Teleskop förutsäger universums undergång

Nasas ingenjörer inleder nu ­arbetet med att konstruera Roman, nästa stora rymdteleskop. Det ska upptäcka främmande planeter runt avlägsna stjärnor och avslöja den mystiska mörka energi som skulle kunna slita universum i stycken.

Nasas ingenjörer inleder nu ­arbetet med att konstruera Roman, nästa stora rymdteleskop. Det ska upptäcka främmande planeter runt avlägsna stjärnor och avslöja den mystiska mörka energi som skulle kunna slita universum i stycken.

NASA

”Att se ut genom atmosfären är som att se genom en gammal fläckig flaska.”

Dessa ord är ett citat av Hubbleteleskopets ”mamma”, astronomen Nancy Grace Roman. Hon ville revolutionera astronomin genom att undersöka universum från rymden, där observationerna inte störs av jordens atmosfär.

Hennes vision ledde först till utvecklingen av Hubbleteleskopet, och nu är Nasa redo att ta nästa steg.

I mitten av 2020-talet ska rymdorganisationen sända upp ett nytt superteleskop, uppkallat efter Nancy Grace Roman, som ska bli det första någonsin att ta detaljerade bilder av stenplaneter lika stora som jorden och leta efter spår av liv i deras atmosfär.

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 ett smalt synfält

  • Längd: 13,3 meter
  • Huvudspegelns diameter: 2,4 meter
  • Den infraröda pixelsensorns upplösning: 1 024 x 1 024 pixlar
  • Antal pixelsensorer: 1, vilket ger ett smalt, detaljerat synfält
© NASA

Roman ser den stora ­bilden av universum

  • Längd: Cirka 13 meter
  • Huvudspegelns diameter: 2,4 meter
  • Den infraröda pixelsensorns upplösning: 4 096 x 4 096 pixlar
  • Antal pixelsensorer: 18, vilket ger ett brett, detaljerat synfält

Astronomernas stora ambition är dock att de med hjälp av rymdteleskopet Roman ska ta reda på hur den mystiska mörka energin har accelererat universums utvidgning. Det kan nämligen visa hur den repellerande kraften fungerar och hur universum kommer att gå sitt slut till mötes.

Namngivet av Hubbles mamma

Romanteleskopet har varit på gång i tio år under namnet Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST).

Tanken var att teleskopet skulle få en nybyggd, 1,3 meter bred huvudspegel, men när Nasa år 2012 fick möjlighet att kostnadsfritt ta över en 2,4 meter bred lättviktsspegel från en pensionerad spionsatellit tog projektet fart på allvar.

Våren 2020 gav rymdorganisationen klartecken åt ingenjörerna på Jet Propulsion Laboratory i Kalifornien, USA, att börja bygga och testa Romans instrument.

© Bill Hrybyk/GSFC/NASA/SPL

Ett par veckor senare fick rymdteleskopet ett nytt namn och uppkallades efter Nancy Grace Roman, som 2018 avled vid 93 års ålder.

Nancy Grace Roman, som föddes i den amerikanska delstaten Tennessee 1925, bestämde sig för att hon skulle bli astronom redan i årskurs sju, trots att skolans rektor avrådde flickor från att studera naturvetenskap.

1949 tog hon sin doktorsexamen i astronomi och tio år senare fick hon anställning som Nasas chefsastronom.

Roman var med om att sända upp flera astronomiska satelliter, men hon utmärkte sig särskilt som drivkraften bakom Hubbleteleskopet.

Jag funderade på om jag kanske hade sålt in Hubble för hårt. Men jag måste medge att jag sedan dess har blivit övertygad om att så inte var fallet. Nancy Grace Roman (1925-2018), Astronom

Om projektet går enligt planerna kommer Nasa att placera Romanteleskopet i den stabila omloppsbanan Lagrangepunkt 2, som ligger 1,5 miljoner kilometer från jorden i motsatt riktning från solen.

Till skillnad från Hubble, som kretsar i låg bana på 540 kilometers höjd, kommer Roman att ha fri utblick till rymden utan störningar från jorden.

