Ny bog: Sådan udforsker vi bedst rummet

Før rumalderen begyndte, var der ingen tvivl om, hvordan vi skulle udforske rummet.

Rejserne ud i solsystemet blev tænkt som en fortsættelse af de klassiske opdagelsesrejser og polarekspeditioner. Et rumskib sendes afsted med en kaptajn og en besætning.

Planeterne udforskes på samme måde, som vi har udforsket Jorden: Ved selv at være der, indsamle prøver og tage film og billeder, der kunne vises, når vi kom hjem.

To ekspeditioner til Saturn

I sin roman fra 1952 ‘The Sands of Mars’ beskriver science fiction-forfatteren Arthur C. Clarke netop en sådan ekspedition til Saturn. Rumskibet Arkturus sendes afsted med en besætning på seks mand og lander på den store måne Titan, der er den eneste måne i solsystemet med en atmosfære.

Allerede dengang forestillede Clarke sig, at man kunne bruge den metanholdige atmosfære som brændstof til rumskibet. Gang på gang tanker Arkturus op på Titan for at udforske de øvrige måner, men det er ikke uden fare.

To fra besætningen omkommer af strålingssyge under reparation af atommotoren, og kaptajnen mister livet i et lavineskred på Titan. Kun tre vender tilbage – med en smalfilm i farver af Saturn og dens ringe.

Cassini var ikke den første sonde til at nå Saturn

De mange problemer afskrækker dog ikke styrmanden Hilton. Han vil gerne tilbage for at stå på den lille måne Mimas og derfra se Saturn fylde halvdelen af himlen og følge, hvordan stormene jager hen over planeten.

Clarke lader Hilton give udtryk for, hvor dragende rummet er, og hvor høj en pris mennesker kan være villige til at betale for at komme derud:

»Ja, det vil være det hele værd, også selvom jeg ikke skulle vende tilbage denne gang.«

I 2004, altså bare 52 år efter Clarkes roman, ankom rumsonden Cassini til Saturn. Det er ikke den første rumsonde, som har nået Saturn, men på mange måder skal Cassini gennemføre den ekspedition, Clarke beskrev i sin roman.

Folk spredtes for alle vinde for at fordøje indtrykkene

Over en periode på op til 15 år skal rumsonden udforske både Saturn, dens ringe og dens måner. Men der er ikke nogen besætning og altså ingen, der risikerer livet på ekspeditionen.

Cassini landsatte den europæiske sonde Huygens på Titan i 2005. Det skete fra det europæiske rumagentur ESAs kontrolcenter i Darmstadt nær Frankfurt. Medierne var til stede, videnskabsfolk og ledere fra ESA var på podiet. Vi var et par hundrede – inklusive forfatterne af denne bog – som fulgte landingen og klappede løs, da det blev meddelt, at nu var Huygens landet.

Så fulgte en lang ventetid, til vi senere på aftenen fik de første billeder fra Titan på skærmen – et rødligt landskab med små sten, som meget lignede landskabet på Mars.

Dagen efter blev der afspillet en lydoptagelse, hvor vi kunne høre, hvordan vinden havde fat i Huygens og dens faldskærme, mens den dalede ned gennem atmosfæren. Og derefter spredtes folk for alle vinde for at skrive deres historier og fordøje indtrykkene.

Apollo-astronauterne er altid blevet fremhævet

Hvad de færreste ville have troet i 1952, var, at den første store ekspedition til Saturn allerede kort efter sin ankomst ville blive glemt af medierne og være helt uden offentlig bevågenhed. Heldigvis er det muligt at følge rejsen på internettet, hvor der nu blandt meget andet er radarbilleder af de enorme søer af flydende metan, Cassini har opdaget på Titan.

Udforskningen af Saturn foregår fra et stort kontrolcenter i Californien, hvor Cassinis flyvning følges på snesevis af dataskærme. Alligevel er der ingen tvivl om, at mange af dem, som sidder ved computerne, føler sig som opdagelsesrejsende – selvom de ikke skal rejse længere væk end til Pasadena lidt uden for Los Angeles.

Kun én gang har vi oplevet astronauter i den klassiske rolle som opdagelsesrejsende. Det var under Apollo-flyvningerne, hvor astronauterne udførte et stort arbejde med at indsamle prøver og opstille instrumenter på Månen.

De kunne selv vælge, hvilke prøver de ville indsamle, på en måde som ingen robot dengang kunne gøre dem efter. NASA gav derfor alle måneastronauterne en grundig geologisk uddannelse, og på den sidste flyvning til Månen med Apollo 17 var der endda en geolog med.

