Undersøgelse af rumtiden med supernovaer

Eksploderende stjerner set over umådelige afstande viser, at den kosmiske udvidelse kan være accelererende - et tegn på, at universet kan blive drevet fra hinanden af en eksotisk ny form for energi

Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner og Nicholas B. Suntzeff*

Indhold:

Hvor er supernovaen?

Indledning
Stjerne varp
Dødsstjerne
På den mørke side
Kraften
Yderligere læsning

For længe siden (omkring fem milliarder år) i en galakse langt, langt væk (omkring 2.000 megaparsec) eksploderede en forlængst afdød stjerne med et glimt lysere end en milliard sole. Dens lys spredtes ud over rummet, blev svagere og straktes med det ekspanderende kosmos, før noget af det endelig nåede jorden. Indenfor 10 minutter i løbet af en mørk nat i 1997 landede nogle få hundrede fotoner fra denne supernova på spejlet af et teleskop i Chile. En computer ved observatoriet skabte så et digitalt billede, der viste ankomsten af dette lille lysblip. Skønt den ikke var særlig imponerende at se på, var denne svage plet et betagende syn - et nyt fyr til undersøgelse af rum og tid.
Vi og vore kolleger rundt omkring i verden har sporet ankomsten af lys fra adskillige dusin sådanne supernovaer og brugt disse observationer til at kortlægge universets overordnede form og notere dets udvidelse. Det vi og et andet hold astronomer fornylig har opdaget udfordrer årtiers konventionel visdom: det ser ud til at universet er større og mere tomt end antaget. Desuden nedsætter dets igangværende udvidelse ikke farten så meget som mange kosmologer havde forventet; faktisk kan den være ved at sætte farten op.

Stjerne varp

Den kosmiske udvidelse har været af stor interesse i det meste af dette århundrede, fordi den afspejler både universets geometri og naturen af dets indhold - stof, lys og muligvis andre, mere listige former for energi. Albert Einsteins almene relativitetsteori knytter disse fundamentale egenskaber ved universet sammen og beskriver hvordan de påvirker stoffets bevægelse og udbredelsen af lys og giver derved forudsigelser om konkrete ting, som astronomer kan måle i virkeligheden.
    Før offentliggørelsen af Einsteins teori i 1916 og de første observationer af kosmisk udvidelse i det følgende årti mente de fleste forskere, at universet bibeholdt den samme størrelse. Selv Einstein troede ikke på sine ligninger, da det gik op for ham, at de medførte et dynamisk univers. Men nye målinger af galaktiske bevægelser af Edwin P. Hubble og andre efterlod ingen tvivl: svage, fjerne galakser fløj væk fra jorden hurtigere end lyse, nærliggende, svarende til den almene relativitets forudsigelser om et univers der vokser og fører galakser længere væk fra hinanden. Disse forskere bestemte galaksernes udadrettede hastigheder ud fra forskydningen af synlige spektrallinier til længere bølgelængder (såkaldt rødforskydning). Skønt den ofte tilskrives Dopplereffekten - det fænomen der er ansvarligt for at ændre tonehøjden af en passerende fløjte eller et bilhorn - er det mere korrekt at tænke på den kosmologiske rødforskydning som et resultat af universets igangværende udvidelse, der strækker bølgelængden af lys, som passerer mellem galakserne. Udstrålinger fra fjernere objekter, der har rejst i længere tid, bliver mere rødforskudt end stråling fra nærmere kilder.
    Teknologien på Hubbles tid begrænsede den første undersøgelse af kosmisk udvidelse til galakser, der var forholdsvis tæt på. I løbet af den tid det tog lys fra disse nærtliggende galakser at nå jorden, havde universet kun udvidet sig med en lille brøkdel af dets overordnede størrelse. For sådanne moderate ændringer er rødforskydningen direkte proportional med afstanden; de tos faste forhold kaldes Hubbles konstant og betegner den nuværende hastighed af kosmisk udvidelse. Men astronomer har længe forventet, at galakser længere væk ville afvige fra dette enkle forhold mellem rødforskydning og afstand, enten fordi udvidelsens hastighed har ændret sig med tiden eller fordi det mellemliggende rum er varpet. Måling af denne virkning udgør således et vigtigt mål for kosmologer - men det er vanskeligt, for det kræver midlerne til at bestemme afstandene til galakser, der er placeret utroligt langt væk.
    Hubble og andre pionerer anslog afstandene til forskellige galakser ved at antage, at de alle havde den samme væsentlige lysstyrke. Ifølge deres logik var dem der forekom lyse relativt tæt på og dem der forekom svage langt væk. Men denne fremgangsmåde virker kun groft, fordi galakser har forskellige egenskaber. Og den fejler fuldstændigt for fjerne kilder, hvis lys er så længe om at nå jorden, at det afslører de fjerne galakser, som de var for milliarder af år siden (dvs. i deres ungdom), fordi deres væsentlige lysstyrke kunne have været temmelig forskellig fra de mere modne galakser, der ses tættere ved jorden. Det er vanskeligt at adskille disse evolutionære forandringer fra virkningerne af udvidelsen, så astronomer har længe søgt andre "standard lys", hvis væsentlige lysstyrke er bedre kendt.
    For at være synlige milliarder af lysår væk, skal disse fyr være meget lyse. I de tidlige 1970'ere prøvede nogle kosmiske undersøgere at bruge kvasarer, som er umådelig energirige kilder (sandsynligvis drevet af sorte huller der sluger stjerner og gas). Men de kvasarer, de studerede, viste sig at være endnu mere forskellige end galakser og var således til ringe nytte.
    Omtrent på samme tid begyndte andre astronomer at udforske ideen om at bruge supernovaer - eksploderende stjerner - som standard lys til kosmologiske studier. Den indfaldsvinkel var kontroversiel, fordi også supernovaer udviser store variationer i deres egenskaber. Men i det sidste årti har forskning udført af medlemmer af vort hold sat forskerne i stand til at bestemme den væsentlige lysstyrke af en slags supernova - type Ia - temmelig præcist.

