24-årig dansk studerende står bag »genialt« studie af kosmisk sammenstød

For 140 millioner år siden - mens dinosaurerne traskede rundt på Jorden – skete der et vanvittigt sammenstød i en fjern galakse.

To ekstremt tunge og kompakte stjerner – såkaldte neutronstjerner – hamrede ind i hinanden, og snart efter opstod en gigantisk ildkugle.

Igennem millioner og atter millioner af år rejste signalet fra det kosmiske sammenstød gennem rummet, og da det nåede Jorden i 2017, medførte det jubel og breaking news i fysikkens verden. Som noget helt banebrydende havde man nemlig målt et særligt signal, kaldet tyngdebølger, fra sammenstødet.

I dag vækker det ekstreme sammenstød mellem neutronstjernerne endnu engang opsigt blandt fysikere.

For sammen med en række danske og internationale forskere har en ung, dansk fysikstuderende gransket data fra kollisionen og opdaget, at fænomenet slet ikke ser ud, som vi havde forventet.

»Det smukke er, at det er så simpelt.«

»Hele ideen bag studiet er genial. Så genial, at jeg tænker: ’øv, hvorfor var det ikke mig der fik den’,« siger Giorgos Leloudas, som er seniorforsker og astrofysiker ved Danmarks Tekniske Universitet, til Videnskab.dk.

»Det smukke er, at det er så simpelt. Og data har ligget foran os alle i fem år, men der er bare ingen andre, som har fået ideen.«

Ideen om at granske det kosmiske sammenstød på ny opstod på Niels Bohr Institutet i København.

Lektor Darach Watson havde tidligere beskæftiget sig med det berømte neutronstjernesammenstød, og her havde han spottet, hvad han selv betegner som, »noget mærkeligt« i data fra sammenstødet.

Et kosmisk biluheld

Han foreslog derfor fysikstuderende Albert Sneppen at kigge nærmere på de mærkelige data.

Den unge fysikstuderende havde i forvejen en usædvanlig historik, idet han allerede som studerende havde fået to studier udgivet i anerkendte videnskabelige tidsskrifter – det ene om sorte huller og det andet om global opvarmning.

I sit speciale kastede Albert Sneppen sig nu over neutronstjernesammenstødet, og snart efter indikerede beregningerne noget højst uventet:

Det så ud til, at sammenstødet mellem de to stjerner udløste en eksplosion, som var kuglerund.

»Vi taler om et slags kosmisk biluheld, hvor to stjerner brager ind i hinanden. Vores opdagelse er, at den efterfølgende eksplosion er helt symmetrisk og rund. Det er nærmest en perfekt rund ildkugle, som vokser ud af sammenstødet, og det er helt anderledes end alle forudsigelser,« siger 24-årige Albert Sneppen, som netop er begyndt på en ph.d. på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Fra speciale til Nature

Historien om den perfekt runde ildkugle er i dag blevet trykt i et af verdens mest anerkendt videnskabelige tidsskrifter, Nature.

Et mildest talt usædvanligt sted at få resultater fra sit speciale publiceret.

»Det føles absurd privilegeret« siger Albert Sneppen om at være førsteforfatter på et studie i Nature.

»Men det har kun kunnet lade sig gøre, fordi jeg har en sindssygt dygtig vejleder, (Darach Watson, red.) og fordi vi har allieret os med internationale eksperter fra forskellige felter, som har bidraget med rigtig meget,« tilføjer han.

Men hvorfor er formen på en eksplosion fra et stjerne-sammenstød så vigtig, at Nature vil publicere historien?

Den vildeste og underligste fysik

Ifølge forskerne skyldes det, at fundet har en række vigtige perspektiver, som grundlæggende piller ved vores forståelse af universet og dets historie.

»Jeg tror, vi har fat i en meget dyb opdagelse, som siger noget grundlæggende om et miljø, som vi aldrig har forstået. Det fortæller os om fysik, som vi ikke kan se, og om energier, vi heller aldrig har set,« siger Albert Sneppen og fortsætter:

»Så vi lærer om den vildeste og underligste fysik ved at studere det her voldsomme sammenstød.«

For at forstå, hvor voldsomt sammenstødet er – og hvorfor det er uventet, at det udløser en perfekt rund ildkugle - spoler vi endnu engang tiden tilbage til dinosaurerne.

Burde være flad som en pandekage

For imens dinosaurerne opstod og herskede på Jorden, kredsede de to neutronstjerner i årevis om hinanden med voldsom hast.

»Igennem millioner af år kommer de langsomt tættere og tættere på hinanden. Til sidst spinner de rundt om hinanden 100 gange i sekundet, så de har bevæget sig ekstremt hurtigt, inden de er ramlet sammen,« siger Albert Sneppen.

Ud fra almindeligt kendte fysiske love og beregninger ville forskerne forvente, at det voldsomme sammenstød ville medføre en ujævn og temmelig flad eksplosionssky.

Computersimuleringer peger ifølge Albert sneppen på, at eksplosionen ville være »flad som en disk.«

En ukendt kilde til energi?

De nye beregninger går altså stik imod gængse teorier ved at netop at postulere, at eksplosionsskyen er kuglerund.

