Det levende univers 1. udgave, 1. oplag 2012 Nyt Teknisk Forlag 2012

Transkript

1 Det levende univers 1. udgave, 1. oplag 2012 Nyt Teknisk Forlag 2012 Forlagsredaktør: Karen Agerbæk, Omslag: Stig Bing Omslagsfotos: ESO (forsiden), NASA (bagsiden) Fotos: se liste side 255 Tegninger: Anders Prior Bjerre-Olsen og Stig Bing Grafisk tilrettelæggelse og dtp: Stig Bing Tryk: Preses Nams Baltic ISBN papirbog: ISBN e-bog: ISBN e-bog, særudgave: Varenummer: Bogens hjemmeside: nyttf.dk/levende_univers Bogen er sat med ITC Legacy Bogen er trykt på 115 g silk Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Hovedreglen er: højst 20 sider af en bog til samme hold/klasse pr. studerende pr. undervisningsår. Og kopier må ikke genbruges. Kopier skal tilføjes kildeangivelse: Forfatter, titel og forlag. Se mere på Kopiering fra e-bog må ikke finde sted. Forsidefotoet viser et gammaglimt i en fjern galakse, som kunne ses i Det blev opfanget næsten 12 milliarder år efter, at det fandt sted, og gik gennem to unge galakser. Læs mere i kapitel 12. Bagsidefotoet viser Tågen RCW 120, der befinder sig lysår borte i stjernebilledet Skorpionen, her set af den infrarøde satellit Spitzer. Dybt inde i tågen er der nogle meget varme stjerner, der så at sige har blæst en stor boble i en sky af gas og støv. Det røde område inderst er støvskyer, som på grund af opvarmningen fra stjernerne udsender et kraftigt infrarødt lys. Den grønne ring markerer områder, hvor ganske små støvkorn, som indeholder organiske stoffer, rammes af det intense lys fra stjernerne. Disse små støvkorn eksisterer ikke længere inde i skyen, fordi de her er ødelagt af stjernelyset. Den grønne farve er kunstig, skabt af Spitzer. I virkeligheden er der tale om infrarødt lys, usynligt for vore øjne. Læs mere kapitel 11. Nyt Teknisk Forlag Vigerslev Allé Valby info@nyttf.dk Ekspedition: Erhvervsskolernes Forlag,

2 Forord Denne bog henvender sig til alle, der ønsker en introduktion til astronomi. Den er skrevet som grundbog til faget astronomi i gymnasiet, men vi håber også, at bogen kan anvendes i andre sammenhænge. Her tænker vi både på folke universitetet og den almene læser, som bare gerne vil vide lidt mere. Grundlæggende er bogen meget beskrivende og bruger ikke megen matematik. Men for dem, der ønsker at gå i dybden med et emne, er der en lang række temaer spredt gennem kapitlerne og her er det matematiske niveau ofte lidt højere. Siden vi skrev 1. udgaven af bogen i 2001 (sammen med en 2. udgave udkommet på forlaget TRIP), er der sket en rivende udvikling inden for astronomien. Der opdages nu næsten dagligt nye exoplaneter, og hvad vi især håber på er at finde en Terra Nova, en ny jord, der kredser om en stjerne mange lysår borte. I 2011 blev der uddelt en nobelpris til de forskere, som har vist, at vort univers udvider sig stadig hurtigere. Vi taler nu om det accelererende univers, og det er nok det største gennembrud inden for kosmologien i de sidste mange år. Hvor det vil føre os hen, er der i dag ingen, der ved. Vi har forsøgt at indfange noget fra den utroligt spændende tid inden for astronomien, som vi oplever i disse år. Vi har derfor føjet en række nye opdagelser til og ofte ladet forskerne selv komme til orde med deres egne forklaringer og fortolkninger. I det hele taget er det bemærkelsesværdigt, hvor meget astronomerne har gjort de sidste 10 år for at kunne levere en hurtig og god pressetjeneste. Denne udgave kan næppe anvendes sammen med de tidligere udgaver. Der er naturligvis nogle helt grundlæggende afsnit, som er uændrede, men der er simpelthen sket så meget inden for astronomien, at ingen lærebog kan anvendes uden ændringer i mere end nogle få år. Det betyder dog ikke, at lærebøger ikke stadig har værdi. Der er fortsat behov for at have et sted, hvor man kan læse om de grundlæggende begreber og metoder, inden man går ud på internettet for at finde de nyeste opdagelser. Vort håb er, at Det levende Univers kan hjælpe med at give et overblik over astronomien, så det bliver lettere at læse og forstå de nye opdagelser. På bogens hjemmeside: nyttf.dk/levende_univers ligger der opgaver til bogen. Her vil også andet supplerende materiale ligge. Morud marts 2012 Helle og Henrik Stub 3

