Teleskop forutsier universets undergang

Nasas ingeniører går nå i gang med å konstruere det neste store romteleskopet, Roman. Teleskopet skal finne fremmede planeter ved fjerne stjerner og avsløre den mystiske mørke energien som kan rive universet i filler.

Nasas ingeniører går nå i gang med å konstruere det neste store romteleskopet, Roman. Teleskopet skal finne fremmede planeter ved fjerne stjerner og avsløre den mystiske mørke energien som kan rive universet i filler.

NASA

«Å se ut gjennom atmosfæren er som å se gjennom en gammel, flekkete flaske.»

Ordene er uttalt av Hubble-teleskopets «mor», astronomen Nancy Grace Roman. Hun ville revolusjonere astronomien ved å undersøke universet fra verdensrommet, der observasjonene ikke blir forstyrret av jordens atmosfære.

Visjonen førte i første omgang til utviklingen av Hubble-romteleskopet, og nå er Nasa klar med neste skritt.

I midten av 2020-tallet vil romorganisasjonen sende opp et nytt superteleskop – oppkalt etter Nancy Grace Roman – som vil være i stand til å ta detaljerte fotografier av steinplaneter på størrelse med jorden og undersøke atmosfærer er for spor etter liv.

Selv om diameteren på deres hovedspejle er ens, ser Roman-teleskopet langt mere af himlen end Hubble. Det skyldes flere pixelsensorer med højere opløsning.

© Shutterstock

Hubble har smalt syn

  • Lengde: 13,3 meter.
  • Diameter for hovedspeil: 2,4 meter.
  • Oppløsning av infrarød pikselsensor: 1024 x 1024 piksler.
  • Antall pikselsensorer: 1, noe som gir et smalt, detaljert bilde.
© NASA

Roman ser det store bildet av universet

  • Lengde: Om lag 13 meter.
  • Diameter for hovedspeil: 2,4 meter.
  • Oppløsning av infrarød pikselsensor: 4096 x 4096 piksler.
  • Antall pikselsensorer: 18, noe som gir et bredt, detaljert bilde.

Astronomene mener også at Roman- romteleskopet kan brukes til å undersøke hvordan den mystiske mørke energien har akselerert universets utvidelse. Det kan igjen avsløre hvordan universet vil møte sin endelige skjebne.

Oppkalt etter Hubbles mor

Roman-teleskopet har vært underveis i ti år under navnet Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST).

Opprinnelig skulle teleskopet være utstyrt med et nybygd hovedspeil på 1,3 meter, men da Nasa i 2012 fikk muligheter for å overta et 2,4 meter bredt lettvektsspeil fra en pensjonert spionsatellitt – helt gratis – skjøt prosjektet for alvor fart.

Våren 2020 ga romorganisasjonen grønt lys for at ingeniørene ved Jet Propulsion Laboratory i California kunne gå i gang med å bygge og teste Romans instrumenter.

© Bill Hrybyk/GSFC/NASA/SPL

Et par uker senere ble romteleskopet oppkalt etter Nancy Grace Roman, som døde i 2018, 93 år gammel.

Roman ble født i 1925 i Tennessee og bestemte allerede i sjuende klasse at hun ville bli astronom – til tross for at rektoren ved skolen frarådet jenter å studere naturvitenskap. I 1949 tok hun en doktorgrad i astronomi, og ti år senere ble hun ansatt som Nasas sjefastronom.

Strategien førte til oppskyting av flere astronomiske satellitter, men Roman markerte seg særlig som drivkraften bak Hubble-teleskopet.

Jeg lurte på om jeg egentlig hadde oversolgt Hubble. Men jeg må innrømme at jeg senere har blitt overbevist om at jeg ikke hadde gjort det. Nancy Grace Roman (1925-2018), Astronom

Hvis prosjektet forløper som planlagt, vil Nasa plassere Roman-teleskopet i den stabile lagrangepunkt 2-banen, som befinner seg 1,5 millioner kilometer fra jorden i motsatt retning av solen.

I motsetning til Hubble, som går i bane rundt jorden bare 540 kilometer oppe, vil Roman ha fritt utsyn til verdensrommet uten å bli forstyrret av jorden. Og utsyn vil det nye teleskopet få rikelig av.

