Af Kristian Pedersen, Anja C. Andersen, Johan P. U. Fynbo, Jens Hjorth & Jesper Sollerman

Transkript

1 DET MØRKE UNIVERS Når man en stjerneklar aften lægger nakken tilbage og betragter himlens myriader af stjerner, kan man let blive svimmel over at tænke på de helt enkle, men meget store spørgsmål der uvilkårligt trænger sig på: Hvor stort er Universet? Hvad består Universet af? Hvordan udvikler Universet sig? Nye store teleskoper på Jorden (fig. 1) og i rummet har gjort det muligt både Af Kristian Pedersen, Anja C. Andersen, Johan P. U. Fynbo, Jens Hjorth & Jesper Sollerman at se langt ud i rummet og at studere det nære univers i stor detalje. Den teoretiske beskrivelse af tid og rum hvori observationerne fortolkes, er Einsteins almene relativitetsteori. Einsteins banebrydende teorier fejres i 2005 som af FN er udnævnt til internationalt fysikår. Hans dybe indsigt i tid og rum illustreres af at vi først her omkring 100 år senere for alvor er blevet i stand til at bruge og teste hans teori for rum og tid. Nye observationer af himlen, sammenholdt med Einsteins teoretiske beskrivelse af Universet, har nu gjort det muligt at svare kvantitativt på nogle af de store spørgsmål nævnt ovenfor. Og der er kommet flere gedigne overraskelser. I løbet af de seneste små 10 år er det helt overraskende blevet klart at stjerner, planeter, gas og kosmisk støv kun udgør nogle få procent af hvad Universet består af. Eksistensen af enorme mængder mørkt stof og mørk energi i Universet har afsløret sig ved dets påvirkning af lysende objekter (fig. 2). Denne op- 1. En af de fire Very Large Telescope kikkerter i Chile og en af artiklens forfattere. Dette er en af de kikkerter som danske astrofysikere benytter til at studere gamma-glimt, fjerne galakser, supernovaer og galaksehobe med. Midt i billedet ses det 8,2 m diameter store spejl som samler og fokuserer lyset fra det område af himlen som kikkerten peger mod. (J.P.U.Fynbo) 2. Indholdsfortegnelse over Universet. Observationer viser at langt den største del af Universets samlede energi udgøres af en mystisk mørk energi som vi ikke kender naturen af. Omkring 1 /4 af Universets energi er i form af stof, men kun nogle få procent af stoffets energi er i stjerner, planeter eller gas. Det meste stof er mørkt stof som ikke lyser eller vekselvirker med lys, men kun spores pga. dets tyngdepåvirkning af omgivelserne. 34 1/2004 DET MØRKE UNIVERS

2 dagelse kårede tidsskriftet Science som det vigtigste videnskabelige gennembrud i Den mystiske, mørke energi gør at Universets udvidelse accelererer i modstrid med alle forventninger. Men for at forstå hvilket forunderligt univers vi lever i, og hvordan vi kan studere det vha. kosmiske fyrtårne, må vi først på en kosmisk rejse. EN KOSMISK REJSE Stjerner og planeter kan vi få øje på. De flere tusinde stjerner vi ser på himlen, er de nærmeste af Mælkevejens ca. 100 mia. stjerner. Mælkevejen er vores kosmiske hjemstavn. Kunne vi tage på en sviptur ud af Mælkevejen og tage et billede udefra, ville vi se en flad skive af stjerner med en udbuling omkring centrum af skiven. Men vi kan ikke smutte ud og tage et billede Mælkevejen er alt for stor. Vi sidder på Jorden, som sammen med Solen og resten af Solsystemet, ligger ca. midt mellem centrum af skiven og kanten af skiven. Vi har ca lysår ind til centrum af Mælkevejen. Dvs. lyset fra stjerner omkring Mælkevejens centrum har rejst år før det rammer vores øjne. I Universet findes mia. af andre mælkeveje eller galakser som vi kalder dem. Mælkevejens nærmeste nabo, Andromeda-galaksen (fig. 3), minder meget om Mælkevejen. Andromedagalaksen kan om efteråret ses som en tåget klat på himlen. Den er faktisk det fjerneste vi kan se uden en kikkert. Afstanden er ca. 2 mio. lysår, dvs. det lys vi i aften kan se fra Andromeda-galaksen, blev udsendt for 2 mio. år siden omtrent da vore forfædre i Afrika begyndte at gå på to ben. Og tages de 3. Andromedagalaksen, vores nabogalakse, omkring 2 mio. lysår borte. Denne galakse ligner meget vores egen galakse, Mælkevejen. De to galakser er bundet til hinanden af deres indbyrdes tyngdekraft. (B. Schoening, Vanessa Harvey/REU program/noao/aura/nsf) helt store briller på, vil vi se at galakserne sjældent er alene. De fleste galakser er i en større eller mindre klump af galakser, en galaksehob. Mælkevejen, Andromeda-galaksen og en snes mindre galakser udgør Den Lokale Gruppe som holdes sammen af galaksernes tyngdekraft. Disse landsbyer i Universet indeholder de fleste galakser, men der findes også sjældnere kosmiske metropoler galaksehobe med tusindvis af galakser (fig. 4). De fjerneste galakser vi kan se, er omkring 12 mia. lysår væk, svarende til at vi ser dem kun lidt over en milliard år efter Universets dannelse i Big Bang. MØRKT STOF Tyngdekraften virker som en kosmisk lim der holder Universets objekter sammen; fra vores egen klode til de største galaksehobe. Galakser og galaksehobe holdes sammen af tyngdekraften på trods af at Universet udvider sig. Fordi vi kender egenskaberne ved tyngdekraften så godt, kan vi indirekte bruge den til at veje galakser og galaksehobe. Én metode er at måle hvor hurtigt stjernerne bevæger sig rundt om en galakses centrum. Det er som at køre i karrusel: Jo hurtigere karrusellen kører rundt, jo bedre skal vi holde fast for ikke at ryge af. I en galakse er det tyngdekraften der holder fast i stjernerne. DET MØRKE UNIVERS 2004/1 35

