– Vi bruker universet som laboratoriet vårt

– Det er et ganske magisk sted. Du befinner deg på randen av et digert vulkankrater med skyene under deg og de beste solnedgangene du har sett. I tillegg har du en nattehimmel med veldig lite lysforurensning, og teleskopene i seg sjøl er fantastisk fine, sier stipendiat i høyenergifysikk, Gert Werner Kluge. Han snakker om gjesteoppholdet sitt ved observatoriet som ligger på den nordvestligste, kanariske øya, La Palma. Nærmere bestemt på øyas høyeste punkt, Roque de los Muchachos, som er rett under høyden på Galdhøpiggen.

Hit kommer astrofysikere fra hele verden for å observere nattehimmelen. Kluge var der en måned i februar 2023 for å operere teleskopene Magic 1 og Magic 2 for første gang. I oktober var han tilbake for å lære mer detaljert om teleskopenes undersystemer.

Navnet på teleskopene er et akronym og står for Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov. Teleskopene bærer også navnet Florian Goebel etter den tyske astrofysikeren som døde her i 2008 på jobb ved Magic 2.    

Fysisk til stede

Det tok åtte år med fysikkstudier før Kluge fikk vært fysisk med på å operere et teleskop. 

– Nå sitter jeg i Norge igjen og bruker maskinlæring på dataene mine som er basert på teleskopet på La Palma. Det å komme opp dit, å se og ta på teleskopet, gir en helt annen nærhet til  prosjektet mitt, sier Kluge og fortsetter: 

– Ikke minst det å ta inn over seg og anerkjenne hvor mye jobb det har vært å lage teleskopene, er viktig for meg.

Hvert minste subsystem som brukes, er en doktorgrad i seg selv.

– Når en liten del av teleskopet ikke fungerer, må du kontakte hen som har stått for akkurat den lille delen for å kunne reparere det. Det er så komplekst.  

For Kluge var det aller mest givende med oppholdet å få en praktisk forståelse for hvordan teleskopet funker, forteller han. 

Glinsende speil

Magic-teleskopene er godt synlige når man kommer kjørende inn i observatorie-området. De er bygget opp av firkantede speil som tilsammen blir en flate på 17 meter i diameter. Speilene glinser i sola der de ligger mellom tørre busker i vulkansk jord i et juv rett ved hotellet som er forbeholdt de som jobber ved observatoriet. På dette hotellet brukes det minst mulig lys og det er blendingsgardiner på alle rom. Hele området er forbeholdt de arbeidende. Tilgangen til fjellet stenger nemlig klokka sju hver kveld for å sørge for at billys ikke lysforurenser når teleskopene brukes. 

Titan møter de tyske doktorgradsstipendiatene Felix Schmuckermaier og Marine Pihet som har jobbet ved observatoriet fem og seks ganger. De går skift på 12 timer fra 19 til 7 sammen med åtte andre. 

– Magic 1 og 2 er 20 år gamle nå, så de har tegn på aldring, sier Schmuckermaier og peker bort på noen metallkonstruksjoner som er under oppføring:

– Dette er starten på neste generasjon med teleskoper av samme type som Magic 1 og 2. Hele dette området kommer til å være dekket av teleskoper i fremtiden. Det blir mellom 10 og 13 teleskoper, avhengig av budsjettet.

Det første teleskopet er allerede ferdig, LST-1 som er det største av de tre gammateleskopene på La Palma. De tre neste blir tilsvarende før de mindre teleskopene skal bygges. Tilsammen kommer teleskopene til å utgjøre helheten CTA (Cherenkov Teleskope Array) som blir ti ganger kraftigere enn dagens gammateleskop. I Atacama-ørkenen i Chile settes det opp  en tilsvarende park med teleskoper som vil være forbundet med de på La Palma.

Kaskader av lys

De store speilene på Magic 1 og Magic 2 brukes til å fange opp lys fra vår egen galakse, og de fjernere galaksene. Nærmere bestemt er det gammastråler speilene fanger opp.

Ett enkelt foton utløser en flere kilometer lang partikkelkaskade. Det gjøres ved at fotonet produserer nye partikler med høy energi, som selv produserer enda flere partikler. I prinsippet kan det blå lyset i partikkelkaskaden sees så nærme som 10 kilometer fra den jordiske bakken, og med et menneskeøye, men lysglimtet varer kun i noen få nanosekunder og er veldig svakt. Derfor må det fanges opp av de enorme speilene på La Palmas høyeste punkt.

Når lyset treffer speilene festes lysglimtet på film via det nanoteknologiopererte kameraet som er montert midt imot speilene. Så sendes dataene inn i systemet som skiller ut det som kan brukes i videre forskning. Hvert døgn lagres det omtrent en terabyte som sendes til Barcelona der dataene gjøres tilgjengelig for et nettverkt på 300 forskere.

