Image
""

Astrofysiker Hans Kristian Eriksen bruker enorme databeregninger for å kunne avdekke de svært svake signalene fra universets barndom, 380.000 år etter Big Bang. Foto: Ola Sæther/UiO

Slik skal astrofysikerne avsløre Big Bang

Gravitasjonsbølger avslører hvordan universet så ut det første mikronanosekundet etter Big Bang.

Astrofysikere over hele verden jublet da det milliard-dyre teleskopet Planck ble skutt opp av den europeiske romfartsorganisasjonen ESA for snart 12 år siden. I løpet av noen år målte teleskopet de ørsmå temperaturvariasjonene i den kosmiske bakgrunnsstrålingen fra det magiske øyeblikket da universet ble synlig, 380.000 år etter Big Bang. De fikk da et bilde av hvordan universet så ut den gangen.

Nå vil astrofysikerne gå enda lenger tilbake i universets historie. De skal avsløre hvordan universet så ut det første øyeblikket etter Big Bang. Denne spesielle tiden kalles for inflasjonen og varte så kort som 10 opphøyd i minus 34 sekunder. Her snakker vi om et så kort tidsrom som 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 sekunder, eller for dem som foretrekker de gode, gammeldagse begrepene, snakker vi om noe sånt som en trilliontedel av et sekstilliontedels sekund.

På denne ufattelig korte tiden ekspanderte universet fra størrelsen av et atom til en bredde på 1 til 100 lysår. Det er enormt stort. Og det var nettopp i dette korte skapelsesøyeblikket at all materien som vi ser i dag, ble dannet.

– Vi kan derfor kalle inflasjonen for den mest epokegjørende i universets tilblivelse, poengterer professor Hans Kristian Eriksen på Astrofysisk institutt på UiO.

– Det finnes mange teorier om inflasjonen. Ja, det er faktisk flere inflasjonsteorier enn inflasjonsteoretikere.

Universets historie og Big Bang starter til venstre i figuren - med et uendelig lite punkt som utvidet seg enormt på en brøkdel av en brøkdel av et sekund. Denne tiden kalles for inflasjonen. 380.000 år senere slapp lyset fri. Det er dette lyset som kalles den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Helt til høyre er slik universet er i dag. 

Det eneste sporet som finnes fra dette magiske øyeblikket, er gravitasjonsbølger.

– Gravitasjonsbølger er derfor ekstremt viktige i moderne kosmologi. De kan gi oss det første bildet av universet rett etter skapelsen.

Hva er gravitasjonsbølger?

Mens målingene av den kosmiske bakgrunnsstrålingen viser hvordan universet så ut 380.000 år etter Big Bang, kan gravitasjonsbølgene ta oss med helt tilbake til unnfangelsen av universet.

Einstein forutså gravitasjonsbølgene allerede da han lanserte relativitetsteorien i 1916. Den gangen hadde ingen observert en eneste gravitasjonsbølge. Først hundre år senere, i 2016, klarte astrofysikerne for første gang å måle gravitasjonsbølger. De ble dannet etter en kollisjon mellom to svarte hull 1,4 milliarder lysår borte.

Du lurer kanskje på hva gravitasjonsbølger er?

Da må du forstå sammenhengen mellom gravitasjon og relativitetsteorien. Einsteins relativitetsteori er en geometrisk modell for gravitasjon i universet. Eriksen forklarer gravitasjonen med denne metaforen:

– Hold opp et laken og legg en kanonkule på lakenet. Lakenet blir da presset ned. Hvis du slipper en klinkekule på lakenet, vil den trille mot kanonkulen, ikke fordi de to kulene tiltrekker hverandre, men fordi rommet er krumt. Dette er Einsteins bilde av gravitasjonskraften. Gravitasjonskraften handler med andre ord om krummingen av rommet.

