Astrofysikere over hele verden jublet da det milliard-dyre teleskopet Planck ble skutt opp av den europeiske romfartsorganisasjonen ESA for snart tolv ?r siden. I l?pet av noen ?r m?lte teleskopet de ?rsm? temperaturvariasjonene i den kosmiske bakgrunnsstr?lingen fra det magiske ?yeblikket da universet ble synlig, 380 000 ?r etter Big Bang. De fikk da et bilde av hvordan universet s? ut den gangen.
N? vil astrofysikerne g? enda lenger tilbake i universets historie. De skal avsl?re hvordan universet s? ut det f?rste ?yeblikket etter Big Bang. Denne spesielle tiden kalles for inflasjonen og varte s? kort som 10 opph?yd i minus 34 sekunder. Her snakker vi om et s? 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 s?nt som en trilliontedel av et sekstilliontedels sekund.
P? denne ufattelig korte tiden ekspanderte universet fra st?rrelsen av et atom til en bredde p? 1 til 100 lys?r. Det er enormt stort. Og det var nettopp i dette korte skapelses?yeblikket at all materien som vi ser i dag, ble dannet.
– Vi kan derfor kalle inflasjonen for den mest epokegj?rende i universets tilblivelse, poengterer professor Hans Kristian Eriksen p? Astrofysisk institutt.
– Det finnes mange teorier om inflasjonen. Ja, det er faktisk flere inflasjonsteorier enn inflasjonsteoretikere.
Det eneste sporet som finnes fra dette magiske ?yeblikket, er gravitasjonsb?lger.
– Gravitasjonsb?lger er derfor ekstremt viktige i moderne kosmologi. De kan gi oss det f?rste bildet av universet rett etter skapelsen.
Mens m?lingene av den kosmiske bakgrunnsstr?lingen viser hvordan universet s? ut 380 000 ?r etter Big Bang, kan gravitasjonsb?lgene ta oss med helt tilbake til unnfangelsen av universet
Einstein foruts? gravitasjonsb?lgene allerede da han lanserte relativitetsteorien i 1916. Den gangen hadde ingen observert en eneste gravitasjonsb?lge. F?rst hundre ?r senere, i 2016, klarte astrofysikerne for f?rste gang ? m?le gravitasjonsb?lger. De ble dannet etter en kollisjon mellom to svarte hull 1,4 milliarder lys?r borte.
Du lurer kanskje p? hva gravitasjonsb?lger er?
Da m? du forst? 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 p? lakenet. Lakenet blir da presset ned. Hvis du slipper en klinkekule p? 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.
– Men hva er s? gravitasjonsb?lger?
– Hvis du begynner ? riste i lakenet, vil du f? b?lger i lakenet. Du kan betrakte dette som gravitasjonsb?lger.
Disse gravitasjonsb?lgene er nettopp det eneste sporet menneskeheten har for ? f? et bilde av hva som skjedde da universet ble skapt for 13,8 milliarder ?r siden.
I slutten av dette ti?ret skal Japan sende opp arvtakeren etter Planck, kalt LiteBIRD, som skal m?le nettopp disse gravitasjonsb?lgene.
Slik m?les gravitasjonsb?lger
Du lurer kanskje p? hvordan det er mulig ? m?le disse gravitasjonsb?lgene? Det er lettere sagt enn gjort.
Gravitasjonsb?lgene kan observeres i den kosmiske bakgrunnsstr?lingen. Takket v?re satellitten Planck ble den kosmiske bakgrunnsstr?lingen kartlagt allerede for noen ?r siden.
Det skjedde ved ? m?le de ?rsm? temperaturforskjellene i mikrob?lgene fra universets barndom. Astrofysikerne i Oslo lagde et dataprogram som fjerner all st?yen i dataene, for ? fjerne signalene fra Melkeveien og alle de andre galaksene, samt st?v og gasser fra supernova-eksplosjoner. Da kunne de, med andre ord, se tvers igjennom Melkeveien og f? tidenes innblikk i universets spede begynnelse.
Jo lenger ut i verdensrommet du ser, desto lenger ser du tilbake i tid. Lyset fra solens n?rmeste stjerne har brukt fire ?r til Jorda. N?r du studerer denne stjernen, ser du derfor fire ?r tilbake i tid. Signalene fra universitets barndom har brukt over 13 milliarder ?r p? reisen. Disse signalene er sv?rt svake. Da astrofysikerne studerte disse signalene, s? de helt tilbake til 380 000 ?r etter Big Bang. Trikset var ? lytte til helt bestemte frekvenser. Planck skannet hele universet etter ni ulike frekvenser.