Dødsstjerne

Hvad er en type Ia supernova? Essentielt er det den eksplosion der sker, når en død stjerne bliver til en naturlig termonuklear bombe. Selv om denne endelige omdannelse er spektakulær, begynder forfaderen sit liv som en almindelig stjerne, en stabil bold af gas hvis ydre lag holdes oppe af varmen fra stabile kernereaktioner i dens kerne som omdanner brint til helium, kulstof, ilt, neon og andre grundstoffer. Når stjernen dør, samler kernens aske sig til en ulmende glød, som af tyngdekraften er komprimeret til jordens størrelse og en million gange almindeligt stofs tæthed.
    De fleste sådanne hvide dværgstjerner afkøles simpelthen og svinder bort, dør med en klynken. Men hvis en kredser nær en anden stjerne, kan den slubre materiale i sig fra sin ledsager og blive tættere og tættere indtil en løbsk termonuklear ildstorm tændes. Den atomare omvæltning blæser dværgstjernen fuldstændig fra hinanden, idet den udspyr materiale med omkring 10.000 kilometer pr. sekund. Gløden fra denne ekspanderende ildkugle er omkring tre uger om at nå sin maksimale lysstyrke og daler så over en periode på måneder.
    Disse supernovaer varierer lidt i deres lysstyrke, men der er et mønster: større, lysere eksplosioner varer noget længere end de svagere. Så ved at overvåge hvor længe de varer, kan astronomer korrigere for forskellene og udlede deres væsentlige lysstyrke indenfor 12 procent. I løbet af det sidste årti har studier af nærtliggende type Ia supernovaer med moderne detektorer gjort disse glimt til de bedst kalibrerede standard lys, som astronomerne kender.
    Et af disse lys tænder et eller andet sted i en typisk galakse omkring hver 300 år. Skønt sådanne stjerneeksplosioner i vores egen Mælkevej er sjældne stjernebegivenheder, kan man, hvis man overvåger nogle få tusinde andre galakser, forvente, at omkring en type Ia supernova vil dukke op hver måned. Faktisk er der så mange galakser i universet, at der et eller andet sted på himlen udbryder supernovaer, som er lyse nok til at studere, med få sekunders mellemrum. Det eneste astronomerne skal gøre er at finde dem og studere dem omhyggeligt. I de seneste få år har det arbejde optaget både vor forskningsgruppe, kaldet "High-Z Team" (efter bogstavet astronomer bruger til at betegne rødforskydning), en løs sammenslutning, som blev organiseret i 1995 af Brian P. Schmidt fra Mount Stromlo og Siding Spring Observatories i Australien og en konkurrerende sammenslutning kaldet Supernova Cosmology Project, som begyndte i 1988 og ledes af Saul Perlmutter fra Lawrence Berkeley National Laboratory.