3 DET LEVENDE UNIVERS Indhold Indhold Forord UNIVERSET OPDAGES Vort Univers Milepæle i astronomien Afstande i rummet STJERNEHIMLEN Himmelkuglen Himlens koordinater Årets gang Solen og årstiderne Kulminationshøjder OM STOF OG STRÅLING Strålingen fra rummet Strålingslovene Dannelse af spektre Radioområdet Dopplereffekten ASTRONOMERNES VÆRKTØJ Størrelsesklasser Teleskoper i teorien Teleskoper i praksis Interferometri Observationer UBV fotometri Størrelsesklasser Solen og månen Solen som stjerne Solens opbygning Solen og Jorden Den store klimadebat Månen Solens energiproduktion Tidevandskræfter BANER I SOLSYSTEMET Solsystemet Keplers love Tyngdeloven Hohmann-banen Gravity Assist Lagrangepunkter PLANETERNE På turistrejse gennem solsystemet Klimaet på Venus, Jorden og Mars Planetatmosfærer Planeter og dværgplaneter EXOPLANETER De nye solsystemer Dannelsesteorier Metoderne Exoplaneter en oversigt Målemetoderne STJERNERNES UDVIKLING Stjernernes liv Supernovae Pulsarer Røntgenkilden Cygnus X Jordens sidste dage Lys og sorte huller HERTZSPRUNG-RUSSELL DIAGRAMMET Historien Spektralklasser HR-diagrammet

4 Anvendelsen Dobbeltstjerner MÆLKEVEJEN Historien Mælkevejens geografi Stjernepopulationer Mælkevejens indhold af gas og støv Absorption og rødfarvning Mælkevejens masse Rumhastighed Tidevandskræfter i Mælkevejen GALAKSER OG KVASARER Galaksetyper Galaksehobe Universets storstruktur Hubbles lov Aktive galakser og kvasarer De første galakser og reioniseringen Tunge grundstoffer i unge galakser The never ending story Overlyshastighed AFSTANDSSTIGEN Stigen En kosmisk fejltagelse UNIVERSET Grundlaget Big Bang De tre søjler Universets udvidelse Et nyt verdensbillede Det flade univers Universets fremtid Andre universer? Et endeligt univers? Den kosmologiske rødforskydning To modeller for skalafaktoren Q LIV I UNIVERSET Livet på Jorden Liv i solsystemet Livets vanskelige vilkår Kontakt søges Tidens udfordring Det levende univers Livszoner Arecibo budskabet Drake-ligningen Livets top Internet-adresser Tabeller Astronomiske konstanter Solen Planeterne Banedata for planeterne De nærmeste stjerner De klareste stjerner Mælkevejen Lysstyrker Hubblekonstanten Kilder til fotos Stikord