Uheldigvis er det ikke mulig ? se eldre signaler. Likevel er det mulig! Astrofysikerne kan observere gravitasjonsb?lgene som polarisasjon av den kosmiske bakgrunnsstr?lingen.
Forklaringen er faktisk enkel. N?r gass presses sammen, blir den varm, akkurat som i en sykkelpumpe. Hvis gassen ekspanderer, blir den kald.
– N?r en gravitasjonsb?lge g?r gjennom rommet, og rommet vekselvis trykkes sammen eller ekspanderer, blir ogs? lyset i dette rommet vekselvis varmere og kaldere. Og det er nettopp disse variasjonene som vi i dag kan observere som polarisert lys.
Planck kartla den kosmiske bakgrunnsstr?lingen ved ? m?le temperaturendringene. Temperaturen i den kosmiske bakgrunnsstr?lingen er p? om lag 3 Kelvin. Det er bare tre grader h?yere enn den absolutte minimumstemperaturen p? minus 273,15 grader. Instrumentene p? Planck var s? fintf?lende at astrofysikerne klarte ? m?le temperaturforskjeller p? en titusendels grad.
Selv om dette h?res imponerende ut, er ikke n?yaktigheten god nok til ? spore opp gravitasjonsb?lgene fra Big Bang. De er forferdelig svake.
– N?r vi skal lete etter gravitasjonsb?lger, m? vi lete etter noe som bare har en temperaturforskjell p? ti nanoKelvin.
Det vil si at astrofysikerne m? kunne m?le s? sm? temperaturendringer som en hundremilliontedels grad. Det er fryktelig lite.
Den eneste l?sningen er bedre detektorer for ? m?le den kosmiske bakgrunnsstr?lingen. 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 p? hva astrofysikerne i Oslo bidrar med? De har laget en helt ny og revolusjonerende metode som skal kunne analysere alle dataene p? rekordtid.
– Vanligvis benyttes en egen modell for Melkeveien, en for det tidligere universet og en for hvert av instrumentene. Vi gj?r noe nytt. Vi har samlet alle bitene i det store puslepillet i det samme dataprogrammet. Dette er et paradigmeskifte p? hvordan astrodata kan analyseres i fremtiden.
Som eksempel kombinerer det nye programmet dataene fra Planck med satellittm?linger 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 m?neder, tar n? to timer.
Som om dette ikke er nok, har astrofysikerne ved UiO ogs? tatt i bruk nye matematiske metoder og statistiske analyser.
– De statistiske metodene er velkjente, men er aldri tidligere blitt brukt i s? store datamengder.
Numerisk paradis
De har ogs? endret p? de numeriske metodene. Numeriske metoder er et fagomr?de innenfor informatikken som brukes til ? l?se matematiske og statistiske problemer p? datamaskinen. Det er nettopp her forskerne ved UiO er verdensledende. De er eksperter p? ? koble astrofysiske data med numeriske beregninger.
Selv om modellene er st?rre og mer avanserte enn tidligere, har de optimalisert de numeriske metodene s? mye at de ikke lenger trenger ? bruke tungregnemaskinene ved UiO. Under den avgj?rende kj?ringen av Planck-dataene brukte forskerne tungregnemaskinen i nesten en uke. N? klarer de alt p? to timer p? instituttets egen maskin.
De har allerede gjennomf?rt de f?rste simuleringene, for ? vise at de er klare som egg til ? analysere gravitasjonsb?lger n?r den japanske satellitten LiteBIRD begynner ? samle inn data om ?tte ?r. De har dessuten beregnet hvordan instrumentene p? satellitten kan optimeres.
Universitetet i Oslo har f?tt 50 millioner kroner i forskningsst?tte fra EU for ? forske p? gravitasjonsb?lgene og har n? den nest st?rste forskningsgruppen i LiteBIRD, etter Japan.
Etter tre ?r har satellitten kartlagt hele bakgrunnsstr?lingen. S? trenger forskerne to ?r p? ? analysere alle dataene.
Hans Kristian Eriksen er optimistisk.
– Jeg er veldig forn?yd om vi allerede om femten ?r kan f? et svar p? hvordan universet ble dannet.