Romans infraröda pixelsensor ger teleskopet ett 100 gånger bredare synfält än Hubbles, så teleskopet kommer att kunna täcka ett område av himlavalvet omkring 200 gånger snabbare.

Romans vetenskapliga instrument måste fungera perfekt vid uppsändningen. I det här fallet kan nämligen Nasa inte sända ut astronauter för att reparera eller förbättra Roman, som de gjorde vid fem tillfällen med Hubble mellan 1993 och 2009.

© TJT Photography/Harris Corp/NASA

Målet är att Roman ska fungera i tio år, och redan efter de första fem åren kommer det nya rymdteleskopet att ha observerat 50 gånger mer av himlen än vad Hubbleteleskopet har gjort under tre årtionden.

Teleskop ska hitta kopia av jorden

Roman blir det första rymdteleskopet att utrustas med en avancerad koronagraf, som med hjälp av linser och speglar kan släcka en stjärnas starka ljus och fotografera jordliknande exoplaneter.

Koronagrafen försenar hälften av vågorna i stjärnans ljus en aning, så att de oscillerar (svänger) i mottakt till den andra hälften av ljusvågorna. De släcker då ut varandra i ett fenomen som kallas för destruktiv interferens.

Små ansamlingar av stjärnljus undslipper dock linsernas kanter. Överskottsljuset avlägsnas genom att formen på två speglar i koronagrafen justeras med hundratals små pistonger.

Redan här kommer Roman att kunna upptäcka stora gas- och isjättar, men för att stjärnsystemets inre planeter ska synas tydligt förbättrar avancerad programvara bildens upplösning tills de små stenplaneterna framträder klarare.

© Claus Lunau & NASA

Teleskop ska släcka stjärnorna

Roman blir det första rymdteleskopet med en avancerad koronagraf, som kan släcka ljuset från en stjärna. På så sätt kan teleskopet ta bilder av ljussvaga jordliknande planeter i den beboeliga zonen kring stjärnan.

Romanteleskopets infraröda kamera utnyttjar också ny teknik. Hittills har astronomerna upptäckt drygt 4 000 exoplaneter med två metoder som lämpar sig väl för upptäckter av stora gas- och isjättar som kretsar i korta banor runt sin stjärna.

Vanligast är transitmetoden, där planeten kastar en skugga och dämpar stjärnans ljus något när den passerar. Den andra metoden tittar på stjärnrörelser.

Om stjärnan rör sig en aning är det ett tecken på att en stor planet har passerat på nära håll och påverkat stjärnan med sitt gravitationsfält.

© Claus Lunau/Shutterstock

Roman ska utnyttja ett tredje fenomen som uppstår när en avlägsen stjärna rör sig in bakom en annan stjärna.

Den närbelägna stjärnan fungerar då som en så kallad gravitationslins som kröker rymden, vilket i teleskopet visas som två förstärkta bilder av den avlägsna stjärnan.

Om den närbelägna stjärnan har en planet i omloppsbana fungerar planeten som en liten extra gravitationslins. Då skapas en topp i ljusutstrålningen som registreras av Romans kamera.

Video: Få en detaljerad inblick i hur Roman upptäcker exoplaneter.

I dag har endast 86 exoplaneter upptäckts med hjälp av den nya metoden, och upptäckterna har framför allt gjorts med teleskop på jorden som observerar synligt ljus.

Linshändelserna är extremt sällsynta, så det bästa stället att leta efter dem är i Vintergatans mitt, där tätheten av stjärnor är som störst. Där blockerar dock stora mängder damm synligt ljus.

Till skillnad från jordteleskop observerar Roman långvågig infraröd strålning, som obehindrat tränger igenom dammet.

Med sitt breda synfält kan det nya rymdteleskopet övervaka 100 miljoner stjärnor i Vintergatans mitt och fånga mängder av linshändelser, som normalt bara varar i några timmar.

Den nya metoden kommer att vara tillräckligt känslig för att upptäcka stenplaneter som är något mindre än Mars.

