NOBELPRISET I FYSIK 2011 – Evig expansion är universums öde

Stämningen i scanningrummet var avslagen. Studenterna hade gett upp. De trodde inte att det skulle gå att hitta en supernova bland tusentals galaxer på bilder som vi tidigare hade fått från Isaac Newton-teleskopet på Kanarieöarna. Kvar var bara Saul Perlmutter och jag. Saul, som var en av initiativtagarna till projektet, hade tidigare misslyckats med att hitta supernovor, dvs stjärnexplosioner, på bilder tagna med ett teleskop i Australien. Men nu var kvaliteten på bilderna betydligt bättre.

Några dygn senare satt vi fortfarande i scanningrummet. Vi gjorde korta avbrott för sömn och mat. Mot all förmodan hade vi lyckats ringa in några intressanta supernovakandidater. Ljusintensiteten från några galaxer hade ökat mer på tre veckor än vad som kunde förklaras med skiftningar i det diffusa signalbruset i bilden. Nu fick vi välja endast en av dem för vidare observation. Det kändes ödesdigert. Vi visste att om vi inte fann en supernova denna gång skulle vi vara tvungna att lägga ner projektet. Chefen för fysikdivisionen på Lawrence Berkeleylaboratoriet i Kalifornien, där vi arbetade, ansåg att vi förbrukade alldeles för stor del av de gemensamma datorresurserna i laboratoriet.

Det var med obeskrivlig vånda som vi skickade lägeskoordinaterna för den möjliga supernovan till våra brittiska medarbetare Richard Ellis och Karl Glazebrook. De skulle försöka ta en bild av galaxen som skulle kunna avgöra om det verkligen var en supernova på kosmologiskt intressant avstånd, dvs tillräckligt långt bort. Själva lät de mycket skeptiska. De ville hellre använda teleskoptiden på sitt 4 meter stora teleskop på Kanarieöarna till andra projekt. Men allt förändrades över en natt när Richard och Karl faxade oss sin bild med texten: Öppna champagneflaskan. Den mest avlägsna supernovan någonsin!

Året var 1992 och vår supernova döptes till SN1992bi. Det blev stor uppståndelse med intervjuer både i press och TV. Vi hade lyckats hitta en supernova som exploderade ungefär samtidigt som vårt solsystem bildades, för ca 4,5 miljarder år sedan. Det var första steget till att ta reda på mer om universums öde med hjälp av avlägsna supernovor, av en typ som kallas la.

## Världsalltets framtid
Universum expanderar, det har astronomer känt till sedan många årtionden. Edwin Hubble påvisade i slutet av 1920-talet att avlägsna galaxer rör sig bort från oss med en hastighet som ökar med avståndet. Hubbles upptäckt kan man förstå intuitivt om man tänker sig universum som en jäsande deg fylld med russin. Galaxerna, dvs russinen i kakan, rör sig från varandra snabbare ju längre bort från varandra de är.

Hur länge har denna utvidgning pågått? Kommer universum att expandera för evigt? Eller kan expansionen vända till en slutgiltig kollaps? Dessa frågor om de s k kosmologiska storheterna har astronomer och fysiker brottats med ända sedan Hubbles upptäckt. Men de hade haft svårt att hitta ett tillförlitligt sätt att besvara dem. Nu förefaller det som om våra och liknande observationer kan komma att lösa många gåtor. Genom att studera supernovor vars ljuspartiklar har färdats i flera miljarder år för att nå oss, kan vi lära oss hur universums expansion har sett ut under tiden som har förflutit sedan ljuset började sin färd. Med den informationen kan vi dels räkna oss tillbaka till ursmällen och få reda på när allting började, dels försöka förutsäga universums framtida öde. Dessa är alltså skälen till att vi letar efter avlägsna supernovor.

## Massan bromsar
Om man kastar en boll rakt upp i luften påverkas den av jordens tyngdkraft så att dess hastighet minskar. På samma sätt kan man föreställa sig att universums utvidgning bromsas in, eftersom galaxer i rörelse känner av varandras gravitation. Det är med andra ord rimligt att tänka sig att i något skede kan galaxernas rörelseriktning vända. Universum skulle då vara på väg tillbaka mot en kollaps, en motsats till Big Bang ̶ Big Crunch (Stora krossen).

Detta är dock inte den enda möjligheten för universum. Om den sammanlagda massan i universum är låg, kommer gravitationen inte att räcka till för att bromsa utvidgningen, och då kommer universum att expandera för evigt. Man kan räkna ut den kritiska massa som skiljer ett för evigt expanderande universum från ett som kommer att kollapsa.

Här tillkommer dock en komplikation i beräkningarna. Förutom gravitationskraften måste man nämligen också räkna med vad som kallas Einsteins kosmologiska konstant. Innan Hubble visade att universum expanderar, trodde Einstein att universum var statiskt, dvs varken utvidgar sig eller krymper. För att ta hänsyn till detta i sina ekvationer såg han sig nödgad att ”rädda” universum från att dras ihop av sin egen massa genom att införa en balanserande term ̶ den kosmologiska konstanten – som motverkar gravitationen. Även om denna räddningsaktion senare sågs med förakt av Einstein själv (han påstås ha sagt att det var hans livs största misstag) så har den kosmologiska konstanten åter blivit populär bland kosmologer. Den kan vara en välbehövlig pusselbit när teorier och observationer ska matchas, även om dess ursprung förblir ett mysterium.

## Supernovor ger svaret
De stjärnexplosioner som vi ville studera är alltså supernovor av typ la. Det som gör dem speciella är att de är extremt ljusstarka och nästan alltid utstrålar exakt samma ljusmängd. En typ la-supernova producerar lika mycket ljus som en hel galax. Detta gör att de kan upptäckas även på extremt stora avstånd.