Apollo-astronauterne er altid blevet fremhævet, når den gamle diskussion om mennesker eller robotter dukker op. Fordelingen af arbejdet mellem mennesker og robotter bliver et af de vigtigste spørgsmål i fremtidens rumfart.

LÆS OGSÅ: Kan robotter overtage astronauternes rolle i fremtiden?

To kulturer: Ubemandet rumfart – og arbejdet på ISS

Rumfarten har gennem årene skabt to forskningskulturer. Den ene udspringer af måden, ubemandet rumfart gennemføres på, og den anden af den måde, astronauterne arbejder på om bord på rumstationen ISS.

Langt den meste forskning udføres ved at sende instrumenter ud i rummet – uden at der følger bemanding med. Det kan være med rumsonder, der udforsker solsystemets planeter, eller på astronomiske satellitter som Hubble, der udforsker det fjerne univers. Rumagenturer som ESA og NASA vælger projekterne, ofte baseret på forslag fra store universiteter eller forskningsinstitutioner.

Der er normalt mange flere forslag, end der er råd til, og så følger en langvarig og pinefuld proces med at udvælge vinderne. Forud er typisk gået et årelangt arbejde med at formulere planerne til et nyt rumprojekt så detaljeret og velbegrundet, at det overhovedet har en chance for at komme i betragtning.

Lykkes det ikke, har et forskerhold måske spildt et par år, så ofte gøres der flere forsøg på at få projektet vedtaget.

Forskerne styrer fra Jorden

Når et rumprojekt er vedtaget, udvælger rumagenturet de forskerhold, som får ansvaret for hver deres instrument. Det kan være kameraet, et spektrometer, et magnetometer eller et instrument til at måle støv i rummet. Hvert hold ledes af en Principal Investigator, ofte forkortet til P.I.

Det at være P.I. er et stort job. Arbejdet består i at udvikle, bygge og anvende det instrument, man har ansvaret for. Det kræver samarbejde mellem flere hundrede mennesker. Derfor går jobbet normalt til en videnskabsmand fra et af de store universiteter, som har erfaring både inden for forskning, administration og ledelse.

Den første opgave for en Principal Investigator er at samle et hold af dygtige unge forskere og teknikere, som kan konstruere og bygge instrumentet. Det er meget eftertragtet at blive medlem af sådan et hold, fordi der her er en helt enestående mulighed for at forske.

Det er jo disse forskere, som bliver de første, der ser Pluto eller en komet på tæt hold og bagefter kan være med til at analysere data. Principal Investigator tegner ofte billedet udadtil, men ellers foregår alt som teamwork, og på hver eneste videnskabelig artikel optræder mange forfattere.

Planlægningen fortsætter under selve flyvningen

Gruppen af Principal Investigators deltager i de utallige møder, hvor rumflyvningen planlægges, og der skal fordeles resurser til de enkelte instrumenter. Meget skal afklares – som spørgsmål om brug af datakraft til strøm og sendekapacitet.

Der er mange instrumenter om bord på en satellit eller rumsonde, og nogle gange er det nødvendigt at vælge, hvilke instrumenter der skal være tændt og hvilke slukket. Disse valg er noget af en balancekunst.

Opgaven for Principal Investigator er at sikre sit eget instrument gode arbejdsforhold – helst på en måde, så det gode samarbejdsklima bevares. Disse møder ledes af en Project Scientist, og han har myndighed til at træffe afgørelser, hvis enighed ikke kan opnås.

Planlægningen foregår ikke bare før opsendelsen, men også under selve flyvningen. Eksempelvis skal Cassini-holdet hele tiden afgøre, hvilken bane om Saturn rumsonden skal følge.

Skal banen lægges, så Cassini flyver tæt forbi den lille ismåne Enceladus med de enorme gejsere, eller skal der vælges en bane, der fører sonden hen over de polare områder af Saturn, hvor der er nogle virkelig mærkelige skyformationer?

Et kameras eksponeringstid er essentiel

Det fører os til en ofte overset gruppe, som i virkeligheden har et enormt ansvar. På engelsk kaldes de The Sequencers, og det er dem, der har ansvaret for de lange rækker eller sekvenser af ordrer, som skal sendes op til rumsondens computere for at udføre de mange ordrer.

På en hurtig forbiflyvning af en planet som for eksempel Pluto skal alle observationer foregå på få timer eller dage, og bare en enkelt fejl kan ødelægge års arbejde. Alene det at afgøre den rette eksponeringstid for et kamera, så billedet hverken bliver overbelyst eller underbelyst, er en ganske vanskelig opgave – og ofte står nerverne på højkant.

