Teleskop forudsiger universets undergang

NASA’s ingeniører går nu i gang med at konstruere det næste store rumteleskop, Roman. Teleskopet skal finde fremmede planeter om fjerne stjerner og afsløre den mystiske mørke energi, der kan flå universet i stumper og stykker.

NASA’s ingeniører går nu i gang med at konstruere det næste store rumteleskop, Roman. Teleskopet skal finde fremmede planeter om fjerne stjerner og afsløre den mystiske mørke energi, der kan flå universet i stumper og stykker.

NASA

“At kigge ud gennem atmosfæren er som at se gennem en gammel, plettet flaske.”

Ordene er udtalt af Hubbleteleskopets “mor”, astronomen Nancy Grace Roman. Hun ville revolutionere astronomien ved at undersøge universet fra rummet, hvor observationerne ikke bliver forstyrret af Jordens atmosfære.

Visionen førte i første omgang til udviklingen af Hubblerumteleskopet, og nu er NASA klar med næste skridt.

I midten af 2020’erne vil rumagenturet opsende et nyt superteleskop – opkaldt efter Nancy Grace Roman – der som det første nogensinde skal tage detaljerede fotos af stenplaneter på størrelse med Jorden og undersøge deres atmosfærer for spor af 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 et smalt syn

  • Længde: 13,3 m.
  • Diameter af hovedspejl: 2,4 m.
  • Opløsning af infrarød pixelsensor: 1024 x 1024 pixels.
  • Antal pixelsensorer: 1, hvilket giver et smalt, detaljeret syn.
© NASA

Roman ser det store billede

  • Længde: Ca. 13 meter.
  • Diameter af hovedspejl: 2,4 m.
  • Opløsning af infrarød pixelsensor: 4096 x 4096 pixels.
  • Antal pixelsensorer: 18, hvilket giver et bredt, detaljeret syn.

Astronomernes største ambition er dog, at de med Romanrumteleskopet finder ud af, hvordan den mystiske mørke energi har accelereret universets udvidelse. Det kan nemlig afsløre, hvordan den frastødende kraft virker, og hvordan universet vil møde sin ultimative skæbne..

Hubbles mor lægger navn til

Romanteleskopet har været undervejs i ti år under navnet Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST).

Oprindeligt skulle teleskopet være udstyret med et nybygget 1,3 meter bredt hovedspejl, men da NASA i 2012 fik mulighed for gratis at overtage et 2,4 meter bredt letvægtsspejl fra en pensioneret spionsatellit, tog projektet for alvor fart.

I foråret 2020 gav rumagenturet grønt lys for, at ingeniørerne på Jet Propulsion Laboratory i Californien kunne gå i gang med at bygge og teste Romans instrumenter.

Roman-teleskopet er opkaldt efter Nancy Grace Roman. Hun var chefastronom ved NASA og den primære drivkraft bag udviklingen af rumteleskopet Hubble.

© Bill Hrybyk/GSFC/NASA/SPL

Et par uger senere blev rumteleskopet omdøbt og opkaldt efter Nancy Grace Roman, der døde i 2018 i en alder af 93 år.

Nancy Grace Roman blev født i 1925 i Tennessee og besluttede allerede i syvende klasse, at hun ville være astronom – til trods for at rektoren på skolen frarådede piger at studere naturvidenskab. I 1949 tog hun en doktorgrad i astronomi, og ti år senere blev hun ansat som NASA’s chefastronom.

Strategien førte til opsendelsen af flere astronomiske satellitter, men Roman markerede sig især som drivkraften bag Hubbleteleskopet.

Jeg spekulerede på, om jeg mon havde oversolgt Hubble. Men jeg må indrømme, at jeg siden er blevet overbevist om, at det havde jeg ikke. Nancy Grace Roman (1925-2018), Astronom

Hvis projektet forløber som planlagt, vil NASA anbringe Romanteleskopet i det stabile lagrangepunkt 2-kredsløb, som befinder sig 1,5 mio. kilometer fra Jorden i den modsatte retning af Solen.

I modsætning til Hubble, som kredser i en lav bane i 540 kilometers højde, vil Roman have frit udsyn til rummet uden at blive forstyrret af Jorden. Og udsyn vil det nye teleskop få rigeligt af.