3 4. Galaksehoben Abell 1689 i 2,2 mia. lysårs afstand fotograferet af Hubble Rumteleskopet. Galaksehoben indeholder flere tusinder galakser som holdes sammen af tyngdekraften fra alt stof i galaksehoben. Rummet mellem galakserne er fyldt med mørkt stof som dels holder galakserne samlet i hoben og dels påvirker lyset fra fjerne, bagvedliggende galakser. Nogle af disse fjerne galakser ser derfor ud som buestykker. Studier af hvor kraftigt lyset fra de fjerne galakser afbøjes, bruges til at veje galaksehoben med og dermed bestemme hvor meget mørkt stof den indeholder. (NASA, N. Benitez, T. Broadhurst, H. Ford, M. Clampin, G. Hartig, G. Illingworth, the ACS Science Team and ESA) astrofysikere konstrueret en kosmisk vægt der er i stand til at veje galakser og galaksehobe. Og det der aflæses på vægten er meget overraskende: 80% af alt stoffet i galakser og galaksehobe er noget helt andet end stjerner og galakser. Det lysende stof er altså kun toppen af isbjerget. Det meste stof er ukendt, og det er helt anderledes end det stof som læseren, Jorden og Solen er gjort af. Det ukendte stof lyser ikke, og er indtil videre blevet døbt mørkt stof Hvad det mørke stof er for noget, er et af de helt store spørgsmål i dag. Desuden er brøkdelen af mørkt stof i galakser og galaksehobe stort set den samme som brøkdelen af mørkt stof i hele Universet. Så hvis galakser og galaksehobe er domineret af mørkt stof, er det meste af stoffet i hele Universet mørkt stof. Det bedste bud på det mørke stof er en hidtil uopdaget partikel som er skabt under de ekstreme forhold ved Universets begyndelse. Partikelfysikere er nu på jagt efter det mørke stof blandt naturens mindste byggesten. I den anden ende af den kosmiske skala vejer astrofysikere galakser og galaksehobe på stadigt mere præcise vægte. Sammen vil de i de kommende år kaste lys over det mørke stof. MØRK ENERGI Jo hurtigere stjernerne farer rundt, jo stærkere tyngdekraft skal der til for at stjernerne ikke ryger ud galaksen. Tyngdekraften kommer fra alt det stof der er i galaksen. Jo mere stof, jo større tyngdekraft. Så jo større stjernernes hastighed er, jo mere må galaksen veje. I en galaksehob bevæger galakserne sig rundt om galaksehobens centrum. Vi kan derfor på samme måde veje galaksehobe, ved at måle hvor hurtigt galakserne farer rundt om galaksehobens centrum. Vha. denne og andre metoder har Det ser dog ikke ud til at det mørke stof indeholder det meste af Universets energi. De seneste år har astronomerne fundet ud af at den vigtigste bestanddel i Universet er helt ukendt for os. Gennem studier af fjerne supernovaer, tunge eksploderende stjerner, har man kunnet måle at 36 1/2004 DET MØRKE UNIVERS