5 DET LEVENDE UNIVERS 1. UNIVERSET OPDAGES 1. UNIVERSET OPDAGES 6

6 Vort Univers 1. UNIVERSET OPDAGES Vort Univers Det var måneflyvningerne, der første gang viste, at vi bor på en meget lille planet i et meget stort verdensrum. Det tog kun astronauterne tre dage at flyve til Månen, men man skal heller ikke længere væk, før Jorden syner af meget lidt på rummets sorte himmel. En lille blå planet med hvide skyer men en enorm kontrast til den døde måne med sine kraterdækkede sletter. Det var måske det, som gjorde mest indtryk på astronauterne. Det var ikke noget tilfælde, at de kaldte Jorden for en oase i rummet. Figur 1.1. Solsystemet befinder sig i udkanten af Mælkevejen lysår fra centret. Jorden er den tredje af solsystemets otte planeter. 7

7 DET LEVENDE UNIVERS 1. UNIVERSET OPDAGES Dette indtryk blev bekræftet, da rumsonderne i de følgende år udforskede vort solsystem. Vi lærte, at vor naboplanet Venus er så varm, at klipperne på overfladen gløder. Og Mars viste sig at være en lille kold ørkenplanet, hvor temperaturen selv ved ækvator sjældent kommer over frysepunktet. Men gamle flodlejer og enorme vulkaner vidner om en spændende fortid. Længere ude i solsystemet finder vi de store gasplaneter Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Fra rumsonderne har vi set storme med vindhastigheder på op mod km i timen. Men det er ikke storme, som vi kender her på Jorden, for ingen af de fire planeter har faste overflader. Så der er ingen steder, man kan stå og mærke stormene. Bevæger vi os ned gennem atmosfæren, bliver den blot gradvist tættere, indtil den går over i et enormt hav af flydende brint og helium. Figur 1.2. Solens omløbstid i sin bane (vist som en røde cirkel) omkring Mælkevejens centrum definerer længden af det galaktiske år. De store gasplaneter er så fremmedartede, at vi aldrig kan besøge dem, så derfor har interessen samlet sig om de mere end 50 måner, der i alt omgiver de store planeter. Her har vi mødt mærkelige verdener - lige fra Jupiters vulkanske måne Io, hvor landskabet hele tiden ændrer sig som følge af udbrud fra de enorme svovlvulkaner, til ismånen Europa, der muligvis har et dybt hav under den isdækkede overflade, og Saturns store måne Titan, hvor det regner med metan fra orange skyer. Men solsystemet er kun en meget lille del af det enorme univers, vi bor i. For at få en ide om de afstande, som astronomerne arbejder med, må vi benytte lysets fart som målestok. Lyset bevæger sig km hvert sekund. Da Månens afstand til Jorden er km, vil lyset være lidt over et sekund om at bevæge sig fra Jorden til Månen. Vi siger, at Månens afstand er godt et lyssekund. I samme målestok har vi: Solens afstand Mindste afstand til Mars Plutos afstand 8 lysminutter 3 lysminutter 6 lystimer Det er vanskeligt at definere solsystemets ydergrænse. Efter at vi er begyndt at skelne mellem planeter og dværgplaneter, er Neptun den yderste planet. Men uden for Neptuns bane finder vi Kuiperbæltet af tusinder af små iskloder, hvoraf nogle, som Pluto, er store nok til at blive kaldt dværgplaneter. Den nærmeste stjerne er mere end 4 lysår borte. Det kan være svært at forestille sig forholdet mellem seks lys timer og fire lysår. Men hvis vi tænker os solsystemet anbragt i et klasseværelse, vil den nærmeste stjerne ligge omkring 20 km borte. Solen og dens planeter er en del af det enorme stjernesystem, vi kalder Mælkevejen. Mælkevejen er en flad skive af stjerner med en diameter på lysår. Solen kredser om Mælkevejens centrum i en afstand på lysår. Den tid, det tager Solen at kredse en gang om centret, kalder vi for et galaktisk år. Det er et meget langt tidsrum. Ifølge de nyeste målinger gælder: 1 galaktisk år = 225 millioner år. Siden Solen og planeterne blev dannet for 4,6 milliarder år siden, er der gået godt 20 galaktiske år. I det allermeste af denne tid har der kun eksisteret encellet liv på Jorden. Mere komplicerede livsformer som dyr og planter er først dukket op inden for de sidste tre galaktiske år. 8

