Der er ingen tvivl om, at astronomien er inde i en gylden tid. Der går ikke en uge, uden at Videnskab.dk kan berette om nye opdagelser, lige fra vores eget solsystem til fjerne galakser.
Denne gyldne tid skyldes ikke alene rumteleskoper som Hubble, men i mindst lige så høj grad observatorier her på Jorden. Hovedparten af den astronomiske forskning foregår stadig fra observatorier anbragt i fjerne ørkener eller på en bjergtop, og det vil ikke ændre sig i de kommende år.
Desuden er man ved at bygge nye teleskoper, der er så store, at de ofte kaldes for superteleskoper. De giver mulighed for at se helt tilbage til universets begyndelse og også lede efter exoplaneter, hvor der er mulighed for liv.
Fremtidens astronomiske forskning vil foregå i et partnerskab mellem teleskoper ude i rummet og superteleskoper her på Jorden. I denne artikel vil vi se på de nye superteleskoper, og hvorfor vi ikke bare kan nøjes med teleskoper ude i rummet.
Rumteleskoper og deres begrænsninger
Det er også korrekt – Jordens atmosfære blokerer for langt det meste af den stråling, der kommer fra rummet. Vi kan stort set kun se universet i synligt lys og i et begrænset område af radioområdet.
Ude i rummet er der fri adgang til al slags stråling, og vi forstyrres heller ikke af lufturo eller dårligt vejr. Så det er klart, at rumobservatorier har nogle helt enestående fordele.
Forklaringen på, at rumteleskoper ikke bare helt har overtaget den astronomiske forskning, kan du læse i boksen under artiklen med overskriften ‘Astronomiens mange opgaver’.
Der er så meget at undersøge derude i det store univers, at det slet ikke kan klares med de få rumteleskoper, som vil blive opsendt de kommende år.
Fremtiden tilhører et samarbejde mellem rumteleskoper og store observatorier her på Jorden. Der er områder, hvor vi slet ikke kan undvære rumteleskoper – som observationer af røntgenstråling der viser os nogle af mest voldsomme processer i universet.
Til gengæld er rumobservatorier ved at miste deres store fordel ved observationer i synligt lys. Vi har jo set, at Hubble kan tage nogle helt fantastiske billeder, men hvad der er mindre kendt, er at med en ny teknik kan man tage næsten lige så gode billeder her fra Jorden.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient’er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen ‘Det levende Univers‘ og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet ‘Stubberne’.
Teknikken bag superteleskoperne
Det andet gennembrud er helt nye måder at bygge meget store spejle med diametre på 25-40 meter.
I dag er alle store teleskoper spejlteleskoper, og der gælder den simple regel, at store spejle kan se svagere stjerner og galakser end teleskoper med små spejle, og dermed også se længere ud i rummet.
I dag har langt de fleste astronomiske teleskoper spejle på 2-10 meter, og selv Hubble-teleskopet har et spejl på bare 2,4 meter.
Da et astronomisk spejl skal slibes med en nøjagtighed på få nanometer, er det naturligvis meget vigtigt, at spejlet ikke ændrer sin form, når teleskopet drejes, eller temperaturen ændres. Indtil omkring 1980 regnede man med, at det bedst kunne ske ved, at spejlet skulle være baseret på en tyk og tung glasblok, som så blev slebet med uhyre præcision.
Med den teknik kunne man nå op på 5 meter store spejle, som det på Mount Palomar-observatoriet i Californien, der blev skabt ud fra en 18 ton tung glasblok. Dette spejl blev færdigt i 1949.
Præcision ned til fire nanometer
Der skulle så gå mere end 30 år, før man omkring 1980 begyndte at bygge meget tynde spejle, som ikke selv kunne holde formen, men hvor man med computer kan justere spejlets form. Det sker med såkaldte aktuatorer, som bedst kan beskrives som små motorer eller donkrafte under spejlet.
Man måler hele tiden, hvor meget spejlet afviger fra den ønskede form, når teleskopet drejes eller temperaturen ændres, og så klarer computeren og aktuatorerne resten.