4 Universets udvidelse med tiden går hurtigere og hurtigere. Egentlig burde udvidelsen bremse op da tyngdekraften fra både almindeligt lysende stof og mørkt stof trækker stof sammen. At Universet har en accelererende udvidelse, tyder i stedet på at der er en slags anti-tyngdekraft som sætter skub i udvidelsen. I mangel af bedre kaldes denne ekstra bestanddel af Universet for mørk energi. Omkring 70% af al energi i Universet er mørk energi, men vi ved meget lidt om hvad dets natur er. Måske er det en egenskab ved selve det tomme rum som vi faktisk ikke forstår helt til bunds, og som ikke er beskrevet i Einsteins almene relativitetsteori. Egenskaberne ved den mørke energi vil i de kommende år blive belyst ved at foretage observationer af flere og fjernere supernovaer (fig. 5). Kombineret med teoretiske studier af Naturens mindste bestanddele kan vi komme nærmere en forklaring af hvad Universets mystiske hovedbestanddel er. GALAKSEDANNELSE Et blik ud i verdensrummet væk fra Mælkevejens skive viser at Universet er tæt besat med galakser (se forsiden). Hvordan er galakserne dannet og på hvilket stadium i Universets historie? Galakser består mestendels af mørkt stof, og det er derfor egenskaberne ved det mørke stof som afgør hvornår og hvordan galakser dannes. En grov skitse af hvordan vi tror det skete er som følger: En brøkdel af et sekund efter Big Bang udvidede Universet sig med flere hundrede størrelsesordener hvorved et mikroskopisk udsnit af Universet blev blæst op til 5. Galaksen NGC 4526 med den supernova der kom til syne i galaksen i 1994 (den klare stjerne nederst til venstre). Ved at opdage og studere supernovaer som denne i fjernere galakser, måles mængden af mørk energi i Universet. (High-Z Supernova Search Team, HST, NASA) hele det nu synlige Univers (og sikkert meget mere end det). Tilfældige mikroskopiske områder med en smule højere tæthed end gennemsnittet blev herved blæst op til makroskopiske klumper. Disse begyndte langsomt at falde sammen under deres egen tyngdekraft og dannede med tiden galakser. De oprindelige mikroskopiske klumper havde kun en tæthed som var 1 / større end middeltætheden i Universet. Men Universet er uhyre gammelt, så i løbet af adskillige hundrede mio. år kunne disse kim vokse og blive til de første proto-galakser. Med andre ord har kimene til de allerstørste strukturer i Universet rod i det allermindste, nemlig de mikroskopiske områder i de første brøkdele af Universets historie! Proto-galakser var små, afgrænsede klumper af mørkt stof plus brint og helium gas. Gassen i disse klumper blev gradvis omdannet til stjerner, og DET MØRKE UNIVERS 2004/1 37

5 6. Lyset fra kosmiske fyrtårne fortæller os om Universets struktur og Universets indhold. Pga. Universets udvidelse, bliver alle lysbølger udsendt fra et kosmisk fyrtårn strakt ud, dvs. de bliver mere røde på vej til Jorden. Universets udvidelseshastighed og geometri bestemmer hvor stor denne rødforskydning af lyset er. Lyset fra et kosmisk fyrtårn (fx en supernova eller et gamma-glimt) afbøjes af galakser og galaksehobe på vej til Jorden (øverst). Passerer lyset gennem en støvsky, bliver det mere rødligt (nederst). resultatet ser vi i dag som galakserne i det lokale Univers. Ved at studere egenskaberne ved de første galakser (som de fjerne galakser der ses i Hubble Ultra Deep Field, forsiden), kan vi undersøge hvilke egenskaber det mørke stof har. KOSMISK STØV I rummet mellem stjernerne findes bittesmå støvkorn. Ikke i form af nullermænd, men som korn af silicium, kulstof mv. der typisk er meget mindre end 1 mm i størrelse. Når lys passerer gennem et område med støvkorn, spredes og absorberes lyset. Kigger vi langt ud i Universet har det derfor stor betydning at vide hvor meget og hvilken slags støv som befinder sig mellem os og det objekt vi kigger på. Hvis der er tilstrækkelig meget støv, kan vi slet ikke se objektet, mens en mindre mængde støv får objektet til at se mere rødt ud (fig. 6). Når vi bruger fx supernovaer som lyskilder til at studere Universet, er det derfor helt nødvendigt at have styr på hvad støvet gør ved det udsendte lys. Heldigvis er Universet overordnet set ikke noget særlig støvet sted. Det skyldes dels at der ikke er særlig mange af de grundstoffer til rådighed som støvkorn kan dannes af, og dels at det faktisk er sværere at danne støv end man umiddelbart skulle tro. På Jorden har man fornemmelsen af at støv kommer helt af sig selv, men i Universet får man kun dannet støv de steder hvor tryk og temperatur er gunstige for at få de enkelte atomer til at kunne sætte sig sammen og danne støvkorn (fig. 7). Det var først ved afslutningen af de første stjerners liv, at støv kunne dannes i Universet. Hvor effektive den første generation af stjerner var til at danne støv, er vi i dag ikke helt sikre på, da det i høj grad afhænger af hvilke typer stjerner der blev dannet først. Formentlig var det meget tunge stjerner der hurtigt endte deres dage som supernovaer. Hvor meget støv de har dannet, afhænger dels af hvor mange tunge grundstoffer stjernerne har produceret gennem deres liv, og dels af hvor gunstige forholdene var i form af det rette tryk og de rette temperatur forhold, og ikke mindst af hvor mange processer der har været ødelæggende for støvet i det tidlige univers. Ud over at støvdannelsen har betydning for fortolkningen af vores observationer af Universet, er støvets historie vigtigt for at forså vores egen oprindelse. Støvkornene er nemlig kimen til dannelse af planeter som Jorden. 38 1/2004 DET MØRKE UNIVERS