8 Milepæle i astronomien Og med denne målestok er det kun lidt over tre galaktiske måneder siden, at de store dinosaurer uddøde og overlod scenen til pattedyrene. Og vor egen eksistens fylder i denne målestok kun et par galaktiske dage fra de første abemennesker og til nutiden Mælkevejen indeholder op mod 400 milliarder stjerner. Men den er kun en ud af de utallige galakser, der opfylder vort univers. Nogle galakser har spiralform ligesom Mælkevejen, men der er også mange andre former. Uanset formen har galakserne det tilfælles, at de samler sig i hobe. Vor egen Mælkevej er medlem af en lille hob, Lokalhoben, på omkring 30 galakser. Kun to af disse galakser er rigtigt store, nemlig vor egen galakse og Andromedagalaksen, der befinder sig 2,6 millioner lysår borte. Andromedagalaksen er det fjerneste objekt, der kan ses med det blotte øje. Den viser sig som en lille svag tågeklat i stjernebilledet Andromeda. Hvor stjernerne i Mælkevejen kan lignes ved små støvkorn, der ligger mange kilometer fra hinanden, er afstandene mellem galakserne i en hob ikke ret store i forhold til galaksernes størrelse. Hvis vi tænker os Mælkevejen på størrelse med en spisetallerken, er vores nabo Andromedagalaksen en anden tallerken kun 6 meter borte. I denne målestok kan det meste af Lokalhoben faktisk rummes i et klasselokale. Lokalhoben er en lille hob. Vi kender i dag galaksehobe bestående af tusinder af galakser. Ved brug af store teleskoper har vi kunnet udforske galakser ud til afstande på flere milliarder lysår. Lyset fra disse fjerne galakser har undertiden været lige så lang tid undervejs, som Jorden har eksisteret. Så når vi udforsker de fjerneste galakser, ser vi samtidig tilbage i tiden til en periode, hvor universet var måske halvt så gammelt, som det er i dag. Fælles for universets galakser er, at de fjerner sig fra hinanden. Dette fænomen kaldes universets udvidelse, og det danner grundlaget for den teori om universets opståen og udvikling, der kaldes Big Bang teorien. I de senere år er man blevet klar over, at universet udvider sig stadigt hurtigere. Det har ført til en ny vurdering af universets alder, der nu sættes til 13,7 milliarder år. Ifølge Big Bang teorien er vort univers skabt ved en enorm eksplosion, der på en gang skabte tid og rum. Det har taget lang tid at nå frem til dette billede af vort univers. Astronomien er blevet kaldt den ældste af alle videnskaberne, og sandt er det, at vi har kendt til astronomiske observationer gennem hele historien. Figur 1.3. Jorden set fra Månen. Billedet er taget af Apollo 8, der kredsede 10 gange om Månen i julen Milepæle i astronomien Astronomien begyndte som en indsamling af data om Solens og Månens bevægelser og om planeternes bevægelser mellem stjernerne. Formålet var nok mest religiøst, men også ganske praktisk: Astronomiens første og måske største gave til mennesket var nemlig kalenderen. Oldtidens landbrugssamfund var stærkt afhængige af en kalender, når de skulle planlægge, hvornår man skulle begynde at så markerne, og for ægypterne var det jo ganske rart at vide, hvornår Nilen gik over sine bredder. Det kan godt være, at vi i dag vil sige, at oldtidens præster i Babylon og Ægypten for mellem og år siden ikke forstod, hvad der virkelig foregik i universet. Men hvad betød det, når de på grundlag af et materiale indsamlet gennem generationer kunne forudsige 9