Därför kommer Roman troligen att hitta många stenplaneter som kretsar runt solliknande stjärnor i den beboeliga zonen, där flytande vatten – och därmed liv – kan existera.

Kemi avslöjar möjligt liv

Om Roman lyckas ta direkta bilder av exoplaneter kommer det att revolutionera planetforskningen – framför allt om bilderna visar en stenplanet täckt av hav och kontinenter som jorden.

Koronagrafen är också utrustad med en spektrometer, som kan fastslå sammansättningen av planetens atmosfär och leta efter tecken på liv.

© Matthew Luem/JPL-Caltech/NASA

När återskenet från en exoplanet passerar dess atmosfär absorberar olika ämnen olika våglängder i ljuset och avslöjar därmed atmosfärens kemiska sammansättning.

Om exempelvis onormalt stora mängder syre kan påvisas har teleskopet kanske hittat ett tecken på att fotosyntetiserande växter eller bakterier lever på planeten.

Ett annat avslöjande tecken är metan, som på jorden produceras i stor mängd av bakterier och idisslande djur.

Romans koronagraf ska främst fokusera på närbelägna stjärnor med planetsystem som upptäcks med planetjägaren Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite).

Den är för närvarande i färd med att undersöka 200 000 närbelägna stjärnor för att se om det kan finnas stenplaneter med liv i omloppsbana runt dem.

Supernovor är milstolpar

Kombinationen av Romans vidvinkelkamera och infraröda pixelsensor kommer dessutom att göra det möjligt att blicka långt tillbaka i tid och rum.

Rymdens accelererande utvidgning gör att synligt ljus från avlägsna galaxer under färden mot oss sträcks ut till längre, infraröda våglängder.

Astronomerna kallar detta fenomen för rödförskjutning, och just det spelade en viktig roll i upptäckten av en mörk, repellerande energi.

Rymden började utvidgas när en mörk, repellerande energi fick övertaget över gravitationen. Romanteleskopet ska mäta utvidgningens hastighet på tre olika sätt.

© Claus Lunau

Strålning är måttband från universums skapelse

Den kosmiska bakgrundsstrålningen från 380 000 år efter stora smällen uppvisar en viss regelbundenhet i avståndet mellan galaxernas föregångare. Genom att mäta det växande avståndet mellan galaxerna kan forskarna beräkna hastigheten av rymdens utvidgning.

© ESA/NASA

Supernovor fungerar som kosmiska hastighetsmätare

Teleskopet ska också hitta supernovor av typen Ia från den kritiska perioden för fem miljarder år sedan då universums utvidgning accelererade. Ju mer förlängd ljusets våglängd från stjärnexplosionerna är, desto snabbare har rymden växt under en viss period.

© STScI/ESA/NASA

Karta visar galaxernas rörelser över tid

Roman ska mäta avståndet till miljontals galaxer och skapa en tredimensionell karta över galaxernas rörelser som sträcker sig tillbaka till 500 miljoner år efter stora smällen. Kartan kan bana väg för en förståelse av hur den mörka energin har verkat genom universums historia.

Den mörka energins existens avslöjades av supernovor av typen Ia, som alltid har samma massa och därmed likartad ljusstyrka. Dessa exploderande stjärnor kan på så sätt fungera som kosmiska milstolpar som visar avstånd i rymden.

Det upptäckte astronomerna 1998, då avlägsna supernovor lyste oväntat svagt jämfört med närbelägna supernovor. Det berodde enligt forskarna på att de avlägsna supernovorna hade rört sig längre bort än förväntat, eftersom universums utvidgning har accelererat.

Teorin bekräftades när rödförskjutningen i supernovornas ljus mättes. Ju mer förlängd ljusets våglängd är, desto snabbare har rymden växt under perioden.

I dag vet astronomerna att rymdens utvidgning gick allt långsammare under de första nio miljarder åren efter stora smällen, eftersom galaxhoparna på den tiden låg närmare varandra och deras inbördes gravitation bromsade utvidgningen.