Med denne ny teknik kom man hurtigt op på otte meter store spejle, men nu blev grænsen sat af, at det er uhyre vanskeligt at transportere så store spejle til et fjernt observatorium med tog eller bil.
Så næste skridt var at bygge det, man kalder segmenterede spejle. Det er spejle, som er opbygget af et stort antal mindre spejle, der tilsammen kan virke som et stort spejl, der så kan samles på stedet.
Et godt eksempel er de to Keck-teleskoper på Hawaii, som blev taget i brug i 1993 og 1996. Hvert af de store spejle på 10 meter er opbygget af 36 mindre sekskantede spejle på 1,8 meter, som med computerteknik holdes på plads med en nøjagtighed på bare 4 nanometer.
Men de nye superteleskoper med spejle på 25 meter og har derover krævet endnu en teknisk revolution. For hvad nytter selv det bedste spejl, når lufturoen gør det umuligt at tage skarpe billeder?
Dårlig vejr gør det svært at forske
Ud over skyer og dårligt vejr, så har astronomiens største problem altid været atmosfæren. Man skal være meget omhyggelig med at vælge, hvor et observatorium skal bygges for at få en så rolig og klar luft, at man kan drive seriøs forskning.
Det er bestemt ikke noget tilfælde, at Europa har flyttet mange af sine observatorier til en højtliggende ørken i Chile, og at de store amerikanske observatorier enten ligger i ørkenstater som Arizona eller på en bjergtop på Hawaii.
Men selv på de bedste steder er der lufturo, som opstår, fordi atmosfæren er fuld af lommer med varm og kold luft, som bevæger sig mellem hinanden. Disse luftlommer virker nærmest som små linser, og da den måde de afbøjer lyset på, afhænger af temperaturen, så er det meget vanskeligt at få et skarpt billede af en stjerne.
Kunstige stjerner løser problemet
Løsningen på problemet er den såkaldte Adaptive Optik. Den virker ved hele tiden at overvåge atmosfærens præcise tilstand. Det sker flere tusinde gange i sekundet, og de indsamlede data bruges til hele tiden at justere formen på et specielt spejl, så man stort set kan ophæve virkningen af lufturoen.
Atmosfærens tilstand måles ofte med kunstige såkaldte Guide Stars. For at måle atmosfærens tilstand skal man bruge en forholdsvis klar stjerne meget tæt på det område på himlen, man vil observere. Det er sjældent, at naturen selv leverer en sådan stjerne, så derfor skaber man kunstige stjerner med brug af lasere.
En meget anvendt teknik er at sende en laserstråle med en bølgelængde på 589 nanometer op i atmosfærens øverste lag 50-80 kilometer oppe. Laserlyset anslår natriumatomer, så de begynder at lyse, og på den måde har man skabt sin egen lille kunstige stjerne, der sender lys tilbage til Jorden.
Ved hele tiden at måle, hvordan dette lys modtages, kan man få information om lufturoen, og på den måde justere spejlene så de ophæver virkningen af lufturoen under observationerne.
Resultaterne med brug af adaptiv optik har været så gode, at man nu er meget tæt på at kunne få den samme billedkvalitet her fra Jorden som fra et rumteleskop som Hubble.
Der bygges for tiden mange store teleskoper, og her vil vi se på fire af de største.
ELT – Verdens største teleskop
Efter planen vil Europa i 2025 sende det første lys, ind i hvad der bliver verdens største teleskop med et spejl på ikke mindre end 39 meter. Navnet ELT afspejler størrelsen, da bogstaverne står for Extremely Large Telescope.
Dette teleskop vil på mange områder bogstavelig talt give baghjul til rumobservatorierne. Det enorme spejl har et areal, som er 256 gange større end Hubble-spejlets areal. Og det giver naturligvis muligheder for at observere meget svage kilder i store afstande, herunder de første stjerner og galakser i universet.
Spejlet er bygget med al den moderne teknik, man har til rådighed. Det består af ikke mindre end 798 sekskantede spejle på hver 1,8 meter og med en tykkelse på bare 5 centimeter.