9 DET LEVENDE UNIVERS 1. UNIVERSET OPDAGES både sol- og måneformørkelser. Disse præster forstod - måske som de første - at viden er magt. De første par tusinde år bestod astronomien i en systematisk indsamling af positionsmålinger. Ved at benytte ganske snedige sigteapparater kunne man med det blotte øje måle retningen til himmellegemerne. For Solen, Månen og planeterne kunne man også følge deres bevægelse blandt stjernerne år efter år, og det førte til de første forsøg på at beskrive bevægelserne matematisk. Allerede grækerne havde for mere end år siden en højtudviklet matematisk astronomi, som på mange måder løste opgaven, nemlig at kunne forudsige bevægelsen på himlen af Solen, Månen og stjernerne. De fleste græske astronomer gik ud fra en model med Jorden i centrum. Modellen med Solen i centrum var kendt, men vandt ikke indpas. Det var heller ikke så mærkeligt, fordi en ubevægelig Jord jo passer med vore umiddelbare erfaringer, og de såkaldte geocentriske modeller gav resultater, som passede med de målinger, man dengang kunne foretage. Der var altså en god grund til, at det græske geocentriske verdensbillede holdt sig i over år, helt frem til middelalderen i Europa. Naturligvis betød det meget, at kirken støttede dette verdensbillede, men det er svært at vælte et verdensbillede, som fungerer. Der er måske lidt af en analogi til vore dages astronomi. Big Bang teorien ser ud til at forklare mange træk ved universet. Den fungerer inden for sit område hverken værre eller bedre, end det geocentriske system gjorde inden for sit område, der jo var at forklare bevægelserne på himlen. Men Big Bang modellen er efterhånden blevet mere end en model. Den danner nu rammen om vor forståelse af universet - vi ser så at sige universet gennem Big Bangs briller. Måske skulle vi engang imellem huske, at den kun er en model, og selv om en model er god og langlivet, er det ingen garanti for, at den er korrekt. Vi skal helt frem til Nicolaus Copernicus ( ), før det heliocentriske verdensbillede med Solen i centrum igen kom ind i den astronomiske tankegang. Men selv om det Copernicanske system var mere enkelt og elegant end alle de græske cirkelbaner omkring Jorden, var det dog stadig en hypotese. For de beregninger, Copernicus kunne foretage, var nemlig ikke engang så nøjagtige som dem, der byggede på det klassiske græske system med Jorden i centrum. Det næste store gennembrud kom med den danske astronom Tycho Brahes ( ) uhyre nøjagtige målinger foretaget fra hans astronomiske observatorium på øen Hven. Han var godt støttet af den danske konge Frederik II, og på et tidspunkt brugte kongen en procent af det danske statsbudget til astronomisk forskning. Det må vist siges at være noget af en rekord. Tycho Brahe blev aldrig overbevist om det Copernicanske system, i øvrigt af ganske fornuftige grunde, som vi senere skal omtale. Tycho Brahe blev den sidste store astronom, som alene observerede med det blotte øje - han dannede så at sige den storslåede afslutning på den antikke astronomi. Umiddelbart efter Tycho Brahes død blev grundlaget for den moderne astronomi lagt af to mænd. Den ene er Galileo Galilei ( ), der som den første anvendte kikkerten som astronomisk instrument. Allerede i løbet af det første år, Galilei anvendte kikkerten i 1610, opdagede han de fire store Jupitermåner, at Venus viser faser lige som Månen, at der er pletter på Solen og bjerge på Månen, og at Mælkevejens lysende bånd består af utallige stjerner. Den anden er Tycho Brahes elev Johannes Kepler ( ). Han brugte Tycho Brahes observationer som grundlag for sine egne - meget religiøst - prægede modeller for solsystemet. Han kunne meget vel være glemt i dag, hvis ikke det havde været for en genial ide, der brød med mere end års astronomisk tradition: Han indså, at kun ved at forkaste den gamle græske ide om, at planeterne bevæger sig i cirkler, kunne han få en model, der passede med målingerne. Kepler viste, at planetbanerne er ellipser, og han formulerede de tre berømte love for planeternes bevægelse, der i dag kendes som Keplers love. Keplers love var alene baseret på målinger, men uden et egentligt fysisk grundlag. Det teoretiske grundlag blev leveret af den måske største af alle videnskabsmænd, englænderen Isaac Newton ( ). Det er 10