© Shutterstock

För fem miljarder år sedan fick emellertid den repellerande, mörka energin övertaget. Varför det skedde är fortfarande en gåta. Därför blir en av Romanteleskopets största uppgifter att leverera detaljerade mätningar av rymdens utvidgning under hela universums historia.

Det ska bland annat ske genom att man observerar stora mängder av supernovor som exploderade under den kritiska perioden för cirka fem miljarder år sedan.

Två teorier står mot varandra

Anledningen till att forskarna så gärna vill känna till hastigheten på universums utvidgning ända tillbaka till stora smällen är att accelerationen kan besvara den stora frågan om hur den mörka energin fungerar.

Den ledande teorin, som har sin grund i relativitetsteorin, gör gällande att den mörka energin härrör från tomrummet mellan galaxerna.

Teorin förutsäger att den mörka energin är konstant så att ett tomrum av en viss storlek alltid har samma mängd repellerande energi.

I takt med universums utvidgning har tomrummet växt och därför har den mörka energins styrka ökat med tiden, så att den för fem miljarder år sedan övervann gravitationen och fick universums utvidgning att accelerera.

Enligt den konkurrerande teorin är den mörka energin ett okänt kraftfält som fyller hela universum och som kan variera över tid. Enligt denna teori förstärktes kraftfältet för fem miljarder år sedan, vilket gav universums utvidgning extra fart.

Två teorier försöker förklara universums mörka energi. Enligt den ena teorin är energin konstant och har sitt ursprung i tomrummet mellan galaxerna. Enligt den teorin varierar den repellerande energin över tid. De båda teorierna resulterar i helt olika scenarier för universums öde.

© Claus Luanu & Roen Kelly/Discover Magazine

TEORI 1: Konstant energi medför oändlig utvidgning

Om tomrummets energi är konstant kommer rymden att fortsätta utvidgas för evigt, så att de flesta av universums galaxer om några miljarder år har rört sig så långt bort från oss att vi inte längre kan se dem. Endast galaxerna i vår närhet kommer då att vara synliga.

© Claus Lunau

TEORI 2: Varierande energi kan slita isär allting

Om den mörka energin är ett varierande kraftfält kommer styrkan i framtiden att öka explosionsartat. Enligt vissa teorier kommer den repellerande energin först att slita isär stjärnorna och därefter klyva alla atomer i universum, ett scenario som kallas stora rivet.

© Claus Lunau

TEORI 2: Gravitationen drar ihop universum igen

En varierande mörk energi kan också försvagas i framtiden. I så fall kommer gravitationen återigen att få övertaget över den mörka energin och med tiden dra ihop all massa i universum i en oändligt liten punkt. Detta scenario kallas för stora krossen.

© Claus Lunau

TEORI 2: Universum och fysikens lagar kollapsar

Enligt vissa teorier kommer den varierande mörka energin att få universum att kollapsa på ett oförutsägbart vis och skapa ett avvikande universum med andra elementarpartiklar och naturkrafter. Universums framtid är i så fall ett enda stort frågetecken.

Romans kartläggning av utvidgningshastigheten kan avgöra vilken av de två teorierna som stämmer. Om hastigheten har ökat proportionellt med rymdens volym tyder det på en mörk energi med konstant styrka.

Om utvidgningshastigheten däremot varierar under olika epoker tyder det på ett skiftande kraftfält.

Svaret från det nya rymdteleskopet blir avgörande för vår förståelse av universums utveckling och för vår möjlighet att förutsäga dess framtid.

Med en konstant mörk energi kommer universum att fortsätta utvidgas i allt snabbare takt i evinnerlig tid, men om den mörka energin är ett varierande kraftfält kan styrkan med tiden växa explosivt så att den repellerande energin till slut sliter isär alla stjärnor och planeter.

Kraftfältet kan också försvagas så att gravitationen återigen får övertaget och drar ihop all massa i en stor kross.

Nancy Grace Romans vision kommer därmed inte bara att bidra till att hitta liv i rymden utan också till att avslöja hur det hela slutar.