KOSMISK EKSPANSION kunne, i teorien, følge et af tre enkle mønstre: den kan være konstant (venstre), decelererende (midten) eller accelererende (højre). I hvert tilfælde vokser en given del af universet i størrelse som tiden går (fra bund til top). Men universets alder – tiden, der er gået siden ekspansionens begyndelse – er større for et accelererende univers og mindre for et decelererende univers sammenlignet med tilfældet med konstant ekspansion.

DANIELS & DANIELS

Selv om de to hold har uafhængige programmer, udnytter de det samme fundamentale fremskridt: anvendelsen af store elektroniske lysdetektorer på gigantiske teleskoper, en kombination der frembringer digitale billeder af fjerne objekter over betydelige dele af himlen. Et fint eksempel på denne nye teknologi (som har tjent begge hold) er Big Throughput Camera, som blev udviklet af Gary M. Bernstein fra University of Michigan og J. Anthony Tyson fra Lucent Technologies. Når dette kamera placeres i fokus på fire-meter Blanco Telescope på Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, dækker en enkelt eksponering et område omtrent så stort som fuldmånen og skaber et billede af omtrent 5.000 galakser på 10 minutter.
    At finde fjerne supernovaer er blot et spørgsmål om at tage billeder af den samme del af himlen med nogle få ugers mellemrum og lede efter ændringer, der kan være eksploderende stjerner. Fordi de digitale lysdetektorer kan tælle antallet af fotoner i hvert billedelement præcist, fratrækker vi simpelthen det første billede fra det andet og ser efter betydelige forskelle fra nul. Da vi tjekker tusinder af galakser i hvert billedpar, kan vi stole på, at gennemsøgningen af mange par vil finde mange supernovaer - så længe vejret er godt. Heldigvis giver observatoriets placering, i bakkerne ved foden af Andesbjergene på den sydlige kant af Chiles Atacama ørken (et af de tørreste steder i verden), sædvanligvis klar himmel. Da vi vædder på, at vi vil gøre nogle gode opdagelser, planlægger vi observationstid på forhånd på et batteri andre teleskoper rundt om i verden, så opfølgende målinger kan begynde, før supernovaer svinder væk.
    I praksis oppisker eftersøgningen af eksploderende stjerner på himlen sit eget udbrud af aktivitet på jorden, fordi vi skal fremskaffe og sammenligne hundreder af store, digitale billeder med en halsbrækkende hastighed. Vi bruger computere spredt over hele Cerro Tololo observatoriet med det formål at rette billederne ind, korrigere for forskelle i atmosfærisk gennemsigtighed og billedstørrelse og at trække det ene billede fra det andet. Hvis alt går godt, forsvinder de fleste af galakserne og efterlader blot en lille smule visuel "støj" i forskel på de to billeder. Større signaler viser et eller andet nyt objekt eller et objekt der har ændret sig som variable stjerner, kvasarer, asteroider - og i nogle få tilfælde, supernovaer.
    Vores software noterer positionen af nye objekter og forsøger at identificere hvilke der er sande supernovaer. Men de automatiserede tester er unøjagtige og vi må undersøge billederne med øjnene, for at bestemme om en formodet supernova er virkelig. Da vi skal forfølge vore opdagelser øjeblikkeligt med andre teleskoper, skal analysen udføres hurtigt. I disse anstrengende perioder bliver observatoriet til en arbejdsplads med astronomer og besøgende studerende, som arbejder døgnet rundt i dagevis, holdt oppe af entusiasme og Chilensk pizza.
    Dernæst sigter vi på de bedste supernovakandidater med de største optiske instrumenter i verden, de nyligt konstruerede Keck teleskoper på Hawaii. Disse kritiske observationer fastslår, om de opdagede objekter i virkeligheden er type Ia supernovaer, måler deres væsentlige lysstyrke mere eksakt og bestemmer deres rødforskydning.

