Nobelprisen i fysik tilfaldt i år tre amerikanske fysikere for at have opdaget, at universet udvider sig med accelererende hast. Opdagelsen skete på baggrund af studier af en særlig slags supernovaeksplosioner i fjerne egne af universet tilbage i 1990’erne.
I disse dage bliver de tre amerikanere hyldet for deres fund. Hvad de færreste ved er, at amerikanerne overtog stafetten fra danske astrofysikere, der gjorde det afgørende forarbejde 10 år før selve opdagelsen. Danskerne var faktisk de første i verden, der havde held med at spotte den slags supernovaer i det fjerne univers ved hjælp af teleskoper.
Den danske lektor Kristian Pedersen fra Dark Cosmology Centret ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet har opfordret Videnskab.dk til at skrive en artikel om de tre danske forskeres bedrift og på den måde bedrysse dem med en velfortjent omgang stjernestøv.
Supernovaer type Ia opfører sig altid ens
De danskere, der stod bag opdagelsen, er Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen fra DTU Space samt Leif Hansen og Henning E. Jørgensen fra Københavns Universitet.
Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen er stadig er i fuld vigør som astrofysiker – han lyder overrasket i telefonen og er oprigtigt glad for at få lov til at fortælle om, hvad der i sin tid skete. Selv om projektet i dag ligger 20 år tilbage i hans karriere, husker han stadig det hele, som var det i går.
Det startede tilbage i 1986, hvor Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen og hans kolleger var til en stor international konference, der fandt sted før man sendte Hubble Space Teleskope op i rummet. På konferencen diskuterede astrofysikere fra hele verden, hvilke objekter man skulle studere med det kommende Hubble Space Telescope.
\ Fakta
Den mørke energi menes at være en vacuumenergi, som skyldes, at partikler hele tiden opstår og forsvinder i det tomme rum. Den mørke energi er ifølge de fysiske teorier konstant, det vil sige, at én kubikmeter tomrum altid indeholder den samme energimængde. Da universet vokser i størrelse, betyder det at universets samlede energimængde ændrer sig. Universets samlede energimængde er altså ikke konstant. Loven om energibevarelse gælder derfor ikke universet som helhed men kun lokalt.
»Vi spidsede ører, da en højtprofileret galakseforsker ved navn Gustav Taman i et foredrag argumenterede for, at man skulle bruge supernovaer af type Ia til at lave kosmologiske undersøgelser med – han var overbevist om, at man kunne bruge denne type supernovaer til at måle, hvor hurtigt universet udvider sig,« fortæller seniorforsker Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
Det argument godtog publikum, men der var lige det problem, at man aldrig havde observeret denne særlige form for supernova over store afstande (se boks). Man vidste blot, at den type eksploderende stjerner rent faktisk burde eksistere i det fjerne univers, hvis der var hold i de videnskabelige teorier.
»Vi besluttede os for at undersøge, om man kunne finde en supernova Ia i en fjern galakse igennem et teleskop. Det var en stor opgave. Vi arbejdede med det gennem flere år og var i Chile hele 25 gange for at spotte dem ved hjælp af det danske teleskop højt oppe i bjergene,« siger Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
Gigantiske galaksehobe i søgelyset
Danskerne fik deres sag for i observatoriet, for én af de ting, der gjorde det svært at observere supernovaerne var, at galakserne er fyldt med støv, der opsluger en del af det lys, som de udsender. Dette støv forvrænger lyset så meget, at det er svært at korrigere for og dermed at genkende en supernova type Ia.
Et andet problem, som forskerne var oppe imod, var, at supernovaer af denne type ifølge teorien er sjældne. I vores egen galakse optræder der kun én sådan supernova for hvert 1000 år, og derfor skal man betragte temmelig mange galakser for at gøre sig forhåbninger om at finde tilstrækkeligt mange supernovaer af denne type.
For at øge chancen for at finde en supernova Ia, granskede forskerne gigantiske hobe, der rummede op mod 10.000 galakser – det svarede lige akkurat til, hvad der kunne være inden for teleskopets lille synsfelt.
Derudover optog forskerne lyset fra supernovaen med teleskopets CCD-kamera, der kunne skabe et klart billede af hobene ved at opsamle lys fra dem gennem en hel time.
»Efter mange timers observation lykkedes det os at spotte i alt to supernovaer af type Ia. Det lyder måske lidt skuffende taget i betragtning af de oceaner af tid, vi havde brugt – men det var nok til at slå vores pointe fast, nemlig at denne type supernovaer ikke bare er teoretiske objekter, som falder ud af ligningerne – de findes derude i fjerne galakser og kunne spottes ved hjælp af almindelige jordbaserede teleskoper,« fastslår Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.
Forskerne fik en lang næse
Opdagelsen gav de danske forskere blod på tanden til at søge observationstid hos Hubble Teleskopet, så man kunne finde tilstrækkeligt mange supernovaer til at undersøge universets udvidelse gennem tiderne. Men det lykkedes desværre ikke. Forskerne fik et høfligt afslag.
»Styregruppen syntes, det var et fint projekt, men de mente ikke det var nødvendigt at give os observationstid nu, hvor vi havde vist, at det kunne lade sig gøre at finde supernovaerne med teleskoper fra Jorden,« siger han.
»Det fik os til at droppe projektet. Det havde taget os virkelig lang tid at spotte de to supernovaer, så hvis vi skulle have ført projektet til ende med det udstyr, vi havde til rådighed, ville vi ikke have nået andet i vores karriere. Oprindeligt havde vi regnet med at finde supernovaerne i støvfrie elliptiske galakser – men vi fandt dem i støvrige spiralgalakser, hvor det er svært at korrigere for, at visse bølgelængdeområder af lyset bliver absorberet. Det betyder at man skal have mange flere supernovaer for at kunne udtrække den kosmologiske information, og det var urealistisk, at vi kunne finde så mange supernovaer, med så få mand og så lille en kikkert,« påpeger han.