Romans infrarøde pikselsensor gir nemlig teleskopet et synsfelt som er 100 ganger bredere enn Hubbles og vil kunne avdekke et område av himmelen om lag 200 ganger så raskt.

De vitenskapelige instrumentene på Roman må virke perfekt når det skytes opp. Nasa får nemlig ikke muligheter for å sende astronauter for å reparere eller forbedre Roman, som de gjorde fem ganger med Hubble i årene fra 1993 til 2009.

© TJT Photography/Harris Corp/NASA

Målet er at Roman skal fungere i ti år, og allerede etter de første fem vil det nye romteleskopet ha observert 50 ganger mer av himmelen enn Hubble-teleskopet har klart gjennom tre tiår.

Teleskop skal finne kopi av jorden

Roman blir det første romteleskopet som er utstyrt med en avansert koronagraf, som ved hjelp av linser og speil kan filtrere vekk det sterke lyset fra en stjerne og dermed fotografere de jordlignende eksoplanetene.

Koronagrafen forsinker halvparten av lysbølgene i stjernens lys, slik at de vibrerer i mottakt til den andre halvparten av lysbølgene. Dermed slukker lysbølgene hverandre via et fenomen som kalles destruktiv interferens.

Små mengder av stjernelys slipper imidlertid fortsatt unna linsenes kanter. Dette overskytende lyset fjernes ved å justere formen på to speil inne i koronagrafen ved hjelp av hundrevis av små stempler.

Allerede her vil Roman kunne få øye på store gassgiganter og iskjemper, men for at stjernesystemets indre planeter skal komme tydelig fram, må avansert programvare forbedre bildets oppløsning helt til de små steinplanetene dukker opp.

© Claus Lunau & NASA

Teleskop skal skru av stjernene

Roman blir det første romteleskopet med en avansert koronagraf som kan skru av lyset fra en stjerne. Dermed kan teleskopet ta bilder av lyssvake jordlignende planeter i den beboelige sonen omkring stjernen.

Roman-teleskopets infrarøde kamera tar også i bruk en ny teknikk. Til nå har astronomene oppdaget over 4000 eksoplaneter med to metoder som særlig er velegnet til å få øye på store gassgiganter og iskjemper som går i baner tett på sine stjerner.

Den mest anvendte er transittmetoden, der planeten kaster en skygge og demper stjernens lys en smule når den flyr forbi stjernen.

Den andre metoden ser på stjernens bevegelser. Hvis stjernen slingrer litt, er det et tegn på at en stor planet har påvirket den med gravitasjonsfeltet sitt.

© Claus Lunau/Shutterstock

Roman skal utnytte et helt tredje fenomen, som oppstår når en fjern stjerne beveger seg inn bak en annen stjerne.

Den nære stjernen virker som en såkalt gravitasjonslinse, som krummer rommet omkring seg og derfor sender to forsterkede bilder av den fjerne stjernen rundt seg og inn i teleskopets kamera.

Hvis den nære stjernen har en planet i bane rundt seg, virker planeten som en liten, ekstra gravitasjonslinse som skaper en senere topp i lyssendingen, noe Romans kamera kan fange opp.

Video: Få et detaljert innblikk i hvordan Roman finner eksoplaneter.

I dag er bare 86 eksoplaneter oppdaget ved hjelp av den nye metoden, og oppdagelsene har særlig skjedd med teleskoper på jorden som observerer i synlig lys.

Linsebegivenhetene er imidlertid ekstremt sjeldne, så derfor er det beste stedet å lete etter gravitasjonslinser i Melkeveiens sentrum, der tettheten av stjerner er størst, men her blokkerer store mengder støv synlig lys.

Roman observerer – i motsetning til jordteleskopene – i langbølget infrarød stråling, som trenger gjennom støvet.

Med sitt brede synsfelt kan det nye romteleskopet overvåke 100 millioner stjerner i Melkeveiens sentrum og fange massevis av linsebegivenheter, som typisk bare varer noen få timer.

Den nye metoden vil være følsom nok til å få øye på små steinplaneter, til og med mindre enn Mars.