På den mørke side

Andre i vor gruppe, som arbejder med teleskoper i Australien, Chile og U.S.A., følger også disse supernovaer for at spore, hvordan deres lysstyrke topper og så langsomt dør hen. Observationskampagnen for en enkelt supernova varer måneder og den endelige analyse må ofte vente et år eller mere, når den eksploderende stjernes lys næsten er forsvundet, så vi kan opnå et godt billede af dens værtgalakse. Vi bruger dette sidste billede til at fratrække galaksens konstante glød fra billederne af supernovaern. Vores bedste målinger kommer fra Hubble Space Telescope, som fanger så fine detaljer, at den eksploderende stjerne tydeligt står frem fra sin værtsgalakse.
    De to hold har nu studeret en total på nogle få snese supernovaer med høj rødforskydning, de er brudt ud for mellem fire og syv milliarder år siden, da universet var mellem en halv og to tredjedele af sin nuværende alder. Begge grupper kom ud for en stor overraskelse: supernovaer er svagere end forventet. Forskellen er lille, da de fjerne supernovaer i gennemsnit kun er 25 procent svagere end forudsagt. Men dette resultat er nok til at stille spørgsmål ved længe gældende kosmologiske teorier.
    Før de har truffet nogen fejende konklusioner, har astronomer på begge hold spurgt sig selv, om der er en prosaisk forklaring på den relative svaghed af disse fjerne supernovaer. En synder kunne være mørket forårsaget af kosmisk støv, som kunne afskærme for noget af lyset. Vi tror imidlertid, vi kan afvise denne mulighed, fordi støvkornene ville have tendens til at filtrere blåt lys mere end rødt og få supernovaer til at forekomme mere røde, end de virkelig er (på samme måde som atmosfærisk støv farver den nedgående sol). Vi observerer ingen sådan forandring. Vi ville også forvente, at kosmisk støv, medmindre det er spredt meget jævnt i rummet, ville indføre en stor mængde variation i målingerne, hvilket vi heller ikke ser.
    En anden mulig forstyrrelse er gravitationel linsning, afbøjningen af lysstråler når de snitter galakser på vejen. Sådan linsning forårsager en gang imellem, at objektet bliver lysere, men oftest forårsager det formindskelse og kan således bidrage til svagheden af fjerne supernovaer. Dog viser beregninger, at denne virkning kun bliver vigtig for kilder, der er placeret endnu længere væk end de supernovaer, vi studerer, så vi kan også forkaste denne komplikation.
    Endelig bekymrede vi os om, at de fjerne supernovaer på en eller anden måde er forskellige fra de nærtliggende, måske dannedes de af yngre stjerner, der indeholder færre tunge grundstoffer, end det er typisk i mere modne galakser. Skønt vi ikke kan udelukke denne mulighed, prøver vores analyse allerede at regne med sådanne forskelle. Disse justeringer synes at virke godt, når vi anvender dem på nærtliggende galakser, som er vidt spredt i alder, sammensætning og typen af supernova der ses.

ELASTIK EKSPERIMENT viser det lineære forhold mellem tilbagetrækningshastighed og afstand. Her er vist to lynskud af en elastik, der trækkes opad med en vis hastighed. Hastigheden af forskellige punkter, der er markeret på elastikken, gives af længden af de farvede pile. For eksempel bevæger punktet tættest på oprindelsen sig mindst i intervallet mellem lynskuddene, så dets hastighed er den mindste (gule pil). I kontrast hertil bevæger det fjerneste punkt sig mest, så dets hastighed er den højeste (violet pil). Den resulterende linies hældning er ekspansionens hastighed (venstre graf). Hvis hastigheden ændrer sig med tiden, vil hældningen også ændre sig (højre graf). Tidligere tider plottes øverst til højre, fordi lys fra fjernere objekter tager længere tid om at nå jorden, plottets oprindelse. Hvis hastigheden var lavere i fortiden – hvilket ville vise, at ekspansionen er accelereret – vil linien krumme opad (rød linie). Hvis hastigheden var højere – som i en decelererende ekspansion – vil den krumme nedad (blå linie).