Således begik Candy Hansen i 1989 en fejl i vurderingen af eksponeringstiden for to billeder af Neptun. Voyager 2 tog billederne, som den skulle, men de var begge uanvendelige. Og selvom det nu er over 25 år siden, mener Candy Hansen ikke, at den videnskabsmand, der mistede sine data, endnu har tilgivet hende.

Astronauternes bidrag til forskningen

Astronauter som Andreas Mogensen repræsenterer en anden tilgang til forskningen. De driver forskning på rumstationen ISS, hvor de står i konstant forbindelse med videnskabsfolkene på Jorden, som har planlagt forsøgene.

På mange måder fungerer en moderne astronaut som en laboratorietekniker, der udfører et arbejde, som andre har planlagt, og hvor en af de vigtigste opgaver er at holde udstyret ved lige, så det hele tiden fungerer.

Laboratoriearbejdet er kompliceret, og meget ofte drejer forskningen sig om emner, som astronauterne ikke har det store kendskab til, eftersom de fleste astronauter har en baggrund som pilot, suppleret med en ingeniøruddannelse.

Derfor er astronautuddannelsen i Europa opdelt i tre faser.

En astronaut arbejder med tykke matematikbøger før rumskibet overhovedet røres

I grunduddannelsen på 16 måneder er det centrale emne rumfartens grundbegreber. Desuden er der kurser i fysik, astronomi, biologi og medicin samt observationer af Jorden.

Andre emner er russisk, ‘Human Behavior’, altså hvordan man opfører sig under et seks måneder langt ophold på ISS uden at gå de andre astronauter på nerverne, og scuba-dykning med luft komprimeret i tanke som forberedelse til rumvandringer og meget andet.

På grunduddannelsen kommer en astronaut til at tilbringe mange timer i selskab med manualer og tykke bøger fyldt med matematik og formler, før han overhovedet kommer i nærheden af et rumskib. Ved udvælgelsen af astronauter lægges der derfor stor vægt på deres evne til hurtigt at tilegne sig ny viden.

I den et år lange, avancerede træning lærer de at arbejde med det videnskabelige og tekniske udstyr. I Europa betyder det blandt andet træning i en model af det europæiske Columbusmodul, men også besøg på andre rumcentre i USA, Japan og Rusland.

Den sidste del af træningen inden flyvningen foregår på de laboratorier, hvor de videnskabelige forsøg forberedes. De er ofte fordelt på mange lande, så der er en intens rejseaktivitet. Det er naturligvis umuligt at være specialist i alt, så træningen sigter mod et af tre niveauer for at betjene/anvende udstyret på ISS: Bruger, operatør eller specialist.

Alle forsøg skal planlægges til mindste detalje

En astronaut kan måske nøjes med bare at være kvalificeret som bruger til nogle forsøg mod så at være specialist på andre områder. Der er afsat 18 måneder til denne fase, som astronauten altså først påbegynder, når de to første faser af uddannelsen er gennemført.

Man kan næsten sammenligne ISS med den danske ekspedition Galathea 3, hvor inspektionsskibet Vædderen i 2006-2007 sejlede verden rundt for at udforske alt fra biologi og geologi til klima og kultur.

Det videnskabelige personale var med om bord og bragte selv resultaterne fra deres feltarbejde med hjem. Der er dog ingen tvivl om, at forskerne på Galathea 3 havde en langt større frihed til selv at planlægge deres forsøg og målinger, end en astronaut på ISS vil have.

På grund af de meget høje omkostninger ved rumfart er det nødvendigt at planlægge ethvert forsøg helt ned til den mindste detalje på forhånd. Man tilstræber dog at give astronauterne en smule tid til egne forsøg.

Rumfarten har sprængt mange grænser

Den videnskabelige rumfart har sprængt mange grænser, kæmpet mange kampe og nået mange resultater. En fuldstændig oversigt over de forskningsmæssige præstationer er der ikke plads til her.

I stedet følger et særlig interessant eksempel: Historien om opdagelsen af Jordens strålingsbælter. Den handler både om, hvordan opdagelsen gik for sig, og hvordan de politiske forhold under den kolde krig kom til at spille ind.

Derefter følger et overblik over de områder, der kendetegner den videnskabelige rumfart.

Jordens strålingsbælter

Rumalderens første store opdagelse var Jordens strålingsbælter. Den har i dag stor betydning for rumfarten, fordi strålingsbælterne er med til at diktere, hvilke baner satellitter kan bevæge sig i. Historien om dem fortæller også, hvor uansvarligt stormagterne kunne finde på at opføre sig under den kolde krig.

