Planck: Død, men allikevel levende

ESAs romteleskop Planck har gitt oss ny innsikt i historien til vårt univers fra den tidligste brøkdelen av et sekund etter Big Bang til utviklingen av stjerner og galakser gjennom 13,8 milliarder år. 

Norge og Planck

Fra 1999 har Institutt for teoretisk astrofysikk deltatt i Planck, med stor støtte fra Norges Forskningsråd og Norsk Romsenter.

Norsk industri har stått for en viktig del av det ene instrumentet ombord på satellitten og norske forskere har hatt en meget viktig rolle i å analysere dataene fra Planck. 

Den norske deltagelsen i Planck har fra 1999 vært ledet av professor Per Barth Lilje ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA).

– Planck er nå død, men for de vitenskapelige dataene fra Planck er ikke dette slutten, det er bare slutten på begynnelsen, sier Lilje. 

– Vi vil i mange år fremover arbeide med å analysere dataene og tolke hva de har å fortelle oss. Og mye av denne analysen vil skje her ved Universitetet i Oslo.

Lilje forteller også at den norske deltagelsen i Planck har betydd enormt mye for utvidelsen av kosmologigruppen ved Universitetet i Oslo.

I 1999 besto ITAs kosmologigruppe av to professorer, en eller to stipendiater og et lite antall masterstudenter. I dag består gruppen av fem professorer, åtte postdoktorer og over ti Ph.d.-studenter.

– Vi ville aldri kommet dit uten Planck, sier Lilje.

Tester standardmodellen

Postdoktor Yabebal Tadesse Fantaye kommer fra Etiopia og har doktorgrad fra Scuola internazionale Superiore di Studi Avanzati i Trieste, Italia. Han kom til Norge for å forske på Planck-data hos kosmologigruppen i Oslo.

Fantaye forteller at han som deltager i Planck-gruppen ved Institutt for teoretisk astrofysikk har arbeidet med å bruke temperaturdataene fra Planck til å teste noen av de grunnleggende antagelsene som ligger bak standardmodellen i kosmologien. Disse antagelsene sier at universet på de største skalaer er homogent (likt over alt) og isotropt (likt i alle retninger).

– Alt i 2004 fant Oslo-gruppen at isotropiantagelsen ikke så ut til å passe overens med dataene fra den tidligere WMAP-satellitten, forteller Fantaye.

– Vi har vist at Planck-dataene bekrefter dette. Resultatene våre er nettopp omtalt i Scientific American.

Tidspress

Forskerne i Oslo jobbet mot en skarp tidsfrist 21. mars i år. Den dagen skulle Planck-dataene offentliggjøres for allmennheten for første gang. Da måtte alle de sentrale artiklene være på plass.

– Men det tok lengre tid enn forventet å gjøre klart de endelige temperaturdataene og simuleringene som vi skulle bruke i vår studie, forteller Fantaye. 

– Dette var input vi var avhengige av for å gjøre vår analyse. Vi var forferdelig travle de siste dagene før tidsfristen for å få ferdig artiklene. Vi måtte gjennomføre hele den siste analysen på en uke.

En av dem som også var med på denne intense perioden var ph.d.-stipendiat ved ITA Kristin Mikkelsen.

– Det var stadig nye, forbedrede data som skulle sendes igjennom maskineriet og vi måtte kontinuerlig oppdatere figurer og tabeller, forteller hun. Siste gang jeg sendte inn en ferdiglaget figur var 1-2 dager før publiseringen, så artikkelgruppene jobbet til siste stund med oppdateringer og redigeringer!

Mikkelsen har jobbet med blant andre Fantaye på analysen av isotropiantagelsen. Hun har også vært med på å ta bakkebaserte observasjoner som et ledd i oppfølgingsprogrammet til Planck.

Observasjonene ble gjort ved Nordic Optical Telescope (NOT) på La Palma og New Technology Telescope (NTT) på ESOs La Silla-observatorium i Chile.

– Der gjorde vi spektroskopiske observasjoner av galaksehoper, forteller Mikkelsen.

Det mest presise bildet av universet 

Kosmologer over hele verden som har arbeidet med dataene fra Planck har gitt oss det mest presise bildet vi har av den kosmiske mikrobølge-bakgrunnsstrålingen, som går under forkortelsen CMB (Cosmic Microwave Background). Denne bakgrunnsstrålingen er reststrålingen fra selve Big Bang. Den satte sitt spor på himmelen da universet bare var 380 000 år gammelt.

Bakgrunnsstrålingen gir oss det mest nøyaktige øyeblikksbildet av fordelingen av materie i det tidlige univers. Den viser små temperaturvariasjoner som svarer til områder med litt forskjellig tetthet svært tidlig i universets historie. Disse var utgangspunktene for all struktur som senere har oppstått i universet: stjerner og galakser.