DANIELS & DANIELS, DAVID SCHNEIDER

Fordi ingen af disse virkninger passer med de nye observationer, føres vi og mange andre forskere nu til at mene, at den uventede svaghed af fjerne supernovaer virkelig er forårsaget af kosmos' struktur. To forskellige egenskaber ved rum og tid kan bidrage.
For det første kunne rummet have negativ krumning. En sådan varpning er lettere at begribe med en to-dimensionel analogi. Skabninger, der lever i en fuldstændig flad, to-dimensionel verden (som personerne i Edwin A. Abbotts klassiske roman Flatland), ville finde, at en cirkel med radius r har en omkreds på nøjagtig 2r. Men hvis deres verden listigt blev bøjet til en saddelform, ville den have en lille negativ krumning [se "Inflation in a Low-Density Universe," af Martin A. Bucher og David N. Spergel, på side 42][Inflation i et univers med lav tæthed]. De to-dimensionelle indbyggere i Saddelland kunne være uvidende om denne krumning, indtil de målte en stor cirkel med en bestemt radius og opdagede at dens omkreds var større end 2r.
En anden forklaring på den uventede svaghed af fjerne supernovaer er, at de er længere væk end deres rødforskydning antyder. Set på en anden måde, supernovaer, der er placeret på disse enorme afstande, synes at have mindre rødforskydning end forventet. For at redegøre for den mindre rødforskydning postulerer kosmologer, at universet må have udvidet sig langsommere i fortiden, end de havde forventet, hvilket ville have givet en mindre strækning til universet og til lyset, der bevæger sig i det.

Kraften

Hvad er betydningen af at den kosmiske udvidelse sætter farten ned mindre hurtigt end man tidligere mente? Hvis universet er lavet af normalt stof må gravitationen hele tiden gøre udvidelsen langsommere. Lille nedsættelse af hastigheden, som vist af supernovaobservationerne betyder således at den overordnede tæthed af stof i universet er lav.
Skønt denne konklusion underminerer teoretiske forudfattede meninger, stemmer den overens med adskillige andre rækker af vidnesbyrd. For eksempel har astronomer bemærket, at visse stjerner synes at være ældre end universets accepterede alder - en klar umulighed. Men hvis kosmos udvidede sig langsommere i fortiden, som supernovaer nu viser, skal universets alder revideres opad, hvilket kan løse gåden. De nye resultater stemmer også med andre nylige forsøg på at bestemme den totale mængde stof, som studiet af galaksehobe [se "The Evolution of Galaxy Clusters," af J. Patric Henry, Ulrich G. Briel og Hans Böhringer; Scientific American, december 1998].

SUPERNOVA OBSERVATIONER af forfatterens hold (røde pletter) afviger lidt, men betydningsfuldt, fra det mønster mange teoretikere ventede – nemlig en temmelig hurtig deceleration (blå linie), der skulle ske, hvis universet er ”fladt” og ikke har nogen kosmologisk konstant. Disse observationer viser, at universet kun har 20 procent af stoffet, der er nødvendigt for at gøre det fladt, fordi det decelererer langsommere end forudsagt (sort linie). Målingerne antyder endda, at ekspansionen accelererer, måske på grund af en ikke nul kosmologisk konstant (rød linie).