10 Milepæle i astronomien blevet sagt om Newton, at han var den første, som forenede himlen og Jorden. Før Newton havde man ikke set nogen sammenhæng mellem, hvad der foregik på Jorden, og hvad der skete ude i universet. Det afgørende i Newtons indsats var, at han viste, at den selvsamme tyngdekraft, som får æblet til at falde til Jorden, også får Månen til at kredse om Jorden og Jorden til at kredse om Solen. For at kunne gennemføre sine beregninger, måtte Newton udvikle helt ny matematik, kaldet differentialregning og integralregning. I sit storværk Principia fra 1687 viste Newton, at Keplers tre love var en naturlig følge af tyngdeloven. Newton kom til at påvirke astronomien i de næste 200 år. For første gang kunne astronomerne nu foretage nøjagtige beregninger af Månens og planeternes bevægelser. Det var et enormt arbejde, som blev udført ved håndkraft. Når man opdagede en ny komet eller asteroide, kunne der gå måneder eller år, før man havde beregnet dens bane. Uden rigtigt at være klar over det, var Newton også manden bag den næste store revolution i astronomien, nemlig astrofysikken. Newton viste, at hvidt sollys blev spaltet op i alle regnbuens farver, når man sendte det gennem et prisme. I 1802 blev det opdaget, at solspektret indeholder mørke linjer, og i udarbejdede den tyske astronom Joseph von Fraunhofer ( ) et katalog over de 475 spektrallinjer i solspektret, man kendte på daværende tidspunkt. Men der skulle gå mange år, før man blev klar over, at man ud fra disse linjer kunne bestemme den kemiske sammensætning af Solen. Det lykkedes egentlig først i perioden , hvor man begyndte at fortolke spektrene ud fra Bohrs atommodel (Niels Bohr, ) og den nye kvantemekanik. Resultatet var ganske overraskende. Selv om der var mange linjer fra metaller i solspektret, viste det sig, at Solen næsten udelukkende bestod af brint og helium. Og Solen var ikke enestående. Alle stjerner er opbygget omtrent som Solen, nemlig af omkring 75 % brint og 25 % helium. Alle andre grundstoffer som kulstof, kvælstof, ilt, aluminium og jern udgør højst et par procent af stoffet i stjernerne. Figur 1.4. Ringtågen i Lyren. Den er opstået ved, at en døende stjerne har udkastet sin atmosfære. Solen vil i fremtiden få en lignende skæbne. Næsten samtidig med, at astronomerne lærte om den kemiske sammensætning af stjernerne, foregik en anden revolution. Man havde længe været klar over, at Solen var en del af Mælkevejen, men det var først i 1920erne, at vi blev klar over, at der var mange galakser i universet. Og ikke så snart var astronomerne begyndt at studere de fjerne galakser, før den amerikanske astronom Edwin Hubble ( ) i 1929 gjorde den opdagelse, som mere end noget andet har sat sit præg på astronomien i det 20. århundrede. Hubble opdagede, at galakserne fjerner sig fra hinanden efter en simpel lov, der i dag går under navnet Hubbles lov. Hubbles lov siger, at en galakses fart v bort fra os er proportional med dens afstand r, altså at der gælder: v = H 0 r Konstanten H 0 kaldes ikke uventet for Hubbles konstant. 11

