og þyngdarkraftsins.

„Við erum auðvitað að vona að eitthvað óvænt komi í ljós. Alltaf þegar við finnum eitthvað óvænt, þá er framþróunin hröð, skoðanaskiptin mest og mest spennandi að fylgjast með,“ segir Kári.

Reyna að meta magn hulduefnis út frá linsuáhrifum

Evklíð á meðal annars að varpa ljósi á hvernig hulduefni lék lykilhlutverk í tilurð svonefndrar stórgerðar alheimsins, dreifingu efnis í vetrarbrautir og vetrarbrautarþyrpingar. 

Í árdaga alheimsins er talið að hulduefni hafi verið dreift jafnt um hann. Þyngdarkrafturinn hafi hins vegar magnað upp örlitla „kekki“ þar sem efni safnaðist saman og myndaði að lokum vetrarbrautir. Hermilíkön af alheiminum benda til þess að efnið dreifist um hann líkt og eftir vef eða tauganeti í heila manns.

„Vetrarbrautir raðast ekki upp hendingarkennt um geiminn. Þær hópa sig í þyrpingar og raða sér í þræði svo úr verður eins konar kóngulóarvefur. Áhrif hulduorku og hulduefnis birtast okkur í því hvernig vefurinn lítur út á stórum skala,“ segir Kári.

Þessa stórgerð á Evklíð að kanna með því að mæla svonefnd veik þyngdarlinsuáhrif í alheiminum. Efni sem er beint á milli jarðarinnar og fjarlægari fyrirbæra virkar eins og stækkunargler sem magnar upp ljós þeirra síðarnefndu. Þetta gerist þegar ljós frá fjarlægari fyrirbærunum sveigist vegna þyngdarkrafts þeirra sem eru nær. 

Með því að mæla bjögun hulduefnis á ljósi frá vetrarbrautum vonast vísindamenn til þess að reikna út og kortleggja hvernig því er dreift um alheiminn.

„Djöfullegt“ vandamál að glíma við

Þá vonast eðlisfræðingar eftir því að finna vísbendingar um tilvist hulduorkunnar í dreifingu vetrarbrauta og þyrpingum þeirra. 

„Hulduorka er djöfullegt vandamál að eiga við vegna þess hún afhjúpar sig á svo takmarkaðan hátt. Til að afla frekari upplýsinga um eðli hennar þarf einfaldlega að kortleggja alheiminn á eins stærstum skala og hægt er. Stjarnvísindi á stærsta skala alheimsins eru orðin ekkert annað en tölfræði á sterum,“ segir Kári.

Vísindamenn telja dreifingu efnis endurspegla þrýstibylgjur sem gengu um frumalheiminn þegar hann var enn sjóðandi súpa úr hulduefni, venjulegu efni og ljóseindum og urðu til þegar þyngdarkrafturinn bisaði við að mynda vísa að vetrarbrautum. 

Bylgjurnar skildu eftir sig nokkurs konar gárur í efnisdreifingu alheimsins þar sem aðeins fleiri vetrarbrautir þyrptust saman. Þessu er líkt við frosið bergmál í grein á Stjörnufræðivefnum um Evklíðsleiðangurinn.

Þegar alheimurinn þandist út stækkuðu gárurnar. Evklíð á að mæla stærð gáranna og hvernig hún breyttist í gegnum sögu alheimsins og gefa þannig betri mynd af útþensluhraða hans.

Ár í að fyrstu uppgötvanirnar líti dagsins ljós

Líkt og James Webb-geimsjónaukanum verður Evklíð komið fyrir í svonefndum Lagrange punkti 2, um 1,5 milljón kílómetra utan við braut jarðarinnar. Það er punktur í sólkerfinu þar sem þyngdarkraftar jarðarinnar og sólarinnar á jafnast út og sjónaukinn getur haldið stöðugri fjarlægð frá jörðinni á braut hennar um sólina. Þar verður Evklíð í vari fyrir ljósi sólarinnar sem truflaði annars nákvæmar mælingar hans.

Áætlað er að Evklíð komi á áfangastað eftir fjórar vikur. Hann getur þó ekki hafið mælingar sínar fyrr en búið er að kæla, stilla og prófa sjónaukann. Ferlið er sagt taka um þrjá mánuði.

Enn lengra er í að athuganir Evklíðs geti af sér svör við einhverjum af þeim stóru spurningum sem hann á að rannsaka.

„Það gæti tekið einhver ár þar til eitthvað virkilegt nýtt verður kynnt,“ segir Isobel Hook, prófessor í stjarneðlisfræði við Lancaster-háskóla á Englandi og vísindamaður við Evklíðverkefnið, við Space.com.