DAVID SCHNEIDER; KILDE: CRAIG J. HOGAN, ROBERT P. KIRSHNER OG NICHOLAS B. SUNTZEFF

      Hvad siger den nye forståelse af tætheden af stof i universet om dets krumning? Ifølge principperne fra almen relativitet, er krumning og deceleration forbundne. For at citere John A. Wheeler, tidligere på Princeton University: stof fortæller rumtiden, hvordan den skal krumme og rumtiden fortæller stof, hvordan det skal bevæge sig. En lille stoftæthed betyder negativ krumning såvel som lille opbremsning. Hvis universet er næsten tomt, er disse to lysdæmpende virkninger begge nær deres teoretiske maksimum.
    Den store overraskelse er, at de supernovaer, vi ser, er svagere end forudsagt selv for et næsten tomt univers (som har maksimal negativ krumning). Taget for hvad de er, synes vore observationer at kræve, at udvidelsen faktisk accelererer med tiden. Et univers, som kun er sammensat af normalt stof, kan ikke vokse på denne måde, fordi dets gravitation altid er positiv. Men ifølge Einsteins teori kan udvidelsen sætte hastigheden op, hvis en eksotisk form for energi fylder det tomme rum overalt. Denne mærkelige "vacuum energi" er indbygget i Einsteins ligninger som den såkaldte kosmologiske konstant. Ulig almindelige former for masse og energi tilføjer vacuum energien gravitation, som er frastødende og som kan drive universet fra hinanden med stadig stigende hastigheder [se "Cosmological Antigravity," af Lawrence M. Krauss, på side 34] [Kosmologisk antigravitation]. Når vi indrømmer denne ekstraordinære mulighed, kan vi forklare vore observationer perfekt, selv når vi antager den flade geometri, som teoretikere elsker.
    Vidnesbyrd om en mærkelig form for energi, der frembringer en frastødende gravitationskraft, er det mest interessante resultat, vi kunne have håbet på, dog er det så forbavsende, at vi og andre forbliver passende skeptiske. Heldigvis vil fremskridt i den teknologi, der er til rådighed for astronomerne, som nye infrarøde detektorer og Next Generation Space Telescope, snart tillade os at afprøve vore konklusioner ved at give større præcision og pålidelighed. Disse fantastiske instrumenter vil også lade os se endnu svagere fyr, som lyste op for endnu længere siden i galakser, som er meget, meget længere væk.

Yderligere læsning

The Little Book of the Big Bang. Craig J. Hogan. Springer-Verlag, 1998.

Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe. S. Perlmutter, G. Aldering, M. Della Valle, S. Deustua, R.S. Ellis, S. Fabbro, A. Fruchter, G. Goldhaber, D.E. Groom, I.M. Hook, A.G. Kim, M.Y. Kim, R.A. Knop, C. Lidman, R.G. McMahon, Peter Nugent, R. Pain, N. Panagia, C.R. Pennypacker, P. Ruiz-Lapuente, B. Schaefer og N. Walton (The Supernova Cosmology Project) i Nature, Vol. 391, sider 51-54; 1. januar, 1998. Fortryk til rådighed på xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9712212 på World Wide Web.

Observational Evidence from supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. Adam G. Riess, Alexei V. Filippenko, Peter Challis, Alejandro Clocchiattia, Alan Diercks, Peter M. Garnavich, Ron L. Gilliland, Craig J. Hogan, Saurabh Jha, Robert P. Kirshner, B. Leibundgut, M.M. Phillips, David Reiss, Brian P. Schmidt, Robert A. Schommer, R. Chris Smith, J. Spyromilio, Christopher Stubbs, Nicholas B. Suntzeff og John Tonry i Astrophysical Journal, Vol. 116, No. 3, sider 1009-1038; september 1998. Fortryk til rådighed på xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9805201 på World Wide Web. Yderligere information om supernova søgning er til rådighed på cfa-www.harvard.edu/cfa/oir/Research/supernova/HighZ.html og www-supernova.lbl.gov/ på World Wide Web.

* Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner og Nicholas B. Suntzeff deler en langvarig interesse i store ting, der siger bang. Hogan tjente sit doktorat på University of Cambridge og er nu professor og leder af astronomi afdelingen på University of Washington. Kirshner fik sin Ph.D. på California Institute of Technology mens han studerede en type Ia supernova observeret i 1972 (den lyseste set siden 1937). Han er professor i astronomi på Harvard University og arbejder også som associeret direktør på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Suntzeff modtog sin Ph.D. på University of California, Santa Cruz. Han arbejder på Cerro Tololo Inter-American Observatory i La Serena, Chile og er lavet af grundstoffer dannet i supernovaer for over fem milliarder år siden.

Oversat fra Scientific American, januar 1999, ss.28-33.

27. juni, 2006.

Indhold
Kosmologisk antigravitation
Index