11 DET LEVENDE UNIVERS 1. UNIVERSET OPDAGES Universets udvidelse har været en af grundpillerne i Big Bang teorien. Det har i høj grad styrket teorien, at den også kan forklare, hvorfor det meste af universet består af brint og helium. Selv om Big Bang teorien nu er omkring 60 år gammel, anses den stadig for vor bedste model for universets opståen og udvikling. Gennem hele astronomiens historie havde astronomerne kun observeret en lille del af den stråling, der kommer til os fra universet, nemlig det synlige lys. Efter anden verdenskrig kom et afgørende gennembrud, nemlig starten på den ikke optiske astronomi. Den begyndte med målinger af radiostøj fra universet. Da rumalderen begyndte i 1957, blev det også muligt at sende satellitter op over atmosfæren. Nogle af disse satellitter har astronomiske formål. De vigtigste opgaver har her været at observere universet i bølgelængdeområder, der ikke trænger gennem Jordens atmosfære. Takket være rumforskningen har astronomien fået helt nye forskningsområder som røntgenastronomi og ultraviolet astronomi. I dag ved vi også, at det ikke er muligt at danne sig et klart billede af, hvad der foregår i en fjern galakse, hvis ikke man har målinger i mange bølgelængdeområder. Den anden store revolution inden for moderne astronomi har været brugen af computere. De er blevet brugt til at opstille komplicerede modeller for Solen og stjernerne - og i dag er man nået så langt, at man kan beregne, hvorledes en stjerne udvikler sig gennem milliarder af år. En anden vigtig anvendelse af computere er konstruktion af de nye store teleskoper, der har spejle på 8-10 meter i diameter. Det er ikke mere end 50 år siden, at astronomerne mente, at det var umuligt at bygge et spejl, der var større end godt 5 meter i diameter. Større spejle ville blive for tunge og deformeres under deres egen vægt. I dag bygger man meget tynde spejle. De kan heller ikke holde deres form, når kikkerten drejes, men så justeres spejlets form blot af en computer. Ved at anvende en teknik, hvor man opbygger et stort spejl af flere mindre spejle, er det lyk- Figur 1.5. Vor egen måne er en død klode uden atmosfære. Derfor er nedslagskratere bevaret gennem milliarder af år. De mørke områder er lavasletter opstået efter store meteornedslag. 12

12 Milepæle i astronomien kedes at bringe spejlstørrelsen op over 10 meter. Det for tiden største spejl af denne type findes på Gran Canaria. Dette spejl, der har en diameter på 10,4 meter, er opbygget af 36 sekskantede spejle, hvis indbyrdes placering hele tiden justeres, så de tilsammen virker som et stort spejl. Et andet og måske kendt teleskop af denne type er Keck på Hawaii, hvis spejl har en diameter på 10 meter. Og med den nyeste teknik er man endda i stand til at korrigere for lufturoen. Det betyder, at vi efterhånden kan tage billeder her fra Jorden i det synlige og infrarøde område, der er næsten lige så skarpe, som dem, vi kan tage ude fra rummet. På grund af den tekniske udvikling gennemlever astronomien i disse år en gylden periode, hvor der konstant kommer en strøm af nye opdagelser både fra teleskoper på Jorden og i rummet. Figur 1.6. Hubble teleskopet har siden 1990 kredset om Jorden i en højde på 600 km. Teleskopet har et spejl med en diameter på 2,4 m og er dermed langt mindre end de største spejlteleskoper på Jorden. Fordelen ligger alene i, at Hubble befinder sig over Jordens atmosfære. Efter det sidste hold astronauter har besøgt og serviceret Hubble i 2009, forventes rumteleskopet at kunne fungere i hvert fald indtil Hubble sender omkring billeder tilbage til Jorden hvert år. 13

