2 7/8/2005 SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI

SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI En af de mest opsigtsvækkende opdagelser inden for astronomien er at Universet udvider sig (fig. 1). Det var den amerikanske astronom Edwin Hubble der i 1920 erne fandt at fjerne mælkeveje, galakser (boks 1) bevæger sig væk fra os. Dette skyldes ikke at vi befinder os et særligt sted i Universet. En observatør i en hvilken som helst Af Jesper Sollerman, Anja C. Andersen, Johan P.U. Fynbo, Jens Hjorth & Kristian Pedersen anden galakse vil også se alle andre galakser fjerne sig. Eftersom alle galakser bevæger sig væk fra hinanden, må de en gang have været meget tættere på hinanden. Dette resultat førte til ideen om et Big Bang hvor Universet, og alt hvad det indeholder, blev skabt på et splitsekund. Der er i dag mange tegn på at Universet blev til for omkring 14 mia. år siden, og at det lige efter Big Bang var meget mindre, tættere og varmere. Big Bang UNIVERSETS UDVIDELSE Big Crunch Universet nu Evig udvidelse 1. Universets udvikling og fremtid. Siden Big Bang for ca. 14 mia. år siden har Universet udvidet sig, men hvad sker der i fremtiden? Hvis udvidelsen fortsætter for evigt, bliver Universet mere tomt, koldt og øde. Hvis udvidelsen stopper, og Universet falder sammen igen, vil det ende med et omvendt Big Bang; et Big Crunch, hvor alt i Universet samles i en gigantisk implosion. Tid Da Hubble offentliggjorde sine resultater i 1929, var erkendelsen af Universets udvidelse langtfra indlysende. Opfattelsen var dengang, baseret på datidens observationer og viden, at Universet var i hvile og ikke ændrede størrelse. Men det viste sig at Universets udvidelse passede godt ind i de teoretiske modeller af Universet som kunne skabes ud fra Albert Einsteins almene relativitetsteori fra 1915. Da Einstein anvendte sin teori for tid og rum på hele Universet, fandt han til sin forbløffelse kun modeller hvor Universet udvider sig eller trækker sig sammen. For at få modeller med et Univers i hvile, måtte han introducere en konstant i ligningerne den kosmologiske konstant. Einstein har senere kaldt dette for sit livs fejltagelse. Havde han accepteret de første og simpleste modeller, kunne han have forudsagt at Universet ikke 2 7/8/2005 SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI

er hvile. Men dette er selvfølgelig efterrationalisering: Uden noget bevis på at Universet ændrer størrelse, ville sådan en teori på det tidspunkt næppe have vundet mange tilhængere. Einsteins kosmologiske konstant har dog vist sig at være sejlivet, og den er i de seneste år blevet aktuel igen. Nu bare i en ny forklædning under navnet mørk energi det vender vi tilbage til. Galakse: Samling af stjerner, gas, støv og mørkt stof. Vores egen Mælkevej er en typisk galakse med omkring 100 mia. stjerner og en udstrækning på ca. 100.000 lysår (den afstand lyset rejser på et år = ca. 10 mio. mio. km). UNIVERSETS SKÆBNE Hvad er Universets skæbne? Vil udvidelsen vare ved (fig. 1)? Inden for rammerne af Einsteins teori er disse spørgsmål ganske ligetil at undersøge. Hvis der er nok stof i Universet, vil tyngdekraften bremse udvidelsen og på et tidspunkt få Universet til at begynde at trække sig sammen. Som følge heraf, i en meget fjern fremtid, vil hele Universet falde sammen i en slags omvendt Big Bang et Big Crunch. På den anden side, hvis der ikke findes nok stof i Universet, så vil udvidelsen fortsætte for evigt. Universet vil derfor blive mere og mere tomt, koldt og mørkt. Det er ikke så let direkte at veje hele Universet, dvs. at måle hvor meget stof der findes. I stedet kan man forsøge at se hvordan Universets udvidelseshastighed ændres med tiden. Astronomer har jo hele tiden adgang til en slags tidsmaskine da vi altid ser det fjerne univers som det var for længe siden. Når vi observerer en galakse 10 mia. lysår væk, ser vi den som den var for 10 mia. år siden. Med den viden bliver opskriften på at forstå Universets skæbne enkel. Det første der gøres, er at observere med hvilken hastighed Universet udvider