Strålingsbælterne blev opdaget allerede i 1958, mindre end et år efter opsendelsen af den første Sputnik. Den første amerikanske satellit Explorer 1 var katalysator for opdagelsen. To heldige faktorer spillede ind. Explorer 1 kom ind i en ret høj bane, mellem 350 og 2.500 kilometer over Jorden. Og et af de få instrumenter, den medførte – bare fem kilo i alt – var en geigertæller.

Den amerikanske fysiker James van Allen stod for geigertælleren, et instrument, der bruges til måling af radioaktivitet, og forsøget med den foregik ret primitivt. Målingerne gik direkte ned til sporingsstationerne og blev udskrevet på lange ruller af papir, som så skulle analyseres i hånden.

Forskerne var mystificerede

De første målinger kom fra sporingsstationerne i USA, hvor Explorer 1 var i sin laveste højde. Her var alt som forventet: Geigertælleren gav det forventede antal klik fra den kosmiske stråling. Men så kom målingerne fra stationerne, som modtog data fra de dele af banen, hvor Explorer var over 1.000 kilometer oppe.

Til van Allens store overraskelse faldt tallet fra tælleren markant, og der var perioder, hvor der slet ikke blev registreret nogen stråling. Det samme gentog sig med Explorer 3-satellitten, der blev opsendt med succes kort tid efter etteren. Explorer 2 faldt i havet, men beholdt alligevel sit nummer.

Forskerne var mystificerede, men til sidst fandt van Allen og hans hold en forklaring: Geigertælleren var simpelthen så overbelastet i en højde på over 1.000 kilometer, at den var gået i strejke.

Der er meget intens stråling i 1.000 kilometers højde

Næste skridt var Explorer 4, der fik to geigertællere om bord, den ene indpakket i en blykappe, så den kunne tåle en høj strålingsdosis. Explorer 4 bekræftede teorien. Den indpakkede geigertæller fortsatte med at sende data, selv når den anden geigertæller var stået af. Konklusionen var derfor, at der i en højde over godt 1.000 km var en meget intens stråling.

Den eneste mulige fysiske forklaring var, at strålingen bestod af elektroner og protoner fra Solen samt den kosmiske stråling, som var indfanget af Jordens magnetfelt. Teorien blev på en ret uventet måde bekræftet af den amerikanske flåde, der i efteråret 1958 gennemførte tre prøvesprængninger af heldigvis ret små atombomber.

Explorer 4 kunne følge de byger af partikler, som blev skabt af eksplosionerne, og direkte måle, hvordan de blev indfanget af Jordens magnetfelt, hvor de skabte nordlys og sydlys.

Strålingsbælterne var helt klart et problem for rumfarten, så derfor var det nødvendigt hurtigt at finde ud af, hvor højt op de gik. De to små månesonder Pioneer 3 og 4, som kun vejede seks kilo, medførte hver to geigertællere ligesom Explorer 4.

De viste, at der ikke var et, men to strålingsbælter. Et indre bælte mellem 1.000 og 6.000 km over Jorden og et ydre, noget svagere bælte, mellem 13.000 og 60.000 km over Jorden.

Atomkrig i rummet vil blot umuliggøre opsendelse af satellitter

Eftersom det hele foregik under den kolde krig, mente det amerikanske militær, at det var nødt til at undersøge konsekvenserne af atomeksplosioner i rummet. Så den 9. juli 1962 blev en 1,4 megaton brintbombe sprængt i en højde på 400 km over Johnson-atollen i Stillehavet.

Det skulle de aldrig have gjort. Der kom nogle imponerende polarlys, men derudover blev flere satellitter ødelagt. Selv om NASA ikke var ansvarlig for atomforsøget, måtte den civile rumfartsorganisation i stor hast hive en model af Explorer 12 ud fra et museum og opsende den som Explorer 15 for at finde ud af, hvad der egentlig var sket med strålingsbælterne.

Sovjet fulgte efter amerikanerne med tre forsøg i oktober og november 1962. Heldigvis med mindre bomber på 300 kiloton, som blev sprængt i en lavere højde.

Derefter stod det lysende klart, at en atomkrig i rummet blot ville føre til, at opsendelse af satellitter ville være umulig i mange år, indtil naturen langsomt fik bragt strålingen tilbage til det oprindelige niveau.

Rummet og videnskaben

I dag har den videnskabelige rumforskning spredt sig til mange områder. Blandt de vigtigste er:

• Observationer af Jorden
• Vejret i rummet

• Solsystemet

• Astronomi
• Grundlæggende fysik

• Materialeforskning

• Medicinsk og biologisk forskning.

De fem første opgaver varetages næsten udelukkende af ubemandede satellitter. De to sidste kræver astronauter for at udføre forsøgene.