Derfor vil Roman sannsynligvis finne et stort antall steinplaneter som går i bane rundt sollignende stjerner i den beboelige sonen, der flytende vann, og dermed liv, kan eksistere.

Kjemi avslører mulig liv

Hvis Roman klarer å ta direkte fotografier av eksoplaneter, vil det revolusjonere planetforskningen – særlig hvis bildene avslører en steinplanet dekket med hav og kontinenter som jorden.

Koronagrafen er også utstyrt med et spektrometer som kan bestemme sammensetningen av planetens atmosfære og lete etter spor etter liv.

© Matthew Luem/JPL-Caltech/NASA

Når gjenskinnet fra en eksoplanet passerer atmosfæren, absorberer ulike stoffer hver sine bølgelengder i lyset og viser dermed atmosfærens kjemiske sammensetning.

Hvis for eksempel unormalt store mengder oksygen er til stede, har teleskopet kanskje funnet et tegn på at fotosyntetiske planter eller bakterier lever på planeten.

En annen avslørende gass er metan, som på jorden produseres i stor stil av bakterier og drøvtyggende dyr som kveg.

Romans koronagraf skal særlig fokusere på nære stjerner med planetsystemer, som blir oppdaget med planetjegeren Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Denne planetjegeren holder for tiden på å undersøke 200 000 nære stjerner for steinplaneter der det kan være liv.

Supernovaer er målestokk

Kombinasjonen av Romans vidvinkelkamera og infrarøde pikselsensor vil dessuten gjøre det mulig å se langt tilbake i tid og rom.

Synlig lys fra fjerne galakser blir på reisen mot oss strakt ut til infrarøde bølgelengder på grunn av universets akselererende utvidelse.

Astronomene kaller fenomenet for rødforskyvning, og nettopp rødforskyvning spilte en sentral rolle da den mørke, frastøtende energien ble oppdaget.

Da en mørk, frastøtende energi fikk overtaket over tyngdekraften, begynte verdensrommet å utvide seg. Roman-teleskopet skal måle hastigheten for utvidelsen på tre ulike måter.

© Claus Lunau

Stråling er målebånd fra universets fødsel

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen fra 380 000 år etter big bang rommer en viss regelmessighet i avstanden mellom forløperne for galaksene. Ved å måle den stigende avstanden mellom galaksene kan forskerne beregne hastigheten på universets utvidelse.

© ESA/NASA

Supernovaer fungerer som kosmiske speedometere

Teleskopet skal også finne supernovaer av typen Ia fra den kritiske perioden for fem milliarder år siden, da universets utvidelse akselererte. Jo mer lysets bølgelengde fra stjerneeksplosjonene er forlenget, jo raskere har universet vokst i den perioden.

© STScI/ESA/NASA

Kart viser galaksenes bevegelser over tid

Roman skal måle avstanden til millioner av galakser og skape et tredimensjonalt kart over galaksenes bevegelser, som går helt tilbake nok til 500 millioner år etter big bang. Kartet kan bane vei for en forståelse av hvordan den mørke energien har virket gjennom universets historie.

Den mørke energien ble avslørt av eksploderende stjerner, nærmere bestemt supernovaer av typen Ia.

Fordi de alltid har den samme massen, er lysstyrken veldig ensartet, og eksploderende stjerner kan derfor fungere som kosmiske fyrtårn som viser avstander i verdensrommet. Det oppdaget astronomene i 1998, da fjerne supernovaer lyste uventet svakt sammenlignet med nære supernovaer.

Variasjonen i lyset skyldtes ifølge forskerne at de fjerne supernovaene rett og slett hadde beveget seg lenger vekk enn ventet fordi universets utvidelse har akselerert.

Teorien ble bekreftet ved å måle rødforskyvningen av supernovaenes lys. Jo mer lysets bølgelengde er forlenget, jo raskere har universet vokst i perioden.

I dag vet astronomene at hastigheten på universets utvidelse gikk langsommere og langsommere i de første ni milliardene år etter big bang, fordi galaksehopene den gang lå tettere, og den innbyrdes tyngdekraften bremset utvidelsen.