Ved å se på størrelsen og retningen på kaskadene kan forskerne rekonstruere hvilken retning gamma-fotonet kom fra, og hvor mye energi det hadde. Og så gjøres denne prosessen noen tusen ganger iløpet av ett sekund.

Teleskopkonstruksjonen er laget av en blanding av stål og karbon. Hele teleskopet veier 70 tonn. Det lette, men ustabile karbonet gjør at hvert enkelt speil må fininstilles automatisk hvert 20 sekund. På vindfulle dager er det spesielt viktig. De sikres også med bolter, men teleskopet kan endre siktretning på under ett minutt ved å flyttes langs skinnene de står på. Noen fenomener kan vare så kort at det blir umulig å fange dem med teleskopene.      

Få objekter å undersøke

Men generelt er det ikke mange prosesser i kosmos som er kraftige nok til å produsere energien de tyske doktorgradsstudenete leter etter. Per nå vet de om 300 objekter de undersøker igjen og igjen med timelister for når og hvordan det skal gjøres. Den første gangen man fant et slikt objekt, var for 40 år siden, forklarer Schmuckermaier og legger til at for eksempel en supernova kan produsere energi på det nivået de leter etter. Hittil har ikke det blitt fanget opp av teleskopene som brukes i stereo.

– Stort sett ser vi på det vi allerede kjenner. Vi er det observerende leddet og kan ikke påvirke det vi ser på, sier Pihet. 

Det Kluge leter etter på nattehimmelen er sekundært for ham, forteller han:

– Jeg ser etter en hypotetisk partikkel som er forutsett av forskjellige teorier innenfor partikkelfysikk. Det er egentlig en klasse av partikler som oppfører seg på en bestemt måte. 

Partiklene heter "Axion-lignende-partikler (ALP)". Disse partiklene kjennetegnes av at de vekselvirker med fotoner. Partikkelen kan bli til fotoner og  fotoner kan bli til partikkelen.

– Hvis dette er tilfelle, i hvert fall under visse forutsetninger, burde vi kunne se det i fotonene som kommer fra verdensrommet. Og med Magic-teleskopene kan fotoner med veldig høy energi sees, sier Kluge og utdyper:

– Hvis man som utgangspunkt ser for seg å rette teleskopene mot en spesifikk galakse som produserer ekstra mange gammastråler, og har et ekstra sterkt magnetfelt. Og deretter ser på hvor mye energi fotonene i gammastrålene har, kan man lage en fordeling. Noen fotoner har høyere energi, andre lavere energi.

Ser etter mønster med færre gammastråler 

Resultatet blir en graf der man kan se ulike mønstre i fotonenes energi. Hvis den hypotetiske partikkelen (ALP) Kluge ser etter eksisterer, kan den ankomme jordkloden som ALP, ikke som foton.

– Mønsteret jeg ser etter er at det da vil være færre gammastråler enn forventet ved spesifikke energier.

For å kunne se etter partikkelen trengs et sterkt magnetfelt som finnes i noen galaksehoper som er  regioner med mange, tette galakser.

– Det er dette jeg ser på nå, i min forskning. Men forskningen har to deler. Det ene er å lete etter partikkelen. Den andre delen går på metoden jeg bruker for å se etter partikkelen, som er ved bruk av maskinlæring. Metoden kan også brukes på andre problemstillinger innenfor partikkelfysikken, sier Kluge og utdyper hva metoden går ut på:

– Maskinlæring kan brukes til å sjekke sannsynligheten i alle tenkbare scenarier. Vi vet ikke nøyaktig hvor sterke magnetfeltene er i en gitt galaksehop. Vi vet heller ikke alt om fysikken som produserer gammastrålene i galaksehopen. Dermed vet vi ikke hva vi bør forvente av antall gammastråler vi ser.   

– Når vi da ser færre gammastråler enn forventet ved noen energier, må vi ta stilling til hvor sannsynlig det er at grunnen er ALPers eksistens eller at forventningen vår bare var feil. Der er maskinlæring helt uvurderlig. 

Vi bruker universet som laboratoriet vårt

Det er ikke sånn at Kluge som forsker forventer at han alene kommer til å finne ut noe revolusjonerende om den hypotetiske partikkelen han undersøker. Det som er viktig for Kluge er å være en del av noe større, forteller han.  

 Hvis du som enkeltforsker forventer å finne noe stort helt på egenhånd, så vil du antagelig bli veldig skuffet.

Kluge

– Vi har kommet så langt i fysikken at det å finne ut noe virkelig nytt om de grunnleggende grunnlovene, krever veldig mye. Det innebærer store, komplekse eksperimenter og omfattende dataanalyse. Denne jobben gjøre ikke av individer, men av forskerne som helhet, sier Kluge og fortsetter: 

– Jeg syns det er fascinerende, til og med poetisk, at vi bruker de største, mest ekstreme objekter i verdensrommet som instrument for å studere de minste, mest "anonyme" partiklene som finnes. Vi bruker universet som laboratoriet vårt.