Tidenes innblikk i universets begynnelse

Astrofysikere har sett tvers gjennom Melkeveien og fått tidenes innblikk i universets spede begynnelse. Nå må mange teorier endres.

TEMPERATURKART: Temperaturen i universet er i underkant av minus 270 grader. Teleskopet Planck har målt  temperaturvariasjonene i universets bakgrunnsstråling med en titusendels grad.

Jubelen var stor da det milliarddyre teleskopet Planck ble skutt opp av den europeiske romfartsorganisasjonen ESA for fire år siden. Teleskopet har målt de ørsmå temperaturvariasjonene i mikrobølgene fra universets spede begynnelse, fra det magiske øyeblikket da universet ble synlig, 380 000 år etter Big Bang.


Jo lenger ut i verdensrommet du ser, desto lenger ser du tilbake i tid. Lyset fra solsystemets nærmeste stjerne bruker fire år til jorda. Når du studerer denne stjernen, ser du fire år tilbake i tid.


Signalene fra universets barndom har brukt ufattelige 13,3 milliarder år på reisen. Når du studerer disse signalene, kan du se helt tilbake til 380 000 år etter Big Bang.


Akkurat som antennen i mobiltelefonen din lytter etter bestemte frekvenser, har Planck-teleskop-et scannet hele universet i ni ulike frekvenser.


Ti forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk på Universitetet i Oslo har vært sterkt beskjeftiget med å analysere de enormt mange målingene. Etter fire års intenst arbeid ble de første resultatene offentliggjort i slutten av mars.


– Informasjonen er enda mer interessant enn vi har håpet på, forteller professor Hans Kristian Eriksen på instituttet.

Resultatene har allerede tatt livet av brorparten av de hundre ulike inflasjonsteoriene, det vil si teorier som forklarer den første tiden etter Big Bang.


– Det er bare de enkleste modellene som har overlevd. Alle de fancy modellene har fått dødsstøtet.

Ser gjennom Melkeveien

Den store utfordringen med Planck har vært å se tvers igjennom Melkeveien, støvrestene fra gamle stjerneeksplosjoner og de mange milliardene med galakser, for å nevne noe, for å fange opp de ekstremt svake signalene fra universets spede barndom, 13,3 milliarder lysår unna.


– De sterkeste signalene kommer fra vår egen galakse. Vi ønsket med andre ord å se igjennom Melkeveien og se alle de svært små variasjonene fra ytterkanten av universet.


Dette kan sammenlignes med å lytte til et menneske som puster svakt bak et inferno av diskolyder.


Her har UiO vært en viktig brikke. Institutt for teoretisk astrofysikk er verdensledende i å bruke supertunge beregninger på tidenes raskeste datamaskiner. Dataprogrammet deres tygger igjennom alle Planck-dataene i et jafs, skiller ut all støy, korri-gerer for feil og lager et kart over mikrobølgene fra universets barndom, samtidig som programmet lager en mengde ulike forgrunnskart med fysiske fenomener fra Melkeveien.


– På dette området er vi fremst i verden, sier Hans Kristian Eriksen.


For å komme i mål måtte de fjerne alle signalene som viser alt annet enn restene etter Big Bang.


– Vi måtte blant annet se gjennom galaktisk støv, som er partikler fra gamle supernovaeksplosjoner.
 

Samtidig som de fjernet det galaktiske støvet fra målingene, kunne de lage et spesialkart over partikkelstøvet.

Hodebry

Det samme gjelder karbonmonoksidskyer, som også er rester fra supernovaer.


– Kartet over karbonmonoksidskyene kan brukes til å se hvordan Melkeveien beveger seg og kan dessuten gi oss ny informasjon om mørk materie.


De spesielle skyene voldte hodebry for kosmologene.


– Vi fikk noen stygge resultater i de første analysene av Planck-dataene og skjønte at noe var galt. Merkverdig nok skjedde det bare innenfor et bestemt frekvensområde.


Forskerne måtte også fjerne de signalene som viser de spinnende elektronene i Melkeveien.


– Som bonus kan dette brukes til å lage et kart over magnetfeltet i galaksen vår.
 

UiO-beregningene kan også brukes til å slå fast hvordan lysfotonene fra bakgrunnsstrålingen endrer retning hver gang de passerer de enormt mange galaksene på den 13,3 milliarder lysår lange reisen fra universets barndom til Planck-teleskopet, svev-ende 1,4 millioner kilometer fra jorda.