sig lige nu, dvs. tæt på os selv. Dernæst kikkes på det fjerne univers. Hvid dværg: Er den kompakte rest efter en gammel, udbrændt stjerne. Solen ender sine dage med at kaste sine yderste lag stof bort, og tilbage bliver en hvid dværg. Et snapseglas stof fra en hvid dværg vejer omkring 1 ton. Supernova: Er den gigantiske eksplosion af en stjerne der ender sit liv. En supernova udsender lige så meget lys som milliarder af sole tilsammen. En hvid dværg der fra en nabostjerne tiltrækker stof så dens masse overstiger 1,4 gange Solens masse, bliver ustabil og eksploderer som det der kaldes en type Ia supernova. Disse supernovaer udmærker sig ved at de alle udsender næsten samme mængde lys når de lyser klarest. Derfor er de velegnede som standard-lyskilder. BOKS 1: NOGLE INTERESSANTE OBJEKTER I UNIVERSET SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI 2005/7/8 3

Afstand = 1 Lysstyrke = 1 Afstand = 2 Lysstyrke = 1/4 Afstand = 3 Lysstyrke = 1/9 2. Sammenhængen mellem afstand og målt lysstyrke for en standard-lyskilde. Jo længere væk lyskilden er, des mindre af det udsendte lys modtager vi på Jorden. Er Jorden dobbelt så langt væk fra lyskilden, bliver lyset spredt ud på et areal der er 2 2 = 4 gange større, dvs. den målte lysstyrke bliver 4 gange mindre. Er Jorden 3 gange så langt væk fra lyskilden, bliver lysstyrken 3 3 = 9 gange svagere osv. Størrelsen af ét kvadrat illustrerer hvor meget lys vi modtager på Jorden. På den måde studerer man med hvilken hastighed udvidelsen foregik for længe siden. Hvis Universet indeholder en masse stof som bremser udvidelsen, burde udvidelsen jo have gået betydeligt hurtigere før i tiden. Tilbage står altså bare at måle udvidelsen på flere tidspunkter i Universets historie skulle man tro! Men på trods af at dette har været klart siden Hubbles dage, har det i praksis vist sig svært at måle hvordan udvidelseshastigheden ændrer sig med tiden. Problemet ligger i at måle afstande i Universet. Der findes ingen simpel måde at gøre det på. STANDARD-LYSKILDER SOM AFSTANDSMÅL I 1960 erne blev der, ved at observere lysstærke galakser, gjort ihærdige forsøg på at måle Universets udvidelseshastighed. For at kunne se helt ud til store afstande var det nødvendigt med meget kraftige lyskilder. Astronomerne blev i 1960 erne nødt til at antage at galakser af samme type altid lyser lige meget, for på denne måde kunne de vha. de observerede lysstyrker af disse galakser bestemme deres afstande til Jorden. Antages det at alle de galakser vi kikker på, udsender præcis lige meget lys, er den mængde lys vi modtager fra én galakse i én afstand fire gange større end den mængde lys vi modtager fra en anden galakse i den dobbelte afstand (fig. 2). Med den centrale antagelse om at galakserne udsender samme mængde lys, kunne den målte lysstyrke af galakserne bruges til at bestemme deres afstand. På denne måde var det muligt at sammenligne hvor hurtigt galakserne bevægede sig på store afstande (svarende til for længe siden) med hvor hurtigt galakser bevæger sig tættere på Mælkevejen (svarende til i dag). Resultaterne fra dengang var ikke entydige og i dag ved vi at de var helt forkerte. Det har nemlig vist sig at galakser overhovedet ikke kan bruges som afstandsmålere, fordi galakser og dermed det lys de udsender udvikler sig med tiden. Gennem Universets 14 mia. år lange historie ændrer de deres lysudsendelse en hel del. De galakser vi ser tæt på os, udsender ikke samme mængde lys som de fjernere galakser. Da galakser således ikke er standardlyskilder kan vi ikke bruge deres lys til at måle nøjagtige afstande i Universet med. Astronomerne bruger i dag i stedet supernovaer til at måle afstande med, fordi supernovaer har vist sig at være gode standard-lyskilder. SUPERNOVAER SOM STANDARD-LYSKILDER En supernova af typen Ia (boks 1) er en gigantisk eksplosion af en speciel slags stjerne, en såkaldt hvid dværg. Denne er på størrelse med Jorden, men kan veje mere end Solen. Tætheden af stof i et sådant bizart objekt er derfor helt ufattelig: Et snapseglas af stoffet vejer omkring 1 ton. 4 7/8/2005 SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI

3. En nær supernova på himlen. En supernova i Solens omegn vil i nogle dage overstråle alle andre stjerner på himlen. Dette er kunstneren Tunç Tezel opfattelse af hvordan det ser ud. (Tunç Tezel) En hvid dværg kan ikke have en hvilken som helst masse; den vejer op til 1,4 gange mere end Solen. Lægger man yderligere masse til, bliver stjernen ustabil og detonerer til sidst som en gigantisk brintbombe hvorved hele stjernen sprænges itu. En sådan supernova-eksplosion kan ses vidt omkring, og selv efter flere dage kan den eksploderende stjerne lyse lige så stærkt som alle de andre milliarder af stjerner i en galakse tilsammen (fig. 3). Det der gør denne type supernova særlig anvendelig som standard-lyskilde, er at de altid er lige tunge (1,4 solmasser) når de eksploderer. Lyset fra supernovaeksplosionen kan dermed bruges som en standard-lyskilde. DANSKERE PÅ SUPERNOVA-JAGT Supernovaer er imidlertid ganske sjældne. I en typisk galakse som vor egen Mælkevej, eksploderer der blot en enkelt supernova ca. hvert 500 år. Tycho Brahe opdagede i 1572 en supernova i stjernebilledet Cassiopeia, og hans artikel om denne nye stjerne på himlen, Stella Nova, gjorde ham verdensberømt (fig. 4). Den seneste supernova-eksplosion som er blevet observeret i Mælkevejen, var Keplers supernova i 1604. Efter nogle ugers opblussen bliver supernovaen usynlig (fig. 5A & 5B). Det gælder altså om at observere standard-lyskilden i en fart! Inden for dette område var danske astronomer pionerer. Ved brug af det danske 1,5-meter teleskop på La Silla i Chile søgte de efter fjerne supernovaer i galaksehobe. Det krævede to års møjsommelig eftersøgning før det i 1989 lykkedes for Hans Ulrik Nørgaard Nielsen, Henning Jørgensen og Leif Hansen at finde en supernova af den rette type i en fjern galakse. Det var et stort fremskridt at de kunne påvise at man overhovedet kunne finde meget fjerne supernovaer. Men det var også en skuffelse. Hvis to års observationer gav en enkelt supernova, ville det tage en menneskealder at finde tilstrækkeligt mange supernovaer til at kunne måle Universets udvidelseshastighed. Projektet blev derfor stoppet. SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI 2005/7/8 5

astronomiske kameraer, blevet tilstrækkeligt gode til at forsøge igen. Samme type CCD-detektorer som kostede millioner af kroner i 1980 erne findes nu i ethvert digitalkamera. Med CCD-kameraer, som kunne fotografere et stort område af himlen på ét billede, øgedes chancen for at opdage en supernova betragteligt. Bevæbnet med disse nye kameraer gik to store internationale forskerhold i gang med at lede efter supernovaer. Store resurser er nødvendige for at opnå et godt resultat. De største kikkerter i verden blev taget i brug for at finde og studere fjerne supernovaer (fig. 6). Ved jævnligt at gennemsøge en større bid af himlen kan man finde nye lysende objekter i det fjerne univers. Nærmere studier af disse objekter viser om det virkelig drejer sig om den rette type supernova. Måling af en supernovas lysstyrke og dermed dens afstand samt den hastighed med hvilken den bevæger sig væk fra os kan derefter anvendes til at måle Universets udvidelse. MØRK ENERGI FÅR UNIVERSETS UDVIDELSE TIL AT ACCELERERE 4. Tycho Brahes skitse af Stella Nova. Den 11. november 1572 opdagede Tycho Brahe en ny stjerne i stjernebilledet Cassiopeia (markeret med I på skitsen). I dag ved vi at Stella Nova var en døende stjerne, en supernova der eksploderede og lyste kraftigt op i en måneds tid. NYE FORSØG PÅ AT FINDE FJERNE SUPERNOVAER Men den teknologiske udvikling går heldigvis også hurtigt inden for astronomien. Nogle år senere var specielt de elektroniske detektorer som anvendes i Al form for stof udøver en tyngdetiltrækning på resten af Universet, og det vil derfor virke opbremsende på Universets udvidelse. Hvis Universet udvider sig langsommere og langsommere, må det forventes at de fjerne supernovaer (hvis lys blev udsendt for længe siden) bevæger sig hurtigere væk fra os end de nære supernovaer (hvis lys blev udsendt for nylig). Men Universet opfører sig ikke som man skulle forvente efter lærebøgerne. Resultatet fra de to uafhængige forskerhold, der studerede supernovaer, viste det stik modsatte af en opbremsning af Universets udvidelse; nemlig at udvidelsen går hurtigere og hurtigere. Dette betyder at universets udvidelse accelererer! Disse målinger, som blev offentliggjort i 1998, tog den astronomiske 6 7/8/2005 SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI

A B 5. A: røntgenbillede af de gloende rester fra Stella Nova som den ser ud i dag. Farverne viser stof ved forskellige temperaturer: rød: 3-10 mio. C, grøn: 10-27 mio. C, blå: 27-70 mio. C. Billedet der er taget af Chandra X-ray Observatory, er ca. en sjettedel grad stort og er for neden skåret af pga. kameraets begrænsede synsfelt. B: billede optaget af Hubble Space Telescope i synligt lys af den centrale del af røntgenbilledet af Stella Nova. Der er kun fragmenter tilbage af den oprindelige stjerne, og de er endnu så varme at de ikke udsender synligt lys, men stort set kun energirig røntgenstråling. (A: NASA/CXC/SAO, B: NASA/ESA & P. Ruiz-Lapuente, Barcelona Universitet) verden med storm. Ingen havde forventet noget sådant. Universets accelererende udvidelse peger på at der findes en slags anti-tyngdekraft som i mangel af et bedre navn kaldes for mørk energi. Einsteins kosmologiske konstant er én model for den mørke energi, men det kan også være at svaret skal findes et helt andet sted. At forstå hvad den mørke energi virkelig er, ligger nu allerøverst på ønskesedlen hos alverdens astronomer og fysikere. Lige siden 1998 har astronomer forsøgt at forstå dette mærkelige resultat. Supernova-astronomerne har ledt efter eventuelle fejlfortolkninger i observationerne. Måske er supernovaerne alligevel ikke standard-lyskilder? Måske A B C D E F 6. Supernovaer i fjerne galakser. Tre før (A, B og C) og tre efter (D, E og F) billeder taget af Hubble Space Telescope af meget fjerne galakser hvor supernovaer er opdaget (pile). Selv Hubble Space Telescopes eminente syn afslører kun den grove struktur af disse fjerne galakser med supernovaer derfor er billederne meget pixelerede. De befinder sig i en afstand på ca. 7 mia. lysår. (A. G. Riess (STSci) m. fl., NASA) SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI 2005/7/8 7

bevirker kosmisk støv at supernovaerne ser svagere, og dermed fjernere, ud end de i virkeligheden er? Måske vil fremtidige observationer vise at det relativt lille antal supernovaer man hidtil har set, ikke er repræsentativt? Men efter flere års systematiske og gentagne undersøgelser af supernovaresultaterne synes disse dog at være holdbare. Faktisk har observationer af flere supernovaer kun gjort resultaterne endnu mere pålidelige. Hvordan ser Universets fremtid da ud? Det kan vi ikke sige med sikkerhed. Det beror i høj grad på den A B Lysstyrke LILLE UNIVERS, HVAD NU? 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 mørke energis egenskaber, og derom ved vi endnu meget lidt. I det simpleste scenario ændrer den mørke energi sig ikke med tiden. Det indebærer at den bliver vigtigere og vigtigere for Universets udvikling da udvidelsen gør at stoffet tyndes ud. I et sådant scenario bliver Universets udvidelse ved med at accelerere. Galakser farer længere og længere fra hinanden, og Universet bliver i fremtiden et koldt, tomt og mørkt sted (fig. 1). Men måske forandres den mørke energis egenskaber med tiden, og Universets udvikling ændres. Mange astronomer finder det lige mærkeligt nok hvis den mørke energi er konstant. Det vil betyde at fremtidens Univers vil være helt domineret af 0,0-20 0 20 40 60 Antal dage efter eksplosion 7. A: billedeserie af supernovaen 1997cj (den blå-hvide plet) og den centrale del af den fjerne galakse som supernovaen er en del af (den diffuse grå plet). B: lysstyrken for en typisk supernova som den ændrer sig i tiden lige før og efter eksplosionen. (J. Sollerman m.fl.) mørk energi. Det vil også betyde at den mørke energi var helt ubetydelig i Universets barndom. I det tidlige Univers