Romans infrarøde pixelsensor giver nemlig teleskopet et synsfelt, som er 100 gange bredere end Hubbles og vil kunne afdække et område af himlen ca. 200 gange så hurtigt.

De videnskabelige instrumenter på Roman skal virke perfekt ved opsendelsen. NASA får nemlig ikke mulighed for at sende astronauter ud for at reparere eller forbedre Roman, som de gjorde fem gange med Hubble i årene fra 1993 til 2009.

Romans spejl stammer fra en pensioneret spionsatellit og har samme diameter som spejlet i Hubbleteleskopet. Alligevel er opløsningen i den infrarøde pixelsensor 100 gange højere.

© TJT Photography/Harris Corp/NASA

Målet er, at Roman skal fungere i ti år, og allerede efter de første fem vil det nye rumteleskop have observeret 50 gange mere af himlen, end Hubble-teleskopet har opnået gennem tre årtier.

Teleskop skal finde kopi af Jorden

Roman bliver det første rumteleskop udstyret med en avanceret koronagraf, der ved hjælp af linser og spejle helt kan slukke for en stjernes stærke lys og fotografere de jordlignende exoplaneter.

Koronagrafen forsinker halvdelen af lysbølgerne i stjernens lys en smule, så de kommer til at svinge i modtakt til den anden halvdel af lysbølgerne. Derved udslukker lysbølgerne hinanden via et fænomen, der kaldes destruktiv interferens.

Små klumper af stjernelys undslipper dog stadig linsernes kanter. Dette overskydende lys fjernes ved at justere formen på to spejle inde i koronagrafen vha. hundredvis af små stempler.

Allerede her vil Roman kunne spotte store gasgiganter og isgiganter, men for at stjernesystemets indre planeter træder tydeligt frem, skal avanceret software forbedre billedets opløsning, indtil de små stenplaneter står helt skarpt.

© Claus Lunau & NASA

Teleskop skal slukke stjernerne

Roman bliver det første rumteleskop med en avanceret koronagraf, som kan slukke lyset fra en stjerne. På den måde kan teleskopet tage billeder af lyssvage jordlignende planeter i den beboelige zone omkring stjernen.

Romanteleskopets infrarøde kamera tager også en ny teknik i brug. Til dato har astronomerne opdaget over 4000 exoplaneter med to metoder, som især er velegnede til at spotte store gasgiganter og isgiganter, der omkredser deres stjerne i nære baner.

Den mest anvendte metode er transitmetoden, hvor planeten kaster en skygge og dæmper stjernens lys en lillebitte smule, når den flyver forbi stjernen.

Den anden metode kigger på stjernens bevægelser. Hvis stjernen slingrer en smule, er det et tegn på, at en stor planet er kredset tæt forbi og har påvirket stjernen med sit tyngdefelt.

2500 exoplaneter på størrelse med Mars og opefter forventes Roman-teleskopet at opdage.

© Claus Lunau/Shutterstock

Roman skal udnytte et helt tredje fænomen, som opstår, når en fjern stjerne bevæger sig ind bag en anden stjerne.

Den nære stjerne virker som en såkaldt gravitationslinse, der krummer rummet omkring sig og derfor sender to forstærkede billeder af den fjerne stjerne rundt om sig og ind i teleskopets kamera.

Hvis den nære stjerne er omkredset af en planet, virker planeten som en lille, ekstra gravitationslinse, der skaber en efterfølgende top i lysudsendelsen, som Romans kamera kan opfange.

Video: Få et detaljeret indblik i, hvordan Roman spotter exoplaneter.

I dag er kun 86 exoplaneter opdaget ved hjælp af den nye metode, og opdagelserne er især sket med teleskoper på Jorden, som observerer i synligt lys.

Linsebegivenhederne er imidlertid ekstremt sjældne, så derfor er det bedste sted at lede efter gravitationslinser i Mælkevejens centrum, hvor tætheden af stjerner er størst, men her blokerer store mængder støv synligt lys.

Roman observerer modsat jordteleskoperne i langbølget infrarød stråling, som uhindret trænger gennem støvet.

Med sit brede synsfelt kan det nye rumteleskop overvåge 100 mio. stjerner i Mælkevejens centrum og fange masser af linsebegivenheder, der typisk kun varer få timer.

Den nye metode vil være følsom nok til at spotte små stenplaneter, som er lidt mindre end Mars.

Derfor vil Roman sandsynligvis finde et stort antal stenplaneter, der omkredser sollignende stjerner i den beboelige zone, hvor flydende vand, og dermed liv, kan eksistere.

Kemi afslører muligt liv

Hvis Roman formår at tage direkte fotos af exoplaneter, vil det revolutionere planetforskningen – især hvis billederne afslører en stenplanet dækket med oceaner og kontinenter som Jorden.

Koronagrafen er også udstyret med et spektrometer, som kan bestemme sammensætningen af planetens atmosfære og lede efter spor af liv.

En optiker hos NASA belyser prototyper af linser og spejle til Romans koronagraf, som skal fotografere exoplaneter.

© Matthew Luem/JPL-Caltech/NASA

Når genskinnet fra en exo­pla­net passerer dens atmosfære, absorberer forskellige stoffer hver deres bølgelængder i lyset og viser dermed atmosfærens kemiske sammensætning.

Hvis fx unormalt store mængder ilt er til stede, har teleskopet muligvis fundet et tegn på, at fotosyntetiske planter eller bakterier lever på planeten. En anden sladrehank er metan, som på Jorden produceres i stor stil af bakterier og drøvtyggende dyr som kvæg.

Romans koronagraf skal især stille skarpt på nære stjerner med planetsystemer, som bliver opdaget med den aktuelle planetjæger Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Planetjægeren er i øjeblikket ved at undersøge 200.000 nære stjerner for stenplaneter, der kan huse liv.

Supernovaer er kilometersten

Kombinationen af Romans vidvinkelkamera og infrarøde pixelsensor vil desuden gøre det muligt at se langt tilbage i tid og rum.

Synligt lys fra fjerne galakser bliver på rejsen mod os udstrakt til længere infrarøde bølgelængder på grund af rummets accelererende udvidelse.

Astronomerne kalder fænomenet for rødforskydning, og netop rødforskydning spillede en central rolle i opdagelsen af en mørk, frastødende energi.

Da en mørk, frastødende energi fik overtaget over tyngdekraften, begyndte rummet at udvide sig. Romanteleskopet skal måle hastigheden af udvidelsen på tre forskellige måder.

© Claus Lunau

Stråling er målebånd fra universets skabelse

Den kosmiske baggrunds­stråling fra 380.000 år efter big bang rummer en vis regelmæssighed i afstanden mellem forløberne for galakserne. Ved at måle den stigende afstand mellem galakserne kan forskerne beregne hastigheden af rummets udvidelse.

© ESA/NASA

Supernovaer fungerer som kosmiske speedometre

Teleskopet skal også finde supernovaer af typen Ia fra den kritiske periode for fem milliarder år siden, hvor universets udvidelse accelererede. Jo mere lysets bølgelængde fra stjerneeksplosionerne er forlænget, jo hurtigere er rummet vokset i perioden.

© STScI/ESA/NASA

Kort viser galaksernes bevægelser over tid

Roman skal måle afstanden til millioner af galakser og skabe et tredimensionelt kort over galaksernes bevægelser, som rækker helt tilbage til 500 millioner år efter big bang. Kortet kan bane vej for en forståelse af, hvordan den mørke energi har virket gennem universets historie.

Eksistensen af den mørke energi blev afsløret af eksploderende stjerner, nærmere bestemt supernovaer af typen Ia.

Da de altid har den samme masse, er lysstyrken meget ensartet, og eksploderende stjerner kan derfor fungere som kosmiske kilometersten, der viser afstande i rummet. Det opdagede astronomerne i 1998, da fjerne supernovaer lyste uventet svagt sammenlignet med nære supernovaer.

Variationen i lyset skyldtes ifølge forskerne, at de fjerne supernovaer simpelthen havde bevæget sig længere væk end ventet, fordi universets udvidelse er accelereret.

Teorien blev bekræftet ved at måle rødforskydningen af supernovaernes lys. Jo mere lysets bølgelængde er forlænget, jo hurtigere er rummet vokset i perioden.

I dag ved astronomerne, at hastigheden af rummets udvidelse gik langsommere og langsommere i de første ni milliarder år efter big bang, fordi galaksehobene dengang lå tættere, og deres indbyrdes tyngdekraft bremsede udvidelsen.

68 procent af universet består af mørk energi i det tomme rum, 27 procent er mørkt stof og kun 5 procent er atomer.

© Shutterstock

Men for fem milliarder år siden fik den frastødende, mørke energi overtaget. Hvorfor den mørke energi vandt brydekampen, er stadig en gåde, og derfor bliver en af Romanteleskopets største opgaver at levere detaljerede målinger af rummets udvidelse gennem hele universets historie.

Det skal bl.a. ske ved at observere store mængder af supernovaer, som eksploderede i den kritiske periode for omkring fem milliarder år siden.

To teorier kæmper mod hinanden

Grunden til, at forskerne er så ivrige efter at kende hastigheden af universets udvidelse helt tilbage fra big bang, er, at accelerationen kan besvare det store spørgsmål om, hvordan den mørke energi virker.

I dag er der to hovedteorier. Den førende model er baseret på relativitetsteorien og siger, at den mørke energi udspringer af det tomme rum mellem galakserne.

Teorien forudsiger, at den mørke energi er konstant, så et tomrum af en given størrelse altid rummer den samme mængde frastødende energi.

I takt med universets udvidelse er tomrummet vokset, og derfor er den mørke energis styrke steget med tiden, så den for fem milliarder år siden overvandt tyngdekraften og accelererede universets udvidelse.

Den konkurrerende teori siger derimod, at den mørke energi er et ukendt kraftfelt, som fylder hele universet, og som kan variere over tid. Ifølge teorien blev kraftfeltet skruet op for fem milliarder år siden, så universets udvidelse fik ekstra fart på.

To teorier søger at forklare universets mørke energi. Ifølge den ene teori er energien konstant og udspringer af tomrummet mellem galakserne. Ifølge den anden teori varierer den frastødende energi over tid. De to teorier giver vildt forskellige scenarier for universets skæbne.

© Claus Luanu & Roen Kelly/Discover Magazine

TEORI 1: Konstant energi fører til uendelig udvidelse

Hvis tomrummets energi er konstant, vil rummet blive ved med at udvide sig til evig tid, så de fleste af universets galakser om nogle milliarder år har bevæget sig så langt bort fra os, at vi ikke længere kan se dem. Kun galakserne i vores lokale nabolag vil være synlige.

© Claus Lunau

TEORI 2: Varierende energi kan rive alt fra hinanden

Hvis den mørke energi er et varierende kraftfelt, vil styrken i fremtiden vokse eksplosivt. Ifølge nogle teorier vil den frastødende energi først rive stjernerne fra hinanden og derpå splitte hvert eneste atom i universet. Scenariet kaldes et big rip.

© Claus Lunau

TEORI 2: Tyngdekraften trækker universet sammen igen

En varierende mørk energi kan også blive svækket i fremtiden. I givet fald vil tyngdekraften igen få overtaget over den mørke energi og med tiden trække al massen i universet sammen i et uendelig lille punkt. Scenariet kaldes et big crunch.

© Claus Lunau

TEORI 2: Universet og de fysiske love kollapser

Ifølge nogle teorier vil den varierende mørke energi få universet til at kollapse på uforudsigelig vis og skabe et helt anderledes univers med andre elementarpartikler og naturkræfter. Universets fremtid er i givet fald ét stort spørgsmålstegn.

Romans kortlægning af udvidelseshastigheden kan afgøre, hvilken af de to teorier der er rigtig. Hvis hastigheden er steget proportionelt med rummets volumen, tyder det på en mørk energi med konstant styrke.

Varierer udvidelseshastigheden derimod i forskellige epoker, peger pilen i stedet på et skiftende kraftfelt.

Svaret fra det nye rumteleskop bliver afgørende for at forstå universets udvikling og forudsige dets fremtid.

Med en konstant mørk energi vil universet blive ved med at udvide sig hurtigere og hurtigere i al evighed. Men hvis den mørke energi er et varierende kraftfelt, kan styrken med tiden vokse så eksplosivt, at den frastødende energi til sidst river alle stjerner og planeter fra hinanden.

Kraftfeltet kan også blive svækket, så tyngdekraften igen får overtaget og trækker al massen sammen i et big crunch.

Nancy Grace Romans vision vil dermed ikke blot bidrage til at finde liv i rummet, men også afsløre, hvordan det hele ender.