Vejret i rummet er vigtigt

Observationer af Jorden er blevet en stadig vigtigere opgave for rumfarten. Det drejer sig blandt meget andet om målinger af klimaændringer, forurening, landbrugets produktion og overvågning af regnskove. Observationerne sker med instrumenter, som kan overvåge Jorden i mange forskellige bølgelængder og med radar.

Vejret i rummet er et andet vigtigt område, selv om man ikke umiddelbart skulle tro, at der er noget vejr i rummet. Opgaven er at overvåge solvinden, soludbrud og Solens stråling.

Solvinden er en konstant strøm af atomare partikler som protoner og elektroner, der bevæger sig bort fra Solen med en fart på 400-800 kilometer i sekundet. Solvinden påvirker Jordens magnetfelt og er med til at skabe polarlys og magnetiske storme.

Magnetiske storme kan skabe strømafbrydelser på Jorden

De magnetiske storme kan blive ganske alvorlige under store soludbrud, hvor Solen udslynger skyer af gas, de såkaldte Coronal Mass Ejections (CME).

En CME har normalt en masse på over en milliard ton, og den kan bevæge sig med hastigheder fra et par hundrede kilometer i sekundet og op til 3.000 kilometer i sekundet. Det betyder, at en hurtig CME kan komme fra Solen til Jorden på kun 14 timer.

Hvis den rammer Jorden, kan den efterfølgende magnetiske storm skabe strømafbrydelser her på Jorden og ødelægge satellitter. Derfor prøver man også med satellitter at registrere en CME, før den når Jorden, for på den måde at få et varsel.

Desuden holder man øje med Solens udstråling i ultraviolet og røntgen, da det er i disse bølgelængdeområder, man først kan se tegn på soludbrud.

På 50 år ændredes vores opfattelse af solsystemet

Solsystemet. Udforskningen af solsystemet med rumsonder er nok et af de bedst kendte områder af rumfarten. Mange har hørt om den sekshjulede robot Curiosity, der kører rundt på Mars, eller om de to Voyager-sonder, som har fløjet gennem hele solsystemet og nu er på vej mod stjernerne.

Rumsonderne har på bare 50 år helt ændret vores opfattelse af solsystemet. Før rumalderen var håbet, at Venus og Mars ville ligne Jorden bare en lille smule.

Så da russerne sendte den første rumsonde mod Venus allerede i 1961, valgte de at udstyre den med en landingskapsel, som i givet fald kunne flyde på vand, og en måler, som kunne registrere, om der var bølger på vandet.

Venus var ved rumalderens begyndelse et af de helt store mål: En planet på størrelse med Jorden, med en tæt atmosfære og skyer, som tilbagekastede Solens lys og dermed gav håb om et klima ikke alt for forskelligt fra Jordens. Have og kontinenter, måske med liv, blev anset for en realistisk mulighed.

Det er svært at opretholde troen om liv på Mars

Nu nåede rumsonden Venus 1 aldrig frem til Venus. Den endte i en bane om Solen, hvor den stadig befinder sig. Men allerede året efter fik vores drømme det første knæk, da den amerikanske Mariner 2-rumsonde kom op og kunne måle, at temperaturen på Venus var 480 grader og atmosfæretrykket 90 gange større end på Jorden.

En løbsk drivhuseffekt fra en meget tæt CO2-atmosfære havde forvandlet Venus fra måske engang at have lignet Jorden til en planet, mennesker aldrig kan lande på.

I juli 1965 kom det andet slag, da Mariner 4 sendte 21 nærbilleder af Mars tilbage. De viste et ugæstfrit, kraterdækket landskab. Samtidig viste en måling, at atmosfæren var 100 gange tyndere end på Jorden. Det gjorde det meget svært at opretholde alle vores gamle forestillinger om liv på Mars.

Svovlvulkanerne på Jupiters måne var imponerende

Målingerne af Venus og Mars kom til at ændre rumfartens fremtid. De fik os til at indse, at vi bor i et meget øde og fremmedartet solsystem uden oplagte rejsemål for mennesker. Heldigvis fortsatte udforskningen. Venus og Mars var stadig de foretrukne rejsemål for rumsonder, fordi de er forholdsvis tæt på Jorden, men snart blev blikket rettet mod det ydre solsystem.

I 1972 blev den første rumsonde sendt gennem asteroidebæltet på vej mod Jupiter, og i 1977 startede rumfartens største opdagelsesrejse nogensinde: Voyager 1 og 2 udnyttede en sjælden stilling af planeterne til at flyve forbi Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Vi modtager stadig signaler fra de to sonder, som nu er langt uden for Plutos bane.