var det normale stof meget tættere, og dette gjorde at tyngdekraften fra dette stof dominerede over den mørke energis anti-tyngdekraft. ESSENCE-PROJEKTET At forstå den mørke energis egenskaber og frem for alt om de virkelig er uændrede med tiden, er hovedformålet med det igangværende ESSENCEprojekt (Equation of State: Sup- ErNova trace Cosmic Expansion). Målet er over fem år at finde og undersøge mere end 200 fjerne supernovaer. Med så mange observationer vil det blive muligt at indsnævre de mulige teorier om beskaffenheden af den mørke energi. Til observationerne anvendes 4-meter kikkerten på Cerro Tololo i den chilenske Atacama ørken. Hveranden klare, mørke nat i løbet af efteråret fotograferes flere store områder på himlen, og billederne sammenlignes straks med tidligere nætters billeder for at finde de nye supernovaer (fig. 7). Kraftige computere og avancerede computerprogrammer anvendes til hurtigt og effektivt at sammenligne billederne, men til syvende og sidst afgør det menneskelige øje hvilke objekter der ser ud som de bedste supernova-kandidater. Disse studeres dernæst i detalje med de allerstørste teleskoper i verden. Hovedforfatteren til denne artikel har arbejdet med ESSENCE-projektet siden dets start. I de kommende år vil den mørke energi således blive kortlagt, blandt andet vha. resultaterne fra ESSENCE-projektet samt med 8 7/8/2005 SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI

Positiv krumning Negativ krumning Ingen krumning = Flad Universer med forskellig krumning. Den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling er en kold rest fra Universets hede ungdomsår. Opdagelsen i 1965 af denne svage reststråling blev belønnet med Nobelprisen. I dag giver baggrundsstrålingen en fantastisk mulighed for at studere Universets barndom. Observationer viser at baggrundsstrålingen kommer fra alle retninger på himlen, og at den er lige varm (eller snarere kold, 270 C) i alle retninger. Men der er dog små bitte variationer i temperaturen. Disse mikroskopiske temperaturvariationer skyldes klumper i fordelingen af stof omkring 300.000 år efter Big Bang. Detaljerede studier af temperaturvariationerne har bidraget med viden om Universets overordnede egenskaber og udvikling. Det allervigtigste resultat er at krumningen af Universet ser ud til at være meget lille. Universets tredimensionelle geometri er med andre ord flad. Meget energi giver et univers med krumning som en kugle (positiv krumning). Lidt energi giver et univers med krumning som en cykelsaddel (negativ krumning) (se figur). Et univers med en tilpas mængde energi giver ingen krumning et fladt univers. Temperaturvariationerne i den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling viser at Universet er fladt, men det stemmer ikke rigtigt med den målte mængde af stof i Universet. Ifølge Einstein repræsenterer stof jo en vis energi, E = m c 2, hvor m er massen af stoffet. Alt kendt stof som vi har set eller på anden vis målt tilstedeværelsen af, bidrager kun med ca. en tredjedel af den energi der skal til for at få et fladt univers. Der mangler altså 70% energi for at få regnskabet til at gå op, og det er her, den mørke energi kommer ind i billedet. Kun ved at tilføje 70% mørk energi kan vi opnå et konsistent billede af Kosmos. Denne energi fungerer som en slags anti-tyngdekraft, som får Universets udvidelse til at accelerere. Mørk energi påvirker Universets krumning på samme måde som energien i almindeligt stof. Tilsammen giver det præcis den mængde energi i Universet, der skal til for at få en flad geometri. BOKS 2: UNIVERSET ER FLADT undersøgelser af den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling (boks 2). I dag ved vi meget mere om Universet end for bare 10 år siden. Vi har et billede der stemmer overens med flere uafhængige observationer af Universet. På den anden side er der mange ubesvarede spørgsmål. Dagens Univers består af 70% mørk energi og vi har ingen anelse om hvad det egentlig er. Det er afgjort meget spændende tider for os astronomer. SUPERNOVAER KASTER LYS OVER MØRK ENERGI 2005/7/8 9