13 DET LEVENDE UNIVERS 1. UNIVERSET OPDAGES Tema 1.1 Afstande i rummet Astronomerne har udviklet en lang række metoder til at bestemme afstande i rummet. Vi vil her omtale to af metoderne, nemlig radarmåling inden for vort solsystem og parallaksemåling til bestemmelse af afstande til de nærmeste stjerner. Radarmåling Hvis vi i dag skal bestemme afstanden til Månen, kan det ske på en meget enkel måde. På Månen har astronauter opstillet et lille laserspejl. Sender vi nu her fra Jorden et lasersignal til Månen, så vil vi få det reflekteret 2,56 sekunder senere. Da lysets hastighed er km/s, er det let at beregne Månens afstand r, idet der gælder Parallaksemåling Radarmålinger kan kun anvendes inden for solsystemet. At bestemme afstande til selv de nærmeste stjerner er en vanskelig opgave, fordi de er så langt borte. Men for de nærmeste stjerner udnytter man den såkaldte parallakseeffekt. Parallaksen for en stjerne er den ændring i sigtelinjen, der skyldes Jordens bevægelse om Solen, se figur 1.7. Tegningen viser, hvorledes retningen til stjernen ændrer sig i løbet af et år. Astronomerne definerer nu parallaksen som halvdelen af denne vinkel. Man kan også sige, at parallaksen er den vinkel, hvorunder jordbaneradius ses fra stjernen. I den astronomiske litteratur betegnes denne vinkel normalt π, men for at undgå forveksling med talkonstanten π, vil vi her kalde vinklen p. Fjerne stjerner R = c t A (kendt stjerne) hvor t er den tid, det tager for signalet at komme fra Jorden til Månen. Da signalet både skal frem og tilbage, måler vi tiden 2t. I vort eksempel får vi derfor p r Indsætter vi disse tal, finder vi en afstand til Månen på km. Fordelen ved metoden er, at afstanden til Månen kan bestemmes med under en meters nøjagtighed. Med radarteleskoper er det muligt at sende signaler til vore naboplaneter Merkur, Venus og Mars og endda ud til Jupiters måner og Saturns store måne Titan. På denne måde er det lykkedes at bestemme mange afstande i solsystemet med en nøjagtighed på godt en kilometer. 1 AE Jorden J S Jorden 1 J2 et halvt år senere Solen Figur 1.7. Enheder For at holde os til den astronomiske tradition, er vi nødt til at indføre nogle enheder: 1. Jordens afstand til Solen på 149,6 millioner km kaldes den astronomiske enhed (1 AE). 2. Små vinkler måles sædvanligvis i buesekunder ( ), defineret ved, at 1 = Afstande i rummet måles ofte i enheden parsec (pc), hvor 1 pc er den afstand, hvor parallaksevinklen er et buesekund. 14

14 Afstande i rummet Vi betragter en cirkel gennem J 1 og J 2 med centrum i stjernen A og afstanden til r til stjernen som radius (se figur 1.8). Da vinklen 2p er meget lille, er længden af cirkelbuen J 1 J 2 på figur 1.8 næsten lig med Jordbanens diameter, 2AE. Cirkelbuen J 1 J 2 udgør brøkdelen: af hele cirklens omkreds på 360. Der gælder derfor med meget god tilnærmelse: 2p A Derfor får vi følgende simple sammenhæng mellem parallaksen og afstanden til stjernen: Ud fra definitionen på pc er det let at finde sammenhængen mellem pc og lysår (ly). 1 pc = AE = , km = 3, km. Da et lysår er den afstand, lyset tilbagelægger på 1 år = 3, s, har vi: 1 ly = km/s 3, s = 9, km Ved at sammenholde de to tal fås: 1 pc = 3,26 ly J 1 2 AE r J 2 Den nærmeste stjerne Alfa Centauri har parallakse p =0,763. Heraf får vi, at afstanden er 1,31 pc eller 4,27 ly. Det har været uhyre svært for astronomerne at måle parallaksevinkler. Det lykkedes første gang for den tyske astronom Bessel ( ) i Han målte afstanden til stjernen 61 Cygni og fandt den til godt 11 lysår. Hovedgrunden til, at Tycho Brahe ikke troede på den heliocentriske teori, var, at han ikke kunne måle nogen parallakse, og han forestillede sig ikke, at universet kunne være så stort, at parallaksevinkler ikke kunne måles med det blotte øje. Figur 1.8. For selve parallaksevinklen p får vi nu: Da 1 parsec er defineret som den afstand, i hvilken parallaksen er 1, ser vi, at der må gælde: 1 pc = AE. 15