De enorme svovlvulkaner på Jupiters måne Io imponerede med deres konstante udbrud. Men af måske større betydning var opdagelsen af, at Jupiters måne Europa under en kappe af is måske skjuler et enormt ocean og dermed kan have en god mulighed for at rumme liv.

De næste 50 års udforskning bliver interessant

Der er stadig mange rejsemål: Asteroiderne, dværgplaneterne Ceres og Pluto og kometer.

Men hvad man kunne kalde ‘Den første bølge’ er ved at være forbi. Den næste fase er allerede begyndt med detaljerede målinger af en bestemt klode over lang tid, som Cassini omkring Saturn eller Curiosity på Mars.

Det bliver interessant at se, hvordan de robotter, som skal klare de næste 50 års udforskning af solsystemet, vil udvikle sig – og i hvilket omfang de vil blive ledsaget af astronauter.

Fjerne galakser drukner næsten i baggrundslys

Astronomi. Lige siden 1966 har astronomerne brugt satellitter til at observere universet. Rumteleskopet Hubble er sådan en astronomisk satellit, men Hubble, der blev opsendt i 1990 med rumfærgen Discovery, er altså hverken den første eller eneste.

Der er gennem snart 50 år opsendt snesevis af denne type satellitter. Hubble er bare den mest berømte, hvilket nok er lidt uretfærdigt over for alle de andre astronomiske satellitter.

Der er to gode grunde til at observere universet fra satellitter. For det første er satellitten oppe over Jordens urolige atmosfære. For det andet er det muligt at observere i bølgelængder, der ikke kan passere gennem Jordens atmosfære ned til overfladen.

Desuden spreder atmosfæren lys. Himlen er derfor næsten aldrig helt mørk – det forhindrer spredt lys fra Månen eller byer. Det spredte lys er en stor gene, når man skal observere meget fjerne og lyssvage stjerner og galakser.

Her er det ofte nødvendigt at observere i lang tid for at opsamle lys nok, men samtidig opfanges også lys fra himmelbaggrunden. Resultatet kan let blive, at den fjerne galakse næsten drukner i baggrundslys.

Problemet eksisterer ikke ude i rummet, hvor himlen altid er kulsort, også selv om Solen skinner. Det er den helt mørke himmelbaggrund, der har gjort det muligt for Hubble-teleskopet at tage billeder af de allerførste galakser, dannet kort tid efter Big Bang.

Røntgenobservationer har gjort det muligt at lære om sorte huller

Den anden grund til at opsende astronomiske satellitter er som nævnt, at de gør det muligt at observere universet i andet end synligt lys. Røntgensatellitter som Chandra har åbnet en helt ny side af universet for os, hvor vi direkte kan observere nogle af de mest voldsomme begivenheder i universet.

Kun gasser med temperaturer på over en million grader udsender røntgenstråling. Det gælder således for den gas, der er på vej til at blive opslugt af et sort hul. Mange sorte huller er omgivet af enorme gashvirvler, hvor gasserne lige uden for det sorte hul kredser med enorme hastigheder og derved opvarmes meget. Så røntgenobservationer har gjort det muligt at lære en del om sorte huller.

En anden vigtig opdagelse er, at rummet mellem galakserne mange steder er opfyldt af en meget tynd, men flere millioner grader varm gas. Gassen er umulig at se i synligt lys og kan kun registreres i røntgenområdet.

Infrarød stråling viser os det kolde univers

Infrarød stråling trænger kun meget dårligt gennem Jordens atmosfære. Det er muligt at observere infrarød stråling her fra Jorden, men det kræver observatorier i meget tørre og højtliggende områder, da vanddampen i Jordens atmosfære absorberer denne type stråling.

Infrarøde målinger kræver, at detektoren er kølet ned til meget lave temperaturer for at undgå, at varmestrålingen fra instrumentet forstyrrer målingerne. Et eksempel på en stor, infrarød satellit er Spitzer, der er i bane om Solen.

Der er tre gode grunde til at observere universet i infrarødt lys.

1. Infrarød stråling viser os det kolde univers, især de enorme støvskyer, hvor nye stjerner dannes. De observationer er vigtige, fordi støvskyerne tit indeholder mange organiske molekyler.

   
2. Ved visse infrarøde bølgelængder er det muligt at se gennem støvskyerne. Det har stor betydning for studiet af Mælkevejens centrum, 27.000 lysår borte. I synligt lys er centret helt skjult af meget tætte støvskyer, men i infrarødt lys har det været muligt at se helt ind til centrum, hvor der befinder sig et stort, sort hul med en masse på næsten 4 millioner gange Solens masse.
   