Ved å kartlegge den kosmiske bakgrunns-strålingen kan astrofysikerne få et bilde av hvordan universet så ut 380.000 år etter Big Bang. Kartet viser de bittesmå temperaturforskjellene i universet den gangen. Astrofysikerne skal nå måle temperaturforskjellene enda mer nøyaktig. Det vil da være mulig å se gravitasjonsbølgene fra inflasjonen, den første brøkdelen av et sekund etter Big Bang.

– Men hva er så gravitasjonsbølger?

– Hvis du begynner å riste i lakenet, vil du få bølger i lakenet. Du kan betrakte dette som gravitasjonsbølger.

Disse gravitasjonsbølgene er det eneste sporet menneskeheten har for å få et bilde av hva som skjedde da universet ble skapt for 13,8 milliarder år siden.

I slutten av dette tiåret skal Japan sende opp arvtakeren etter Planck, kalt LiteBIRD, som skal måle nettopp disse gravitasjonsbølgene.

Slik måles gravitasjonsbølger

Du lurer kanskje på hvordan det er mulig å måle disse gravitasjonsbølgene? Det er lettere sagt enn gjort.

Gravitasjonsbølgene kan observeres i den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Takket være satellitten Planck ble den kosmiske bakgrunnsstrålingen kartlagt allerede for noen år siden.

Det skjedde ved å måle de ørsmå temperaturforskjellene i mikrobølgene fra universets barndom. Astrofysikerne i Oslo laget et dataprogram som fjerner all støyen i dataene, for å fjerne signalene fra Melkeveien og alle de andre galaksene, samt støv og gasser fra supernova-eksplosjoner. Da kunne de, med andre ord, se tvers gjennom Melkeveien og få tidenes innblikk i universets spede begynnelse.

Jo lenger ut i verdensrommet du ser, jo lenger ser du tilbake i tid. Lyset fra solens nærmeste stjerne har brukt fire år til jorda. Når du studerer denne stjernen, ser du derfor fire år tilbake i tid. Signalene fra universitets barndom har brukt over 13 milliarder år på reisen. Disse signalene er svært svake. Da astrofysikerne studerte disse signalene, så de helt tilbake til 380.000 år etter Big Bang. Trikset var å lytte til helt bestemte frekvenser. Planck skannet hele universet etter ni ulike frekvenser.

Det umulige er mulig

Det er faktisk et stort støvlag fra galaksen vår som legger seg som et teppe foran den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Dette er støv i galaksen som blir varmet opp av nærliggende stjerner. Når støvet vibrerer, sender det ut lys. For at astrofysikerne skal kunne se den kosmiske bakgrunnsstrålingen, må de filtrere bort alt dette støvet. Det er en omfattende jobb. Illustrasjon: Trygve Leithe Svalheim

Uheldigvis er det ikke mulig å se eldre signaler. Likevel er det mulig! Astrofysikerne kan observere gravitasjonsbølgene som polarisasjon av den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Forklaringen er faktisk enkel. Når gass presses sammen, blir den varm, akkurat som i en sykkelpumpe. Hvis gassen ekspanderer, blir den kald.

– Når en gravitasjonsbølge går gjennom rommet, og rommet vekselvis trykkes sammen eller ekspanderer, blir også lyset i dette rommet vekselvis varmere og kaldere. Og det er nettopp disse variasjonene som vi i dag kan observere som polarisert lys, sier Eriksen.

Planck kartla den kosmiske bakgrunnsstrålingen ved å måle temperaturendringene. Temperaturen i den kosmiske bakgrunnsstrålingen er på ca. 3 Kelvin. Det er bare tre grader høyere enn den absolutte minimumstemperaturen på minus 273,15 grader. Instrumentene på Planck var så fintfølende at astrofysikerne klarte å måle temperaturforskjeller på en titusendels grad.

Selv om dette høres imponerende ut, er ikke nøyaktigheten god nok til å spore opp gravitasjonsbølgene fra Big Bang. De er forferdelig svake.