Stafetten gives videre
Projektet strandede, men danskernes opdagelse havde inspireret de tre amerikanske forskere, og der gik ikke mere end et par år før de fortsatte, hvor danskerne slap. Denne gruppe havde flere forskere og betydeligt større og bedre kikkerter og det lykkedes dem at opspore hundredvis af type Ia supernovaer. Det gjorde det muligt at kortlægge, hvor hurtigt universet har udvidet sig gennem tiderne.
\ Fakta
Dette års nobelpris i fysik blev givet til Saul Perlmutter fra University of California, Berkeley, Adam Riess fra Johns Hopkins University i Baltimore, USA, og Brian Schmidt fra Australian National University.
Forskerne konkluderede, at universet udvider sig med accelererende hast og forklarede fænomenet med, at 70 procent af universets energitæthed måtte stamme fra en mørk energi, der modvirker tyngdekraften mellem galaksehobene, så afstanden mellem dem bliver større og større. Det er denne opdagelse, der nu har udløst Nobelprisen i fysik.
»Jeg har det helt fint med, at det var amerikanerne, der løb af med prisen. Vi var pionererne, mens det var amerikanerne, der lavede alt det benhårde slavearbejde. Selv om vi havde holdt ved, ville vi på et eller andet tidspunkt være blevet udkonkurreret af amerikanerne,« siger han.
Rumteleskop skal studere fjerne galakser
Historien om universets accelererende udvidelse stopper ikke her. Faktisk er den kun lige begyndt, for det er ikke mere end et par dage siden, at det europæiske rumagentur ESA besluttede at opsende en rumsonde, der kan undersøge udvidelsen i større detalje.
’Euclid’ hedder sonden, der efter planen skal opsendes i 2019 for at udforske rummets udvidelse – og dermed den mørke energi. Også i dette projekt kommer Danmark til at spille en markant rolle, da Space Science Center ved Københavns Universitet og DTU Space er gået sammen om at bidrage til design af instrumenterne og deltage i tests af instrumenterne før opsendelsen.
Rumsonden skal altså forbedre de målinger, som de amerikanske forskere har lavet af universets udvidelse, men vil gribe det helt anderledes an ved at studere formen og fordelingen af galakser og galaksehobe, hvis udvikling afspejler egenskaberne ved mørk energi.
Galaksehobe klumper sig sammen på grund af tyngdekraften – men den effekt modvirkes af den mørke energi, der blæser objekter fra hinanden frem for at samle dem.
Ved at måle, i hvor høj grad galakser og galaksehobe klumper sig sammen, kan man få et godt billede af, hvor stærk den mørke energi er. Og ved at studere galaksehobe med forskellige aldre, kan man f.eks. kortlægge, om mængden af mørk energi ændrer sig med tiden.
»Vi ved endnu meget lidt om den mørke energi, så det bliver spændende at undersøge den nærmere – et af de store spørgsmål, vi gerne vil have svar på, er, om mængden af mørk energi er konstant, eller om den varierer. Det er ret afgørende for universets fremtid,« siger astrofysiker Kristian Pedersen.
\ Supernovaer af type 1a sladrer om universets udvidelse
I 1923 opdagede Edwin Hubble at universet udvider sig. Man gik ud fra, at udvidelsen skete med konstant eller aftagende hastighed.
I 80’erne gik man i gang med at undersøge, om universet nu rent faktisk udvider sig med konstant fart, og man kom på den idé, at man kunne bruge type 1a supernovaer til at undersøge det med.
Det særlige ved supernovaer af type 1a er, at de optræder i dobbeltstjernesystemer med en hvid dværg og en almindelig stjerne som Solen. Den hvide dværg opsuger via tyngdekraften gasser fra den almindelige stjerne, og den eksploderer, i det øjeblik den når en kritisk masse på 1,4 solmasser.
Netop fordi stjernernes masse altid er den samme, når eksplosionen sker, udsender stjernerne stort set samme mængde lys. Identificerer man en supernova af type 1a på nattehimlen og måler dens lysstyrke, kan man regne ud, hvor langt væk stjernen er ud fra det faktum, at vi ved, hvor meget lyset fra et objekt bliver svagere som funktion af afstanden fra os.
Ved at måle en supernovas tilsyneladende lysstyrke, kunne forskerne altså beregne, hvor langt væk den eksploderende stjerne er.
Samtidigt kan astronomerne bestemme hastigheden, hvormed supernovaerne bevæger sig væk fra os som følge af universets udvidelse. Hastigheden kan beregnes ud fra et fænomen kaldet rødforskydning: Jo hurtigere supernovaerne flygter bort gennem rummet, jo mere forskydes lyset fra de eksploderende stjerner over mod de røde bølgelængder.
Supernovaer stammer fra forskellige perioder i universets 13,7 milliarder år lange historie, så ved at måle, hvor hastigt de hver især bevæger sig væk fra os, får man et samlet billede for, om universets udvidelse er foregået med samme hastighed, eller om udvidelsen er blevet større eller mindre gennem tiderne.
Observationer af mere end hundrede supernovaer har vist, at fjerne supernovaer er mindre lysstærke og dermed længere væk, end de burde være, hvis universet har udvidet sig med én og samme fart. Netop de observationer er kosmologernes stærkeste bevis for, at universet udvider sig med større og større hast.