3. Ved observationer af meget fjerne galakser betyder universets udvidelse, at lyset fra galakserne bliver så rødforskudt, at de kun kan observeres i infrarødt lys. Efterfølgeren for Hubble-teleskopet, det store James Webb-teleskop, er derfor også beregnet til infrarøde observationer.

Frame Dragging er et ganske kompliceret fænomen

Presset på de astronomiske observatorier ude i rummet er dog meget stort. Derfor foretages de fleste observationer stadig fra observatorier her på Jorden.

Grundlæggende fysik. Målinger, der skal afprøve fysiske teorier, er noget forholdsvis nyt inden for rumforskningen. Et meget centralt eksempel er NASAs Gravity Probe B, der fra en bane om Jorden har undersøgt to effekter, forudsagt af Einstein: Jordens tyngdefelt får rummet til at krumme, og Jordens rotation får – løst sagt – rummet til at dreje med.

Fænomenet hedder Frame Dragging og er ganske kompliceret. Målingerne var uhyre vanskelige at udføre, men resultatet var, at Einstein også klarede denne test.

Et andet forsøg begynder i 2016, når et lille laboratorium, kaldet Cold Atoms Lab (CAL), opsendes til rumstationen ISS. Her vil man forsøge at køle stof ned til en temperatur på kun 100 picograder (10-10 grader) over det absolutte nulpunkt ved -273 grader. Ved denne ekstremt lave temperatur bevæger atomerne sig næsten ikke, og kvantemekanikkens love kommer til at dominere.

Atomerne udtværes og smelter sammen til ét stort superatom

Ved høje temperaturer opfører atomer sig som små partikler, næsten som billardkugler. Ved ekstremt lave temperaturer forudsiger kvantemekanikken, at forskellen mellem partikler og bølger udviskes. De ultrakolde atomer får bølgeegenskaber, og der dannes et såkaldt Bose-Einstein-kondensat.

Populært sagt betyder det, at atomerne udtværes, de mister deres identitet og smelter sammen til ét stort superatom. Dette fænomen blev forudsagt af Einstein og Bose i kvantefysikkens barndom, men blev først demonstreret i laboratoriet for ganske få år siden.

Tyndekraften forstyrrer dog målingerne, da Bose-Einstein-kondensatet skal holdes frit svævende, fanget i et magnetfelt. Her på Jorden kan man kun holde kondensatet stabilt i under et sekund. På ISS håber man på at bringe tiden op på 10-20 sekunder, hvilket vil give langt bedre tid til målingerne. Det er ren grundforskning, hvor man ikke på forhånd kan sige, om det vil føre til praktiske resultater.

Håbet er, at CAL skal arbejde nogle år på ISS, og man til sidst når at komme ned på bare 1 picograd over det absolutte nulpunkt. Her skulle atomerne teoretisk danne en stor bølge, noget fysikerne meget gerne vil kunne observere. CAL bliver fjernstyret fra Jorden med den ekstra sikkerhed, at astronauterne på ISS har en mulighed for at gribe ind, hvis noget går galt.

Astronauterne kommer på banen igen

De næste to forskningsområder kræver normalt aktiv deltagelse af astronauter.

Materialeforskning er en af astronauternes hovedopgaver. Her udnytter forskerne vægtløsheden til at få ny viden om stoffers egenskaber, der kan bruges både inden for teknik og medicin.

Mange af de stoffer, vi anvender i teknikken, er opbygget af krystaller, hvor atomerne er pænt ordnede i gitre. Det gælder således for kobber, stål og bly. Men krystallernes egenskaber er svære at måle her på Jorden. Tyngdekraften fører ofte til uønskede virkninger, når krystaller skal dannes.

Tyngdekraftens tre vigtigste virkninger er opdrift, konvektion og sedimentation, og de kan alle tre hæmme
krystaldannelse, hvilket igen forhindrer, at metaller kan skabe den ‘perfekte’ legering eller forbindelse. Det kan
 man undgå i den vægtløse tilstand,
hvor et krystal kan dyrkes i en mættet
opløsning.

Håbet er, at denne forskning
kan føre til nye legeringer, der kan tåle
ekstreme forhold. Man behøver bare at
tænke på de turbineblade, der sidder i
en jetmotor, for at se perspektivet for
sig.

Også halvlederindustrien med dens hidsige teknologiske udvikling og vores krav om stadig kraftigere computere er baseret på materialeforskning, hvor det netop er vores evne til at producere krystaller, der afgør, hvor godt en halvleder virker.

Store perfekte krystaller kan i praksis kun fremstilles i rummet

Medicinalindustrien har i meget høj grad brug for krystaller af proteiner. Proteiner styrer alle biologiske processer, og når proteiner ikke fungerer, som de skal, bliver man syg. For at fremstille en ny medicin er det nødvendigt meget præcist at kende proteinets opbygning.