– Når vi skal lete etter gravitasjonsbølger, må vi lete etter noe som bare har en temperaturforskjell på ti nanoKelvin, forklarer Eriksen.

Det vil si at astrofysikerne må kunne måle så små temperaturendringer som en hundremilliontedels grad. Det er fryktelig lite.

Ettersom galaksen vår har et stort magnetfelt, vil de små støvpartiklene legge seg langs dette feltet. Dette er et bilde av lys fra disse støvpartiklene som blir polarisert i en bestemt retning på grunn av denne spesielle effekten. Det må også filtreres vekk for å kunne gi et klart bilde av den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Illustrasjon: Trygve Leithe Svalheim

Den eneste løsningen er bedre detektorer for å måle den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Det er nettopp derfor Japan skal skyte opp arvtakeren etter Planck rundt 2030. Den nye satellitten, LiteBIRD, skal utstyres med 4000 detektorer. Disse detektorene vil bli mange ganger bedre enn dagens 50 detektorer i Planck.

UiOs rolle

Du lurer kanskje på hva astrofysikerne i Oslo bidrar med? De har laget en helt ny og revolusjonerende metode som skal kunne analysere alle dataene på rekordtid.

– Vanligvis benyttes en egen modell for Melkeveien, en for det tidligere universet og en for hvert av instrumentene. Vi gjør noe nytt. Vi har samlet alle bitene i det store puslepillet i det samme dataprogrammet. Dette er et paradigmeskifte på hvordan astrodata kan analyseres i fremtiden.

Som eksempel kombinerer det nye programmet dataene fra Planck med satellittmålinger og bakkeinstallerte teleskoper. Planck-teamet hadde 400 forskere. Hver av dem hadde sin rolle. De analyserte hver sin bit og sendte det videre til nestemann.

– Vi har bygd alt inn i det samme dataprogrammet. Ingen har gjort dette tidligere. En analyse som tidligere tok en til to måneder, tar nå to timer.

Som om dette ikke er nok, har astrofysikerne ved UiO også tatt i bruk nye matematiske metoder og statistiske analyser.

– De statistiske metodene er velkjente, men er aldri tidligere blitt brukt i så store datamengder, sier Eriksen.

Numerisk paradis

Her vises den spesielle strålingen som blir dannet når partikler fra supernova-eksplosjoner snurrer i galaksens magnetfelt. Disse signalene må også filtreres bort for å se den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Illustrasjon: Trygve Leithe Svalheim

De har også endret på de numeriske metodene. Numeriske metoder er et fagområde innenfor informatikken som brukes til å løse matematiske og statistiske problemer på datamaskinen. Det er nettopp her forskerne ved UiO er verdensledende. De er eksperter på å koble astrofysiske data med numeriske beregninger.

Selv om modellene er større og mer avanserte enn tidligere, har de optimalisert de numeriske metodene så mye at de ikke lenger trenger å bruke tungregnemaskinene ved UiO. Under den avgjørende kjøringen av Planck-dataene brukte forskerne tungregnemaskinen i nesten en uke. Nå klarer de alt på to timer på instituttets egen maskin.

De har allerede gjennomført de første simuleringene for å vise at de er klare til å analysere gravitasjonsbølger når den japanske satellitten LiteBIRD begynner å samle inn data om åtte år. De har dessuten beregnet hvordan instrumentene på satellitten kan optimeres.

Universitetet i Oslo har fått 50 millioner kroner i forskningsstøtte fra EU for å forske på gravitasjonsbølgene og har nå den nest største forskningsgruppen i LiteBIRD, etter Japan.

Etter tre år har satellitten kartlagt hele bakgrunnsstrålingen. Så trenger forskerne to år på å analysere alle dataene.

Hans Kristian Eriksen er optimistisk.

– Jeg er veldig fornøyd om vi allerede om 15 år kan få et svar på hvordan universet ble dannet.

Artikkelen ble først publisert i Apollon