Kommentar: Sorte hull, mørk energi og universets undergang

Den viktigste vitenskapelige hendelsen i fjor skjedde for milliarder av år siden. 2003 ga oss et kart over universet! Den viktigste vitenskapelige hendelsen i Norge i 2003 skjedde for 200 år siden. Abelprisen kan komme til å konkurrere med Nobelprisene i status og betydning.

Publisert

Tirsdag 3. juni delte Kong Harald ut den aller første Abelprisen, til Jean-Pierre Serre ved Collége de France i Paris. Selv om overrekkelsen ikke markerte noe stort nytt norsk vitenskapelig gjennombrudd, nøler vi ikke med å utpeke den til Årets øyeblikk i Norge!

Det deles ikke ut Nobelpris i matematikk (som i flere andre sentrale vitenskaper), så behovet har vært stort ganske lenge. At Norge kom seg på banen og fikk koblet prisen til vår store matematiker Niels Henrik Abel, var ikke mindre enn strålende! Hendelsen brakte store overskrifter i vitenskapelige tidsskifter verden over.

Det store bildet

Internasjonalt, vekket antagelig WMAP større oppmerksomhet.

I februar kunne NASA publisere resultatene fra Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) som hadde foretatt den hittil mest nøyaktige og omfattende måling av den kosmiske bakgrunnstrålingen, også kalt etterdønningene etter det Store smellet.

Ut fra disse målingene tryllet WMAP fram et kart (pussig hvordan de alltid får forkortelsene til å bli så snappy?), og ikke et hvilket som helst kart, men et kart over universet da det var mindre enn 400 000 år gammelt!

forskning.no slo saken opp som En astrofysisk sensasjon?. Kartet er senere blitt omtalt som et vendepunkt i astrofysikken. I kortversjon kan man si at det viser at universet er mye, mye merkeligere enn vi trodde - og at det for øvrig er tilnærmet flatt, nøyaktig 13,7 milliarder år gammelt, og vil utvide seg for alltid.

"Her bor vi."
"Her bor vi."

Men var konklusjonene forhastede? Allerede i oktober hadde noen forskere kommet på andre tanker, og lanserte universet som fotballformet, eller mer presist: en Poincaré dodekaeder som består av 12 kurvede femkanter satt sammen.

Universet rives i filler

Kartet fikk ytterligere betydning da det hjalp til med å underbygge en annen frem til nå kontroversiell teori om universet: At universet vil utvide seg for alltid, og til slutt “rives i filler” av såkalt mørk energi (må ikke forveksles med mørk materie).

Mørk energi dukket opp bakerst i vår bevissthet en gang i 1998. Analyser av fjerne supernovaer gjorde forskerne i stand til å studere universets utvidelse på forskjellige tidspunkter i dets historie. Det er en kjent sak at universet utvider seg som et resultat av Det store smellet. Men man skulle tro at akselerasjonen skulle avta etter hvert. Men den gang ei: Den økte!

Universet utvider seg altså raskere og raskere jo lenger tid som går etter startskuddet. Utvidelsen er galopperende (og vi kan trygt si “ute av kontroll”), så voldsomt at galakser, planeter og til og med atomkjerner til slutt vil rives i stykker - om cirka 22 milliarders års tid.

Slik ser i hvert fall utsikten ut i dag, men de som har fulgt med en tid vet at slike har en tendens til å endre seg over tid. (Noen som husker redselen for protondøden på 1980-tallet?)

Men hva er årsaken? De kalte det “mørk energi” - uten at vi egentlig føler oss noe klokere av den grunn. Vi snakker om en ukjent kraft som motvirker alle kjente krefter, som tyngdekraften for eksempel.

Ikke rart en og annen astrofysiker så seg om etter andre måter å tolke de nye dataene på.

Men dessverre, den mørke materie ser ut til å ha kommet for å bli. WMAP, det allerede omtalte og detaljerte kartet over universet som ung mann, viser hva det er laget av. Bare fire prosent vanlig materie (stjerner, planeter, mennesker og fluer og slikt), 23 prosent mørk materie (se under) og 73 prosent mørk energi.

Tips til elever i den videregående skolen: Studer astrofysikk, forklar hva mørk energi er, og bli verdensberømt! Du får i hvert fall nok å jobbe med.

Eller?

I slutten av desember utropte Science, et av verdens fremste vitenskapelige tidsskrifter, WMAP og arbeidet med mørk energi til Årets gjennombrudd. Et par uker tidligere hevdet imidlertid en gruppe astrofysikere at det hele kanskje bare er et synsbedrag:

Ved hjelp av en satellitt som måler i røntgenspekteret (ESAs XMM) hadde de telt galakser i det tidlige universet, og konkluderte med at akselerasjonen ikke øker.

Forskerne fant at antallet galaksehoper med en gitt strålingsstyrke hadde økt med tiden. Dersom universet er fylt med mørk energi, sier de, burde dette ikke ha skjedd. Etter hvert som mørk energi tar over kontrollen i universet, burde den oppheve de tyngdekreftene som, ifølge deres målinger, har skapt stadig nye hoper. Dermed trenger vi ikke mørk energi for å forklare universet, konkluderer de.