Nu er proteinernes egenskaber bestemt af molekylets rumlige opbygning, og for at studere disse egenskaber skal man have store og helst perfekte krystaller. De kan i praksis kun fremstilles ude i rummet.

Krystallerne bringes tilbage til Jorden, og med en metode, der kaldes røntgendiffraktion, er det nu muligt at bestemme molekylets rumlige opbygning. Derved bliver det muligt at finde ud af, hvordan man kan få medicinen til at koble sig til de defekte proteinmolekyler i kroppen, så de ikke længere er så skadelige.

Af andre områder kan nævnes væskefysik, hvor man forsker i muligheden for at arbejde med væske, som ikke er bundet til at ligge i en beholder. I den vægtløse tilstand skaber overfladespændingen store kugleformede dråber, som svæver omkring og kan styres med lydbølger.

Forskningen kan lære os at undgå store mængder sod ved forbrænding

Der forskes også i forbrændingsprocesser.

I den vægtløse tilstand stiger varm luft ikke til vejrs med det resultat, at en flamme bliver kugleformet og i øvrigt let kan kvæles af manglen på ilt.

Den type flammer er basis for grundforskning i forbrændingsprocesser, der på længere sigt kan lære os at styre forbrændinger bedre her på Jorden. Således håber man, at forskningen med tiden kan lære os, hvordan en forbrænding kan undgå at udvikle store mængder forurenende sod.

Medicinsk og biologisk forskning

Denne forskning falder i to områder. Den medicinske forskning, hvor astronauterne ofte selv er forsøgspersoner, og den biologiske del, hvor opgaven er at undersøge, hvordan andre organismer, planter eller smådyr trives i rummet.

I de medicinske forsøg udsættes astronauterne hyppigt for målinger af hjertet, balanceevnen, blodet, knoglerne og meget andet. Dertil kommer målinger af, hvordan vægtløsheden påvirker øjnene og immunforsvaret.

Der foretages også celledyrkning, og de forsøg kan have en meget direkte betydning for os her på Jorden. Således blev der i 2014 sendt seks millioner aggressive kræftceller ud i rummet i et forsøg, forskere fra Aarhus Universitet deltager i.

Det har nemlig vist sig, at kræftceller i vægtløs tilstand opfører sig på en anden måde end kræftceller her på Jorden. Kræftceller adskiller sig fra andre celler ved, at almindelige celler er skabt til at slå sig selv ihjel, mens kræftceller bare fortsætter med at dele sig og derved vil sprede sig til andre dele af kroppen.

I vægtløs tilstand er dødeligheden for kræftceller op til 30 procent højere end normalt, idet disse celler udskiller proteiner. Dog ved vi ikke hvilke. En anden forskel er, at vægtløse kræftceller er mere runde end almindelige kræftceller.

Rumstationen ligner mest af alt et stort laboratorium

Ved at analysere celler, som har opholdt sig i rummet, håber forskerne på at lære noget om, hvordan man bedre kan bekæmpe kræft her på Jorden. Men endnu er der tale om grundforskning.

Inden for den biologiske forskning er noget af det mest populære dyrkning af planter. Astronauter er erfaringsmæssigt meget glade for at arbejde med grønne planter, hvilket er forståeligt, når resten af rumstationen mest af alt ligner et stort laboratorium af den slags, man finder på universiteter og i industrien.

Det har taget sin tid, men nu er man ved at lære, hvordan planter skal passes for at kunne klare sig i vægtløshed. Det vil være en stor fordel, om man med tiden kunne dyrke bare noget af maden ude i rummet og få bare noget af ilten fra planter.

For Danmark er det interessant, at danske forskere deltager. Det gør det muligt at få sendt noget ud i rummet, uden at omkostningerne er så høje. Det er også et tegn på, hvor international rumforskningen er blevet.

Rumsonden Cassini har taget helt fantastiske billeder af kæmpeplaneten Saturn og dens ringe og måner. Det har været muligt at følge de konstante storme i Saturns atmosfære og se, at ringsystemet består af milliarder af små, hvide ispartikler. Det er noget af en gåde, at Saturns ringe er så hvide – ispartiklerne burde for længst være dækket af et lag af mørkt, kosmisk støv. Måske betyder det, at Saturns ringe er yngre end vanligt antaget. (Foto: NASA)

På rumstationen ISS dyrkes der både korn og salat. Forskerne vil gerne vide, hvordan planterne gror i kunstigt lys i den vægtløse tilstand. (Foto: NASA)

1 / 2