Fjerner målestøy

Astrofysikerne måtte ikke bare ta hensyn til alt som stod i veien for de ultra-svake signalene fra universets barndom. De måtte også ta hensyn til systemfeilene på instrumentene i Planck.


– En del av feilene visste vi om på forhånd, men det kom noen overraskelser.


Instrumentene på Planck ble bombardert med partikler fra sola og fra gamle supernovaer. Når partiklene traff Planck i lysets hastighet, ble det dannet kraftige signaler.


– Vi forutså ikke disse signalene. Det var en stor jobb å bli kvitt dem.


Planck var konstruert for å skape minst mulig støy på måledataene.


– Jo lavere temperatur i Planck, desto mindre vibrasjoner – og mindre støy. Planck er derfor laget så kald som mulig.

Med sine 0,1 Kelvin er Planck faktisk det kaldeste stedet i verdensrommet. Null Kelvin er definert som minus 273,15 grader Celcius og er det absolutte nullpunktet. Temp-eraturen i universet er 2,7 Kelvin. For å måle signalene fra Big Bang, måtte Planck måle temperaturvariasjoner i bakgrunnsstrålingen med en titusendedels grad.

Enorme beregninger

Selv om algoritmene, altså de matematiske beskrivelsene, er enkle, er de svært krevende å programmere. Noen av programmer-erne har ingen bakgrunn i astrofysikk. De er tvert imot eksperter i numerisk analyse. Dette er et fagområde innen informatikken der man bruker datamaskinen til å løse store matematiske og statistiske problemer.


– Takket være numerikerne har vi fått en stor rolle internasjonalt, forteller Hans Kristian Eriksen.


De har kjørt 50 til 100 variasjoner av programmet. Under den siste og avgjørende kjøringen brukte de en halv million CPU-timer.

Da la de beslag på den nye superdatamaskinen på UiO i nesten en hel uke.
 

Nå planlegger de mer detaljerte kjøringer, som krever 100 millioner CPU-timer. Med dagens kapasitet på supercomputeren må de ha maskinen for seg selv i to år. Det får de ikke. De må derfor utvikle enda raskere metoder.

Endrer forståelsen

Planck-resultatene kan endre forståelsen av universet.


     – Vi måler lydbølgene fra det tidligere universet. Noen av bølgene har mye diskant, men mang-ler en del bass. Det er altså noe som demper bassen som vi ikke skjønner.


De nye resultatene stemmer ikke med den såkalte standardmodellen. Universet er ikke, slik som antatt, likt i alle retninger.


– Det er noe vi ikke har forstått. Nå må teoretik-erne steppe inn og lage en ny modell.


Planck har også skapt en liten bieffekt.


– Dataene våre viser at ekspansjonen av universet er mindre enn antatt.

Gravitasjonsbølger

Nå ønsker astrofysikerne nye målinger som gjør det mulig å se tilbake til de første brøkdelene av et milliontedels sekund etter Big Bang, eller for å være helt nøyaktig, 10 opphøyd i minus 34 sekunder etter eksplosjonen. Den første tiden kalles for inflasjonen.


Planck kunne bare se tilbake til 380 000 år etter Big Bang. Det var først da universet ble synlig. Men det store spørsmålet er hvordan Big Bang oppstod. Da må de se etter noe annet enn lys.


For å se helt tilbake til begynnelsen, må astro-fysikerne lete etter 13,7 milliarder år gamle gravitasjonsbølger. Dette er svært svake bølger og er aldri blitt observert.


De norske forskerne Hans Kristian Eriksen ved UiO og Ingunn Wehus ved California Institute of Technology planlegger nå å sende opp en ballong i samarbeid med Columbia University, proppet med instrumenter, i 35 kilometers høyde fra Kiruna i Sverige til Canada. Ballongturen skal ta fem døgn.


– Vi skal bruke ballongen til å vise at gravitasjonsbølgene finnes. Hvis svaret er ja, håper vi at det kan bli sendt opp et nytt instrument, tilsvarende Planck, som kan måle gravitasjonsbølgene fra hele universet. Vi må med andre ord ha bevis for at de finnes, før vi kan gå videre, forteller Hans Kristian Eriksen.
 

Av Yngve Vogt
Publisert 25. aug. 2013 10:12 - Sist endret 25. aug. 2013 10:12
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere