ESAs romteleskop Planck har gitt oss ny innsikt i universets historie fra den tidligste brøkdelen av et sekund etter Big Bang til utviklingen av stjerner og galakser gjennom nesten 14 milliarder år. Teleskopet er kalt opp etter en av kvantefysikkens fedre, den tyske fysikeren Max Planck (1858-1947).
Planck-teleskopet har mer nøyaktig enn noe tidligere eksperiment målt den eldste strålingen i universet: den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Denne svake strålingen kan observeres i alle retninger på himmelen, og den ble sendt ut da universet bare var en liten brøkdel av dens nåværende alder.
Selve teleskopet er nå ferdig med oppdraget sitt, og har blitt skrudd av. Astronomer verden over jobber like fullt stadig på spreng for å gjøre klart stadig nye dataslipp og resultater fra observasjonene. Den 5. februar 2015 ble ferske data og resultater sluppet.
Hva er nytt i dette dataslippet?
– De viktigste resultatene fra artiklene som er offentliggjort nå er for det første de kosmologiske parametrene, forteller professor Per Lilje ved Institutt for teoretisk astrofysikk.
En kosmologisk parameter karakteriserer en bestemt egenskap ved universet, og inngår for eksempel i matematiske ligninger som beskriver universet på ulike måter. Parameteren kan ha ulike verdier, og astrofysikere prøver å finne den mest nøyaktige verdien som passer best med observasjonene.
Kart fra Oslo
Planck-gruppen i Oslo består av professorene Per Lilje, Frode Hansen og Hans Kristian Eriksen fra Institutt for teoretisk astrofysikk, Ingunn Wehus fra Jet Propulsion Laboratory ved California Institute of Technology og en rekke stipendiater og postdoktorer (se høyremarg).
Gruppen har arbeidet intenst med de siste dataslippene fra Planck. Både støvkartet over hele himmelkulen og portrettet av Melkeveien i bildevisningen under er laget av Oslo-gruppen. Disse kartene ble brukt av NASA i sin pressemelding i februar.
Polarisasjon gir mer nøyaktige resultater
De mest nøyaktige parameterverdiene fra 2015-årgangen med observasjoner stemmer godt overens med verdiene fra 2013, som var analyser av observasjoner fra det første året med Planck-observasjoner. Usikkerhetene på verdiene er dog blitt vesentlig forbedret nå som forskerne har brukt data fra hele Plancks observasjonsperiode.
Denne gangen er resultatene også basert på polarisasjon av strålingen, noe som gir mye bedre og sikrere svar enn kun temperaturvariasjoner som ble brukt i 2013-resultatene.
Lys er elektromagnetiske bølger med svingninger som kan beskrives matematisk. Når fysikere snakker om polarisering mener de retningen som disse elektromagnetiske bølgene svinger i. Lysbølgene kan svinge i alle mulige retninger, men hvis det har en foretrukket retning kaller vi lyset polarisert.
Når ble gassen ionisert igjen?
Så verdiene for parametrene som beskriver universet har ikke forandret seg så mye med det nye dataslippet i år. Men det er én ting som har blitt vesentlig endret ved å ta med polarisasjon, forteller Per Lilje.
Det kalles optisk dybde ved reionisering og representeres med den greske bokstaven \(\tau\) . Dette er et mål for når gassen mellom galaksene i verdensrommet ble ionisert igjen. Altså når den ble ionisert for andre gang.
At en gass er ionisert, vil si at den består av partikler som har elektrisk ladning. Helt i begynnselen av universets historie var gassen i universet så varm at den var fullstendig ionisert. Da universet var omtrent 400 000 år gammelt hadde det utvidet seg og kjølt seg ned såpass at partiklene i gassene ble elektrisk nøytrale. Det er fra denne tidsepoken den kosmiske bakgrunnsstrålingen stråler mot oss fra alle kanter.
– Men vi vet at gassen mellom galaksene er fullstendig ionisert igjen i dag, forteller Lilje.
Dette er på grunn av stråling fra stjerner og galakser, som tilfører gassen energi og ioniserer partiklene.
– Et av de store spørsmål i dagens astrofysikk er hvordan og når denne gassen mellom galaksene igjen ble ionisert.
De første stjernene i universet
Det nye resultatet fra Planck gir som verdi for den optiske dybden ved reionisering \(\tau\) = 0,066 \(\pm\) 0,016. Resultatet fra 2013 ga \(\tau\) = 0,089 \(\pm\) 0,032. Den nye verdien for \(\tau\) er altså lavere enn den gamle, noe som fører til at beregningene for når reionsieringen skjedde flytter seg til et noe senere tidspunkt i universets historie.
Mer presist flytter tidspunktet for reioniseringen seg 100 millioner år nærmere oss i tid.
– Det nye tallet er jo innenfor konfidensintervallet for det gamle, forteller Per Lilje.
Det vil si at det nye tallet for \(\tau\) i forhold til usikkerhetene i målingene ikke er så veldig langt unna den forrige verdien.
– Men den nye parameterverdien er vesentlig lavere, og vesentlig sikrere, enn den forrige, fortsetter han.
Astrofysikere som jobber med hvordan de første stjernene i universet ioinserte gassen rundt seg, forteller at deres arbeider passer bedre med den nye verdien for den optiske dybden fra Planck.
Støv i veien for BICEP
Det andre store resultatet fra Planck i år var at polarisert termisk stråling fra støv i vår galakse er mye større enn tidligere antatt.
Dette viste at det som for et år siden ble presentert som sensasjonelle resultater fra BICEP2-gruppen kan forklares som kun stråling fra nærliggende støv i vår egen galakse. Planck og BICEP2-forskere har samarbeidet om en felles artikkel som konkluderer med at vi fortsatt ikke har funnet gravitasjonsbølger.
Enormt arbeid ligger bak
Bak de kosmologiske resultatene ligger det enorme mengder arbeid.
– Det er en lang vei å gå fra Plancks skanning av himmelkulen til et tall som for eksempel \(\tau\) = 0,066, forklarer Lilje.
Det er veldig viktig å skille fra hverandre alle de forskjellige bidragene til signalet som teleskopet mottar. Strålingen fra universets tidlige barndom gjemmer seg bak mye annen stråling som ligner, men som kommer fra andre ting.
– Vi får stråling fra universets begynnelse. Men vi får også stråling fra gass og støv i vår egen galakse, fra støv i solsystemet, og i tillegg fra galakser, kvasarer, galaksehoper, supernovarester og mye annet rart som er i universet, sier Lilje.
Norske forskere har spesielt stått i sentrum når det gjelder å skille fra hverandre de forskjellige delene av signalet som kommer fra andre kilder enn bakgrunnsstrålingen.
Planck-artikkelen om forgrunner er resultatet av arbeidene til Ingunn Wehus og Hans Kristian Eriksen med medarbeidere. Både her og mange andre steder i analysen er hovedmetoden som brukes bygget på en statistisk metode for parameterestimering, såkalt Gibbs-sampling, som Hans Kristian Eriksen har utviklet helt fra doktorgradsarbeidet sitt.
– Det Oslo-baserte dataprogrammet Commander er brukt ikke bare i de nevnte artiklene, men gjennomgående gjennom hele dataanalysen, avslutter Lilje.