© Shutterstock

Men for fem milliarder år siden fikk den mørke energi overtaket. Hvorfor den mørke energien vant brytekampen, er fortsatt en gåte, og derfor blir en av Roman-teleskopets viktigste oppgaver å levere detaljerte målinger av utvidelsen gjennom hele universets historie.

Det skal blant annet skje ved å observere store mengder av supernovaer som eksploderte i den kritiske perioden for omkring fem milliarder år siden.

To teorier kjemper mot hverandre

Grunnen til at forskerne er så ivrige etter å kjenne hastigheten på universets utvidelse helt tilbake fra big bang, er at akselerasjonen kan besvare det store spørsmålet om hvordan den mørke energien virker.

I dag er det to hovedteorier. Den ledende modellen er basert på relativitetsteorien og sier at den mørke energien stammer fra det tomme rommet mellom galaksene.

Teorien forutsier at den mørke energien er konstant, så et tomrom av en gitt størrelse alltid rommer den samme mengden frastøtende energi.

I takt med universets utvidelse har tomrommet vokst, og derfor har den mørke energiens styrke steget med tiden, slik at den for fem milliarder år siden overvant tyngdekraften og akselererte universets utvidelse.

Den konkurrerende teorien sier derimot at den mørke energien er et ukjent kraftfelt som fyller hele universet og som kan variere over tid. Ifølge teorien ble kraftfeltet skrudd opp for fem milliarder år siden, slik at universets utvidelse fikk ekstra fart.

To teorier forsøker å forklare universets mørke energi. Ifølge den ene teorien er energien konstant og stammer fra tomrommet mellom galaksene. Ifølge den andre teorien varierer den frastøtende energien over tid. De to teoriene gir helt ulike scenarier for universets skjebne.

© Claus Luanu & Roen Kelly/Discover Magazine

TEORI 1: Konstant energi fører til uendelig utvidelse

Hvis tomrommets energi er konstant, vil rommet fortsette å utvide seg til evig tid, slik at de fleste av universets galakser om noen milliarder år har beveget seg så langt bort fra oss at vi ikke lenger kan se dem. Bare galaksene i vårt lokale nabolag vil være synlige.

© Claus Lunau

TEORI 2: Varierende energi kan rive alt fra hverandre

Hvis den mørke energien er et varierende kraftfelt, vil styrken i framtiden vokse eksplosivt. Ifølge noen teorier vil den frastøtende energien først rive stjernene fra hverandre og deretter splitte hvert eneste atom i universet. Scenariet kalles big rip.

© Claus Lunau

TEORI 2: Tyngdekraften trekker universet sammen igjen

En varierende mørk energi kan også bli svekket i framtiden. I så fall vil tyngdekraften igjen få overtaket over den mørke energien og med tiden trekke all massen i universet sammen i et uendelig lite punkt. Scenariet kalles big crunch.

© Claus Lunau

TEORI 2: Universet og de fysiske lovene kollapser

Ifølge noen teorier vil den varierende mørke energien få universet til å kollapse på uforutsigbart vis og skape et helt annerledes univers med andre elementærpartikler og naturkrefter. Universets framtid er i så fall ett stort spørsmålstegn.

Romans kartlegging av utvidelseshastigheten kan avgjøre hvilken av de to teoriene som er riktig. Hvis hastigheten har steget proporsjonalt med universets volum, tyder det på en mørk energi med konstant styrke.

Varierer utvidelseshastigheten derimot i ulike epoker, peker pilen i stedet på et skiftende kraftfelt.

Svaret fra det nye romteleskopet blir avgjørende for å forstå universets utvikling og forutsi framtiden.

En hele tiden mørk energi vil universet fortsette å utvide seg raskere og raskere i all evighet. Men hvis den mørke energien er et varierende kraftfelt, kan styrken med tiden vokse så eksplosivt at den frastøtende energien til slutt river alle stjerner og planeter fra hverandre.

Kraftfeltet kan også bli svekket, slik at tyngdekraften igjen får overtaket og trekker all massen sammen i en big crunch.

Nancy Grace Romans visjon vil dermed ikke bare bidra til å finne liv i verdensrommet, men også avsløre hvordan alt sammen ender.