– Planck har gitt oss det mest presise bildet vi har av CMB over hele himmelen, det gjør det mulig for oss å teste en stor mengde modeller for opprinnelsen og utviklingen av universet, sier Jan Tauber, som er ESAs vitenskapelige leder for Planck-prosjektet.

– Men det tok lang tid med grundig og tidkrevende arbeid før vi kunne begynne å bruke denne enorme rikdommen av kosmologisk informasjon, fortsetter Teuber.

Den kosmologiske bakgrunnsstrålingen gjemmer seg nemlig bak det kosmologene kaller forgrunnsstråling. Forgrunnsstråling kan for eksempel være radiostråling fra gass og støv i vår egen galakse og fra andre galakser og galaksehoper.

I den forbindelse har Planck laget den største katalogen noen sinne over de tyngste galaksehopene. Galaksehoper er grupper av galakser som holdes sammen av en felles tyngdekraft. Av universets byggesteiner er det galaksehopene som har størst masse. 

Hint om utviklingen av den kosmiske materien

I løpet av disse 13,82 milliarder årene siden starten på universet, har lys fra Big Bang reist tvers gjennom universet mot Jorden.

Underveis har lyset møtt på kosmiske strukturer som er blitt dannet i mellomtiden. Én slik vekselvirking skjer ved en effekt som kalles gravitasjonslinsing. Dette er en linseeffekt opptrer på grunn av at lysstråler blir avbøyd i et sterkt tyngdefelt, for eksempel når lyset passerer galaksehoper. 

Når lysstråler går gjennom en glasslinse, vil strålene bli avbøyd og bildet bak dem blir forvrengt. På samme måte blir CMB-fotonene avbøyd når de passerer en galaksehop. Dette gir ørsmå forvrengninger i CMB-mønsteret på himmelen.

Astronomene har med Planck-data for første gang vært i stand til å lage et kart av denne gravitasjonslinse-effekten som dekker hele himmelen. Dette har gitt oss en helt ny måte å studere utviklingen av strukturene i universet over tid på.

Mer innsikt i hvordan kosmiske strukturer dannes har vi fått fra en annen effekt. Når CMB-fotoner på sin vei gjennom universet møter den varme gassen som er i galaksehoper, skjer det noe spennende. Energien til fotonene blir endret på en karakteristisk måte som gjør det mulig for forskerne å oppdage galaksehoper i detaljerte flerfarge-målinger av CMB.

Denne effekten har til og med gjort det mulig å se meget svake gassbroer som forbinder to galaksehoper. Det tidlige universet var fylt av slike lange tråder av gass som et gigantisk spindelvev, der galaksehoper etter hvert ble til i de tetteste knutene. 

Forsker ved ITA Håkon Dahle deltar i Planck-prosjektets arbeidsgruppe for studier av galaksehoper. 

– Oppdagelsen av gassbroen mellom de to galaksehopene er viktig som en bekreftelse på at det kosmiske spindelvevet faktisk finnes, forteller Dahle. 

– Eksistensen av dette spindelvevet er en viktig forutsigelse i dagens kosmologiske standardmodell, der universet er dominnert av mørk materie og mørk energi.

Flere resultater i vente

Stipendiat Kristin Mikkelsen sier at Planck-prosjektet er langt fra over. 

– Det er mye data tilgjengelig og mange analyser som kan gjennomføres. WMAP-satellitten ble «parkert» i 2010, men data fra WMAP er fortsatt i bruk, forteller hun.

– Videre har ingen polarisasjonsdata blitt publisert så det kommer til å bli veldig spennende.

Polarisert lys fra CMB kan muligens gi Planck-kosmologene informasjon om universets historie enda lenger tilbake enn vi hittil har sett. Polarisasjon refererer til retningen de elektromagnetiske bølgene i lyset svinger i. Fra dagliglivet bruker vi denne effekten når vi for eksempel bruker polariserte solbriller, som blokkerer lys med én spesifikk retning.

Forskerne tror at mindre enn en milliarddel av en milliarddel av en milliarddel av ett sekund etter at det ble til, gikk universet gjennom en fase av hyperrask utvidelse, som vi kaller inflasjon. Under denne fasen ville det blitt dannet et hav av såkalte gravitasjonsbølger som - hvis de finnes - vil ha gitt spor etter seg i den delen av CMB som er polarisert.

Å finne et slikt signal i CMB ville gi oss en bekreftelse på inflasjonshypotesen, men for å kunne gjøre det må kosmologene fullføre en enda mer nøyaktig fjerning av kompliserte forgrunner som inkluderer polarisert stråling fra vår egen galakse.

– Vi er ekstremt tilfredse med hvordan Planck har prestert og resultatene den har gitt oss så langt, men vi er også svært ivrige etter å se hva polarisasjonsdataene vil fortelle oss – neste år vil klart bli svært spennende for Planck, legger Jan Tauber til.