Naturligvis holdes spejlene på plads af et computerstyret system. Det sker med tre små ’donkrafte’ under hvert spejl, hvilket giver et samlet antal på ikke mindre end 2394 aktuatorer.
Hver dag udtager man to af de små spejle for at give dem ny belægning, så man altid sikrer sig, at det store spejl har en så høj kvalitet som muligt.
Inden lyset fra rummet når frem til instrumenterne, er det blevet reflekteret af ikke mindre end fire spejle ud over det store hovedspejl. To af disse spejle kan lynhurtigt ændres, så de hele tiden modvirker virkningen af lufturo – det vi har omtalt som adaptiv optik.
Den adaptive optik gør det muligt for ELT at tage billeder, som er meget skarpere end Hubble-billederne. Under optimale forhold kan ELT vise detaljer, der er 16 gange mindre end dem, Hubble kan skelne. Det hænger sammen med, at spejlet på ELT har en diameter 16 gange større end spejlet på Hubble.
Når ELT er i brug, er der mulighed for at sende helt op til otte laserstråler ud i rummet for at skabe de Guide Stars, der gør det muligt for den adaptive optik at virke.
Det amerikanske 30-meter-teleskop (TMT)
Det amerikanske 30-meter-teleskop minder meget om det europæiske ELT, men for en gangs skyld er det ikke verdens største – den titel skal ELT nok beholde i mange år. TMT sår for Thirty Meter Telescope.
Det skal ligge på den fire km høje vulkan Mauna Kea på Hawaii, og det har givet problemer. De lokale beboere anser bjerget for helligt, og synes at dette enorme nye teleskop lige er dråben, der får bægeret til at flyde over. De har fundet sig pænt i bygningen af Keck og andre teleskoper, men her sætter de åbenbart grænsen.
Der protesteres jævnligt mod bygningen. Hvor det ender henne ved vi ikke, men der overvejes da en alternativ placering på de Kanariske Øer.
TMT-hovedspejlet er opbygget af 492 mindre spejle og kan tage billeder, der er 12 gange bedre end Hubbles. Det er udstyret med adaptiv optik og er samlet set en lidt mindre udgave af ELT. Man regner med, at teleskopet kan tages i brug omkring 2027.
Giant Magellan Telescope
Giant Magellan Telescope, GMT, skal anbringes i Atacama-ørkenen i det nordlige Chile, som er ved at blive et af de helt store astronomiske centre i verden. Det er i den grad også et superteleskop, men det har en konstruktion, som adskiller sig fra både ELT og TMT.
I stedet for et enkelt stort hovedspejl har GMT hele syv spejle, hver på 8,4 meter i diameter, der tilsammen virker som et stort spejl med en diameter på 24,5 meter. Det samlede areal af de syv spejle er 368 m2, hvilket kan sammenlignes med spejlarealet på 978 m2 på det europæiske ELT-teleskop.
Selv efter moderne forhold er det et ret stort teleskop – man kunne kalde det et lille superteleskop. I denne sammenhæng er det dog vigtigt at understrege, at mange observationer slet ikke kræver de allerstørste teleskoper.
Mange astronomer vil helt sikkert være glade for at have adgang til flere ‘små superteleskoper’ frem for at skulle vente i måske et år på at få plads på et af de helt store observatorier.
Vera Rubin Observatoriet
Det sidste superteleskop, vi præsenterer, har helt andre opgaver, nemlig en konstant overvågning af store dele af himlen. Hovedspejlet er med en diameter på 8,4 meter ikke specielt stort, men til gengæld er kameraet på størrelse med en lille bil.
Det er et 3,2 gigapixel digitalt kamera, som hvert 20. sekund tager et billede af himlen med en eksponeringstid på 15 sekunder. Billedfeltet er efter astronomiske forhold meget stort, med en diameter på over 3 grader. Til sammenligning kan nævnes, at Månen dækker en halv grad.
Omregnet til areal, så dækker hvert billede et areal 40 gange større end Månens areal.
