Alheimurinn er ekki allur þar sem hann er séður

Skilningur vísindamanna á uppbyggingu og þróun alheimsins hvílir á framandi hulduefni- og orku sem engum hefur enn tekist að finna. Forstjóri Max Planck-stofnunarinnar í stjarneðlisfræði segist bjartsýnn á að hulduefni gæti fundist á næstu áratugum. Hann gerir sér þó minni vonir um að raunverulegt eðli hulduorku verði afhjúpað í bráð.

Ein af óvæntustu uppgötvunum heimsfræðinnar var að alheimurinn er í raun að nær öllu leyti úr hulduefni og hulduorku sem ekki hefur verið hægt að mæla með beinum hætti. Saman eru þau um 95% af efnisþéttleika alheimsins en þyngri frumefni eins og þau sem mynda jörðina eru vel innan við 1%.

Þó að mönnum hafi enn ekki tekist að finna hulduefni eða orku hafa óbeinar athuganir á þyngdaráhrifum þeirra sýnt fram að fyrirbærin verði að vera til staðar. Án massa óþekkts hulduefnis geta menn ekki skýrt hvernig vetrarbrautir og vetrarbrautaþyrpingar tolla saman og án hulduorku sem stíar alheiminum í sundur ætti hann að dragast saman frekar en að þenjast æ hraðar út.

Líkön manna og hermanir á því hvernig vetrarbrautir og stjörnur mynduðust og þróuðust eftir Miklahvell ganga hreinlega ekki upp án þess að gera ráð fyrir áhrifum af þessum framandi kröftum.

„Án þessar tveggja hluta gætum við ekki skilið hvernig alheimurinn þróaðist,“ segir Volker Springel, forstjóri Max Planck-stofnunarinnar í stjarneðlisfræði í Þýskalandi og forseti kennilega stjarneðlisfræðihóps Heidelberg-stofnunarinnar í kennilegum fræðum. Hann hélt fyrirlestur um hermanir á þróun alheimsins í Háskóla Íslands í síðustu viku.

Stjarneðlisfræðingar og öreindafræðingar leita að sömu eindinni

Í árdaga alheimsins var hulduefni jafnt dreift, að sögn Springel. Þyngdarkrafturinn leiddi til þess að í örlitlum misfellum eða „kekkjum“ í dreifingu hulduefnisins safnaðist smátt og smátt meira og meira efni. Þessar misfellur urðu að nokkurs konar sprotum sem blómstruðu að lokum sem vetrarbrautir.

„Það sem þyngdaraflið er að gera er að það magnar upp þessar litlu misfellur. Þyngdaraflið lét svæði sem voru örlítið þéttari vaxa hægt og bítandi. Því sterkara sem þyngdarkrafturinn er, því hraðari verður þróunin,“ segir Springel.

Hermilíkön sem stjarneðlisfræðingar keyra með ofurtölvum sýna hvernig alheimurinn þróaðist á þennan hátt. Niðurstöður líkananna verða hins vegar ekki í samræmi við þann alheim sem við þekkjum ef ekki er gert ráð fyrir hulduefni.

Springel segir að hulduefniseindir séu hluti af spennandi nýrri eðlisfræði sem öreindafræðingar líkt og þeir sem starfa við CERN, kjarnorkurannsóknastofnun Evrópu, leita að. Öreindafræðingar spái fyrir um eind með veika verkun við sýnilega alheiminn sambærilegri við hulduefniseindir.

„Ríkjandi kenningin er að þessi tveir hlutir hafi eitthvað með hvor annan að gera, eind sem við sjáum í stjarneðlisfræði og eindin sem öreindaeðlisfræðingar leita að sem kallast hulduefniseind,“ segir hann.

Gæti uppgötvast skyndilega eins og þyngdarbylgjur

Í eðlisfræði er ekki óalgengt að spáð sé fyrir um tilvist nýrra einda sem menn hafa enn ekki greint með beinum hætti. Springel segir að menn þekki nú þegar eindir sem talið er að svipi til hulduefniseinda. Þar nefnir hann fiseindir sérstaklega.