6 7. Katteøje-tågen er resterne af en døende stjerne på størrelse med Solen. Stjernen mister i løbet af flere tusinder år sine yderste varme lag som en stjernevind der blæser stof væk fra stjernen og lyser op i komplekse mønstre. I stjernevinden dannes støv som med tiden spredes i rummet mellem stjernerne. (NASA, ESA, HEIC, and the Hubble Heritage Team (STSci/AURA) GAMMA-GLIMT For at aflure Universet dets mysterier vil vi gerne se hvordan det ser ud i de allerfjerneste afkroge. Her er supernovaer ikke klare nok. I stedet må vi ty til Universets klareste objekter, gammaglimt (fig. 8). Gamma-glimt blev først opdaget i 1960 erne ved et tilfælde. USA, USSR og andre havde underskrevet Nuclear Test Ban Treaty, og for at holde øje med at USSR ikke brød den, opsendte USA Vela spionsatellitterne for at se efter gamma-stråling fra eventuelle atomprøvesprængninger på Jorden. De så ikke noget bortset lige fra nogle underlige intense glimt fra uforudsigelige steder på himlen. I dag ved vi at nogle gamma-glimt opstår når meget tunge stjerner dør og eksploderer. Samtidig med at der dannes en meget lysstærk supernova, udsendes højenergetisk stråling i snæv- DET MØRKE UNIVERS 2004/1 39

7 re stråler i to retninger. Hvis en af strålerne tilfældigvis rammer Jorden, ser vi det som et gamma-glimt. Disse glimt er så klare at vi kan se dem, på mere end 10 mia. lysårs afstand. Dvs. de blev udsendt da Universet kun var et par mia. år gammelt. Med opsendelse af Swift gammaglimt-satellitten i november 2004 kan vi nu bruge gamma-glimt til at udforske nogle af de første galakser der blev dannet, og til at oplyse hvad Universet gemmer af interessante objekter og støv på lysstrålernes mia. af år lange færd mod Jorden. Endelig kan vi håbe at bruge gamma-glimt på samme måde som supernovaer til at studere den mørke energi. KOSMISKE FYRTÅRNE Der er mange forskellige og interessante objekter i Universet. En stor del af astrofysikeres anstrengelser er møntet på at forstå den detaljerede fysik i planeter, stjerner, galakser mm. Men for at forstå Universets overordnede egenskaber og besvare de store spørgsmål nævnt i introduktionen til denne artikel behøves faktisk kun kendskab til nogle få egenskaber ved objekternes lysudsendelse. Fx udsender nogle supernovaer altid en bestemt mængde lys, når de lyser klarest. Ved at sammenholde dette med den mængde lys vi modtager på Jorden fra supernovaer i forskellige afstande, kan vi direkte måle hvor meget mørk energi Universet indeholder. De kraftigst lysende objekter (supernovaer og gamma-glimt) kan vi se meget langt væk. Observationer af sådanne kosmiske fyrtårne er derfor et unikt redskab til at kortlægge Universet på den helt store skala (fig. 6). Ved at bruge disse ekstreme objekter som lyskilder, kan der kastes lys over det mørke univers selv i de fjerneste afkroge. 8. Illustration af en eksploderende stjerne der giver anledning til et gamma-glimt. I løbet af få sekunder sprænges stjernen i stumper og stykker, og hvis en af de to lysstråler peger mod Jorden, ser vi et gamma-glimt på himlen. (NASA/SkyWorks Digital) 40 1/2004 DET MØRKE UNIVERS