Vi på sidelinja gjør antagelig klokt i å lene os tilbake og vente til de blir enige der oppe.

Tyngdekraftens fart

Lys har en hastighet. Hvis sola slukker, vil det tar flere minutter før vi ser det her på jorda.

Men har du tenkt på at også tyngdekraften har en hastighet? Forestill deg at sola eksploderer, noe vi heller ikke ser før etter en åtte minutters tid. Men ville vi merke det på andre måter? Ville vi plutselig fly ut i rommet - mens sola fremdeles skinner pent på himmelen?

Antagelig ikke. Vi ville ikke forlate jordoverflata før vi så eksplosjonen. Tyngekraften trenger også rundt åtte minutter på å nå oss.

2003 startet med litt forvirring. I januar kunne vi lese om amerikanske forskere som hadde målt tyngdekraftens fart. De hadde studert hvilken effekt Jupiters gravitasjonsfelt har på radiobølger fra fjerne galakser, og klarte fra dette å slutte at gravitasjonen beveger seg med en hastighet helt lik lysets. Altså i tråd med scenariet jeg skisserte over.

Påstanden vekket imidlertid sterke reaksjoner hos forskernes kolleger.

“Dette er fullstendig tøv”, sa én. “Flott eksperiment, men det har ingenting å gjøre med tyngdekraftens hastighet”, sa en annen.

Vi lener oss enda lenger tilbake og venter for eksempel på oppskytningen av Gravity Probe B. I november fikk vi høre at denne satellitten, som skal teste flere av Einsteins forutsigelser om tyngdekraften, skal sendes opp nå på nyåret. Etter mer enn 40 år med politikk og planlegging!

Mørk materie endelig i lyset?

Det har vært en evigvarende rad av forsøk på forklaring, men 2003 kan ha gitt oss det endelige svaret, om ikke akkurat på hva mørk materie egentlig er, så i det minste hvor det finnes. Vi har allerede omtalt fenomenet et par ganger, nemlig at storparten av materien i universet ikke er av den typen vi kjenner. Det vil si, det kan den godt være - men ingen har klart å spotte den:

Alle analyser av stjernenes oppførsel i galaksene eller galaksenes bevegelser seg imellom, ender opp med at det er alt for lite materie der ute, faktisk minst sju ganger for lite, til å forklare det vi ser. Altså må det finnes “mørk materie”, masse vi ikke kan se fordi den ikke utskiller noen form for elektromagnetisk stråling.

Men HVA er denne materien? Forslagene har, som sagt, vært mange, og mye tyder på at vi snart kan få vite - ettersom vi nå etter all sannsynlighet vet hvor vi skal lete.

Ettersom mørk materie åpenbart reagerer på tyngdekrefter (vi merker den jo ved at galaksene ikke beveger seg som forventet), har det ikke vært urimelig å tro at galaksesentrene ville være et fint sted å lete.

I oktober meldte en gruppe franske og engelske forskere at de hadde sett tydelige spor av mørk materie i Melkeveiens sentrum. Det de hadde observert var skarpe signaler med en energi på 511 kiloelektrovolt, som de antok kom fra reaksjoner mellom elektroner og positroner - altså mellom materie og antimaterie. Da gjenstår det bare å finne kilden til denne materien og antimaterien.

Tips til elever ved videregående?

Endelig avslørt - del 2

2003 ga et annet stort gjennombrudd (i tillegg til WMAP, altså), nemlig opphavet til gammaglimtene.

I flere tiår har forskerne undret seg over hvor disse korte intense utbruddene av høyenergi egentlig kommer fra. Teoriene har vært mange og fantasifulle. Noen har hevdet at de har stammet fra Jordas bakgård, eksotiske fenomener rett rundt hjørnet (astronomisk sett), for eksempel kollapsende mikroskopiske sorte hull. Andre har ment de har vært ufattelig fjerne, og dermed ufattelig mye større hendelser.

Det hele startet den 29. mars da NASAs satellitt HETE-2 målte ekstremt sterke gammaglimt i stjernebildet Løven. En stund senere mente de å sitte med beviser som gjorde dem “99 prosent sikre” på at utbruddene stammet fra en eksploderende hypernova, som er store-storebroren til den allerede temmelig gigantiske supernovaen.

Noen større og sterkere?

Romtidsnytt

Og mens vi rydder opp i universet: Hvor ble det av kvanteskummet?

Ett av fysikkens store prosjekter har i flere år vært å forene fysikkens to store, men tilsynelatende uforenelige teorier, kvantefysikken og relativitetsteoriene (tips til skoleelever?).

De fleste hypotesene som har tatt for seg dette, som strengteorier av ymse slag, m-teori, kvantegravitasjonsteorier osv, har på ett eller annet vis tatt mål av seg å vise at rommet ikke er jevnt i de aller minste forstørrelsene.

Dette kan forstås om vi sammenlikner med for eksempel oss selv, eller hva som helst annet du har rundt deg: Gjenstandene ser jevne ut, men vi vet at de ikke er slik om vi forstørrer dem. Vi ender opp med atomer - det finnes altså en minste enhet (ok - dropp atomene, og innfør et kvark, what ever!) som ikke er jevnt fordelt.