„Fiseindir eru mjög léttar eindir sem eru líkastar draugum og myndast við veika virkni, til dæmis við geislavirka betasundrun og inni  í sólinni. Fiseindir flæða í gegnum jörðina og okkur hér á meðan við ræðum saman,“ segir Springel.

Talið er að hulduefniseindir hegði sér á sama hátt. Springle segist bjartsýnn á að mönnum takist að finna þær og að viðamiklar rannsóknir séu þegar í undirbúningi. Þannig séu menn að smíða mælitæki í risavöxnum saltnámum neðanjarðar þar sem hægt er að loka utanaðkomandi áhrif sem geta truflað mælingarnar.

Það er þó ekki hlaupið að því að greina hulduefni enda víxlverkar það lítið sem ekkert við hefðbundið efni eða ljós.

Springel segir að mögulegt sé að finna merki um hulduefniseindir því að stöku sinnum rekist þær á kjarna frumeinda. Vísindamenn geta komið auga á þessi áhrif með því að fylgjast með hvernig kjarnar frumeindanna kastast til hliðar við áreksturinn.

„Því miður hefur ekkert fundist ennþá en ég er bjartsýnn á að þetta gæti gerst á hverri stundu. Á sambærilegan hátt virtist ómögulegt að finna þyngdarbylgjur um áratugaskeið en svo skyndilega tókst það. Ég er bjartsýnn á að þetta gerist á minni ævi,“ segir hann.

Springel er ekki eins bjartsýnn á að mönnum takist að gera beinar mælingar á hulduorku á næstunni. Útilokað sé að gera þær á tilraunastofu á jörðu niðri.

„Hulduorka sýnir aðeins raunverulegt eðli sitt yfir gríðarlegar fjarlægðir vegna þess að áhrif hennar eru mjög lítil. Það gæti þýtt að það sé mjög erfitt að finna hana,“ segir hann.

Geta útilokað kenningar með hermun

Hermanir á þróun alheimsins grundvallast á gögnum úr beinum athugunum manna á honum og eðlisfræði hans. Þær gefa vísindamönnum hins vegar einnig tækifæri til þess að prófa mismunandi kenningar.

„Stundum gerum við hermanir með nýjum hugmyndum og eiginleikum sem við getum getið okkur til um. Það eru til dæmis til kenningar um að hulduorka geti breytt um styrk yfir tíma. Þá getum við gert hermanir um það og séð hvað það gerir fyrir uppbyggingu [alheimsins],“ segir Springel.

Með þessum hætti er hægt að afsanna öfgafyllri líkön af samsetningu alheimsins ef niðurstöðurnar sem þær forsendur leiða til koma ekki heim og saman við alheiminn eins og við þekkjum hann.

„Við getum ekki sannað neitt með hermunum en við getum sýnt að sumar hugmyndir virka ekki. Við getum afsannað eða dregið í efa vissar kenningar,“ segir hann.

Hafa lært margt bara með að horfa á himininn

Hermanirnar sem Springel og félagar hans vinna að gætu að sama skapi sýnt fram á að kenningin um hulduefni gangi ekki upp eftir allt saman.

„Kannski getum við gert það einn daginn og komið með betri kenningu með breyttum forsendum. Það væri eitt markmið að sýna að þetta gangi ekki upp. Það er ekki tilfellið núna, það virðist virka en það er þó ekki tryggt að það verði áfram þannig,“ segir Springel.

Þrátt fyrir að leyndardómur liggi enn yfir eðli 95% alheimsins fallast Springel ekki hendur þó að hann viðurkenni að sér myndi gremjast það ef mönnum tækist aldrei að svipta hulunni ef hulduefni.

„Það er líka spennandi í stjörnufræði hvað okkur hefur tekist að læra mikið um alheiminn frá litlu reikistjörnunni okkar með því að horfa bara á himininn. Við getum ekki ferðast að svartholi og gert tilraunir. Við verðum að fylgjast með. Tölvuhermanir koma í staðinn. Við getum gert tilraunir með þeim sem væru annars ekki mögulegar. Þess vegna er það stórt tækifæri að geta gert þessar tilraunir,“ segir hann.