Formålet er simpelthen, at holde øje med alt hvad der sker på himlen. Og det er en meget vigtig opgave, da store astronomiske teleskoper normalt har et meget lille synsfelt, og derfor ikke er egnet til overvågning af himlen.
VERA RUBIN-teleskopet vil med sit store synsfelt i løbet af få dage kunne dække stort set hele den himmel, som kan ses fra Chile – og derefter begynder man bare forfra igen. Det er det hidtil største projekt om at overvåge himlen, for at følge hvordan den ændrer sig.
Det har enorm betydning for at opdage supernovaer, finde små asteroider i solsystemet, kortlægge Mælkevejen og mange andre opgaver.
Netop disse opgaver med en konstant overvågning af hele himlen for at se, hvordan den ændrer sig, vil i høj grad blive generet af de mange tusinde nye internetsatellitter. Hver nat skal der tages 1000 billeder, og efterhånden som antallet af satellitter stiger, regner man med, at mindst hvert tredje billede vil indeholde et spor fra en satellit.
Det vil derfor blive et ganske omfattende og vanskeligt arbejde at rense billederne for satellitter, selv om problemet delvis kan afhjælpes ved at konstruere satellitterne, så de ikke kaster så meget sollys tilbage mod Jorden.
Man kan læse observatoriets udtalelse om dette problem her.
Der er ingen tvivl om, at netop dette problem vil blive et af de centrale problemer for den jordbaserede astronomi i de kommende år. Det bliver nok nødvendigt med en form for lovgivning.
\ Læs mere
\ Astronomiens mange opgaver
Astronomerne har en lang liste med observationer, som er nødvendige for at kunne give et bedre billede af universet og dets udvikling. Vi har plukket lidt fra en lille bog, som Giant Magellan Telescope har produceret, og som gratis kan downloades i PDF format her.
Her er en kort liste over de observationer, man vil kaste sig over – bogen indeholder meget mere
- Exoplaneter og hvordan planetsystemer dannes
Med superteleskoper bliver det muligt at fotografere exoplaneter (planeter udenfor Solsystemet), men dog ikke så detaljeret, at man ligefrem kan se have og kontinenter. Mere vigtig er muligheden for en kemisk analyse af atmosfæren omkring exoplaneter, for at se om de viser tegn på eksistensen af liv.
Man vil også få mulighed for at undersøge de skiver af gas og støv omkring stjerner, hvor nye planeter dannes – herunder at undersøge, hvad der findes i disse skiver som vand eller organiske molekyler.
- Det første lys i universet
Superteleskoperne skal undersøge afslutningen på ’The dark ages’ kort efter Big Bang, hvor universet var mørkt, simpelthen fordi der ikke var nogen lyskilder i form af stjerner og galakser. At se disse første stjerner og galakser er virkelig et stort mål for astronomien.
- Galakser og hvordan de dannes
Galakser er dannet ud fra gas, som er samlet i lange filamenter (tråde) i universet, men man ved ikke i detaljer, hvordan det foregår. Vi ved dog, at de fleste – måske alle – galakser indeholder et centralt sort hul, men vi ved ikke, hvilken rolle det spiller for en galakses udvikling.
- Stjernes fødsel og død
Vi mangler stadig mange detaljer i forbindelse med studiet af stjerners fødsel og død. Der er brug for detaljerede spektroskopiske undersøgelser af de skyer af gas og støv, hvor nye stjerner dannes, og observationer af de mange forskellige typer supernovaer, der findes. For bare at nævne et enkelt eksempel, så er der stadig store problemer med at forstå, hvorfor der findes så meget guld i universet, selv om vi nu har en teori om, at det skabes ved sammenstød mellem neutronstjerner.
- Det Mørke Univers
Ved at måle, hvorledes det såkaldt mørke stof med sin tyngdekraft kan afbøje lys fra fjerne galakser, er det muligt at kortlægge fordelingen af mørkt stof. Man vil også søge at løse et nyt og ret stort problem, med hvor hurtigt universet egentlig udvider sig. To forskellige, men begge ret sikre metoder, giver nemlig forskellige resultater.