Ovenfornevnte teoretikere har ment at det samme gjelder for selve rommet, at det finnes et “romatom”. Dette er så lite, uendelig mye mindre enn noe vi har hørt om før, og umulig å måle, men innfører man det, får man ting til å fungere.

Denne hypotetiske teksturen har fått kjælenavnet kvanteskummet.

En konsekvens av et slikt “skum” ville imidlertid være at Einstein tok feil da han sa at det er meningsløst å si at et objekt beveger seg eller står stille i forhold til universet som helhet; Lorentz invarians-prinsippet.

De som har basert sin vitenskap og sitt livssyn på nevnte skum, fikk seg en skuffelse i august. Analyser av gammastråler fra hjertet av galaksene Markarian 421 og 501 viste at Einstein hadde rett.

Nå ligger vi snart rett ut.

Einstein hadde rett, som vanlig

Hva var det med Einstein som gjør at det til tider kan virke som om det eneste dagens fysikere har å drive med, er å bekrefte ting han sa og tenkte?

I november kunne vi lese at australske fysikere hadde klart å fremstille det første Bose-Einstein-kondensat (BEC) av molekyler. De hadde altså klart å lage et molekyl bestående av 100 000 litiummolekyler, et molekyl som oppførte seg som et gigantisk kollektiv, umulig å skille fra et enkelt litiummolekyl, akkurat slik Einstein sa.

Såkalte BECer kan brukes for eksempel til forskning på superledning og andre fenomener ved ekstremt lave temperaturer.

Tidsreiser er kanskje ikke så umulige som vi hittil har trodd (men vi befinner oss fremdeles trygt innenfor det John Horgan kalte “ironisk vitenskap” - ting vi antagelig aldri får verken bevist eller motbevist).

Ikke kjøp billettene riktig ennå

Tidsreiser er lagervare i science fiction-fortellinger. Mange av dem går gjennom såkalte ormehull.

I 1988 viste fysikeren Kip Thorne ved Caltec i Pasadena at det faktisk lar seg gjøre å reise gjennom ormehull - et hull gjennom universets romtid.

Et ormehull er egentlig et vanlig sort hull med to innganger, og forskerne tror de finnes der ute et sted. Problemene med å reise gjennom dem er imidlertid mange. Bare det å bevege seg bort til åpningen kan jo ta noen tusen år. Og reiser du igjennom, så reiser du riktignok bakover i tid, men du havner et helt annet sted i universet også. Hva har du der å gjøre? Du har uansett ingen mulighet til å sende beskjed hjem til kjæresten om at du klarte det.

Forskere har drodlet litt med disse tankene opp gjennom årene, og blant annet funnet ut at man kanskje kan lage sine egne ormehull. Problemet er imidlertid fremdeles at hullet i virkeligheten også er et sort hull, komplett med hendelseshorisont. De som går inn, kommer ikke ut igjen, verken av hoveddøra eller bakdøra.

Dette problemet ble løst (teoretisk) av Thorne: Det er jo bare å plassere “eksotisk materie med negativ energi” utenfor inngangen (du har sikkert noe i kjøleskapet, ikke sant?).

En artikkel i Physical Review Letters i juni kunne fortelle at du bare trenger mikroskopiske mengder av dette stoffet for å få det til - så hvorfor sitter du her og later deg?

Satelittnytt!

I januar gikk batteriene ut på Pioneer 10, satellitten som har den berømmelige plaketten om bord, beregnet som et julekort til fremmede intelligenser der ute et sted. (Jeg husker ikke hvem, men en eller annen nokså betydelig forsker sa en gang at å sende opp denne plaketten, som viser hvor vi bor etc., er det dummeste vi noensinne har gjort. Tiden vil vise?)

Den 22. januar sluttet satellitten å sende signaler. Skuffende for forskerne, som ventet på at den skulle registrere “the termination shock”, altså møtet mellom vårt solsystem og alt som er utenfor, det stedet der ladede partikler fra sola treffer magnetfelt og partikler fra det interstellare rom.

Denne grensen ligger 80 til 90 astronomiske enheter (AE = avstanden fra sola til jorda) ute. Nå finnes det bare to satellitter igjen som kan klare dette: Voyager 1 og 2. Voyager 1 er for øyeblikket 87,5 AE fra sola, Voyager 2 er 69,5 AE fra sola.

"James Webb Space Telescope."
"James Webb Space Telescope."

To andre satellitter jobber bra for tiden: NASAs Spitzer Space Telescope overgår forventningene, og leverer strålende bilder, mens ESAs gammastrålesatellitt Integral har tatt bilde av noe som kan vise seg rett å slett å være et sort hull!

Ikke så rart da, kanskje, at mye vil ha mer. Forskerne samler seg nå for å hindre nedskjæringer i instrumentparken på NASA neste store satsning; The James Webb Space Telescope, som ansees som Hubbles arvtaker, men med et speil seks ganger større enn sistnevnte.