»De viser, at eksplosionen vokser og ekspanderer symmetrisk i alle retninger. Det var der ingen, som havde forventet – det er meget overraskende,« siger Giorgos Leloudas, som selv forsker indenfor samme felt, men ikke har været en del af det nye studie.

Indtil videre ved forskerne ikke, hvordan det kan lade sig gøre, at neutronstjerne-sammenstødet udløser en kuglerund eksplosionssky.

Deres bedste bud er, at der er en hidtil ukendt energikilde på spil i sammenstødet mellem neutronstjernerne.

»Den mest sandsynlige forklaring er, at der er rigtig meget energi til stede i kernen af eksplosion. Men hvor energien kommer fra er et mysterium,« siger Darach Watson, som er lektor på Niels Bohr Institutet og blandt de ledende kræfter bag studiet.

En sjælden opdagelse

På den måde mener forskerne, at den nye, kuglerunde opdagelse potentielt åbner for en ny forståelse af, hvad i alverden der sker, når to neutronstjerner støder sammen – et sammenstød, som blandt fysikere også kaldes for en kilonova.

Fænomenet er langt fra hverdagskost.

Samlet set har forskerne opdaget en lille håndfuld formodede kilonovaer, men det mest sikre bevis er netop neutronstjerne-sammenstødet, som helt sensationelt blev observeret i 2017 med tyngdebølger – læs mere her.

»Kilonovaer er så utroligt spændende, fordi vi i virkeligheden ved så lidt om dem. Men vi tror, at de har stor betydning for vores univers. Der er meget, som peger på, at de tungeste grundstoffer i universet bliver produceret af kilonovaer,« siger Giorgos Leloudas.

Skaber tunge grundstoffer og et sort hul

Mere præcist regner forskerne med, at kilonovaer står bag produktionen af grundstoffer, som er tungere end jern – det gælder eksempelvis guld, sølv, platin, jod, uran og plutonium.

Med andre ord kan guld fra din halskæde, jod i din krop eller uran fra en atombombe oprindeligt være blevet spyet ud fra et voldsomt sammenstød mellem to neutronstjerner – læs mere i denne artikel.

Sammenstødet skaber imidlertid ikke kun tunge grundstoffer. De to neutronstjerner ender efter kollisionen med at smelte sammen til et sort hul. Et ekstremt kompakt, tungt og gådefuldt objekt i rummet.

»Vores opdagelse siger en masse om fysikken, som er i spil, når et sort hul fødes,« siger Albert Sneppen.

»Det drejer sig om for eksempel om tyngdekraften og elektriske og magnetiske felter, som er notorisk svære at forstå.« Denne GIF viser kilonovaen, som fulgte efter, at et instrument kaldet LIGO opsnappede tyngdebølger fra neutronstjernesammenstødet 17. august 2017. 12 timer senere havde forskere identificeret kilden til begivenheden og rettede store teleskoper i retningen af kilonovaen, som befandt sig i galaksen NGC 4993. Her er det rumteleskopet Hubbles billedet af kilonovaen. Det lille indsatte billede viser, hvordan kilonovaen - efter at være svulmet op - svandt bort i løbet af seks dage. (Gif: NASA/ESA)

Sådan har forskerne gjort

Men hvordan kan forskerne overhovedet vide, at et fjernt stjerne-sammenstød på dinosaurernes tid udløste en kuglerund eksplosion?

Ingen forskere har direkte set den runde ildkugle, men forskerne har beregnet formen på den med to forskellige regne- og målemetoder.

Og netop fordi begge metoder peger på en kuglerund eksplosion, er deres resultater overbevisende, mener Giorgos Leloudas.

»I praksis har de brugt en metode, som man normalt bruger til supernovaeksplosioner (eksploderende stjerner, red.), men her har de overført metoden til en kilonova. Det smukke er, at det er en kendt og etableret metode, som de bruger på en ny måde,« siger Giorgos Leloudas.

Forskerne udnytter blandt andet lysets farve til deres beregninger, som du kan læse meget mere om i boksen under artiklen.

Men spørgsmålet er, hvad vi kan bruge den nye viden til?

Ny målemetode til universets udvidelse

Forskerne fortæller, at de faktisk allerede er i gang med næste skridt i forskningen, hvor de vil udnytte regnemetoderne på endnu et nyt felt: Nemlig spørgsmålet om, hvor hurtigt universet udvider sig.

I øjeblikket bruger kosmologien to forskellige regne- og målemetoder til at beregne hastigheden af universets udvidelse. Men de to metoder når frem til temmelig forskellige resultater, fortæller Albert Sneppen.

»Blandt astrofysikere er der stor diskussion om, hvor hurtigt universet udvider sig. Men vores resultater kan vi faktisk udnytte til at få en tredje og helt uafhængig metode til at måle på universets udvidelse,« siger Albert Sneppen.

I øjeblikket er forskerne netop ved at bruge deres resultater til at forsøge at lave nye beregninger af, hvor hastigt universet udvider sig.

For lektor Darach Watson er det mest spændende ved det nye fund imidlertid alt det, som vi endnu ikke forstår.

»Lige nu har vi ingen forklaring på, hvorfor eksplosionen ser ud, som den gør. Men vi tror, at det kan fortælle os noget fundamentalt om fysik. Og det er det virkelig spændende ved at opdage noget, som man ikke forstår,« slutter Darach Watson.