Vi kalibrerar först ljustyrkan genom att studera supernovaexplosioner i galaxer på kända avstånd från oss. Sedan använder vi nya supernovaexplosioner av samma typ för att beräkna avståndet till galaxer som är för långt borta för att avståndsbestämmas med någon annan metod.

För att kunna mäta de kosmologiska storheterna måste vi dessutom veta hur fort värdgalaxen, där stjärnexplosionen ägde rum, rör sig bort från oss. Detta är dessbättre något som numera är rutin inom astronomin. Hastigheter mäts med hjälp av den s k Dopplereffekten, som också kallas rödförskjutning – ju fortare galaxen rör sig bort från oss, desto rödare är dess ljus. Genom att noggrant mäta ljusstyrkan hos typ la-supernovor i extremt avlägsna galaxer samt deras rödförskjutning kan vi räkna ut de kosmologiska storheterna.

## Att hitta supernovor
Jag hade anslutit till supernovagruppen vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien bara några månader före upptäckten av SN1992bi. Många astronomer ansåg att projektet var för svårt: hur skulle man kunna hitta supernovor som bara kunde observeras med minst 2,5-metersspeglar om man inte visste vid vilken tidpunkt och vart man skulle rikta teleskopet? Inte nog med det, supernovorna måste hittas mycket snabbt. Bara några veckor efter explosionen blir ljusintensiteten för svag för att kunna ses ens med de riktigt stora teleskopen.

Som fysiker låter man sig inte avskräckas så lätt! På CERN, elementarpartikellaboratoriet i Genève, där jag just hade avslutat min doktorsavhandling, hade fysikerna några år tidigare hittat några eftersökta partiklar, de s k Z- och W-bosonerna, genom att identifiera ett fåtal kollisioner bland hundra miljoner andra reaktioner. Skulle vi då inte kunna hitta supernovor om vi gick igenom tusentals galaxer på kort tid?

## Slog rekord
Napoleon lär ha sagt att ”Gud hjälper de starka arméerna” . I vårt fall fick vi rejäl hjälp från teknikutvecklingen. Dels hade man börjat producera stora och mycket ljuskänsliga s k CCD-kameror med vilka vi kunde avbilda minst 10 x 10 bågminuter av himlen åt gången (en bågminut är ett vinkelmått =1/60 grad). Dels hade datorutvecklingen kommit så långt att vi på några minuter med en vanlig arbetsstation kunde söka efter en supernova bland miljontals punkter i bilden. Sist men inte minst hade datalänken mellan teleskopet och laboratoriet, där stora delar av bildanalysen görs, kraftigt förbättrats så att överföringen av de digitala bilderna kunde göras på bara några minuter. Tiden var alltså precis mogen för att vi skulle lyckas.

Tekniken har sedan dess förfinats ytterligare. Numera söker vi efter supernovor med en ”mosaikkamera” bestående av fyra CCD-chips, vart och ett med 15 x 15 bågminuters synfält. Det motsvarar ungefär en så stor bit av himlen som täcks av tummens nagel om man sträcker ut armen helt. Bilderna digitaliseras genom att fältet delas upp i flera miljoner bildpunkter med en upplösning bättre än en halv bågsekund. Med datorns hjälp söker vi igenom 16 miljoner punkter i bilden för att eventuellt hitta en galax där en stjärna har exploderat (bild 3). När supernovan har bekräftats följer vi förändringar i ljusintensiteten med hjälp av flera teleskop över hela världen (bild 4). Vi är numera en hel forskargrupp ̶ The Supernova Cosmology Project (SCP) ̶ och har hittat ett fyrtiotal supernovor med vilkas hjälp en del av universums gåtor kan komma att lösas.

Under fyra nätter vid teleskopet kan vi hitta ett dussin supernovor av typ la som är tillräckligt långt borta för att berätta något om det tidiga universum. Ett par veckor efter att vi har avbildat en del av himlen studerar vi samma område för att upptäcka de galaxer som har blivit ljusare. Att hitta många supernovor vid så höga rödförskjutningar som möjligt är alltså målet.

Men det räcker inte att bara hitta en galax vars ljusstyrka har ökat lokalt för att hävda att vi har funnit en typ la-supernova. I detektivarbetet ingår också att avslöja supernovans typ och avstånd. För detta krävs ännu känsligare teleskop.

I dag har vi världsrekordet med upptäckten av SN1997ap – den hittills mest avlägsna supernovan av typ la. Den exploderade när universum var knappt hälften så gammalt som idag.

Vad har vi då lärt oss om universum och de kosmologiska storheterna? För åtta av de sammanlagt 40 supernovorna av typ la som hittills har upptäckts av vår grupp har så lång tid förflutit sedan explosionen att vi redan har kunnat se galaxen återfå sin ursprungliga ljusstyrka. Det är dessa supernovor som har analyserats och jämförts med ljuset från liknande explosioner på betydligt närmare håll.

## Massan för låg
Även om frågan är långtifrån avgjord tyder dessa upptäckter på att universums massa är lägre än det kritiska värdet ̶ alltså på att utvidgningen kommer att fortgå i all evighet! Einsteins kosmologiska konstant, om den finns, påverkar också bl a universums ålder – världsalltet blir äldre om konstanten införs. Enligt vad vi hittills har lärt av våra supernovor bör universum ha funnits i mellan 10 och 16 miljarder år.

I takt med att vi hittar fler och fler avlägsna supernovor ökar kravet på teleskopens känslighet. Att mäta ljusflödet från en typ la-supernova från markbaserade teleskop går bra så länge de är relativt närbelägna, annars måste ljuset mätas från rymden. Supernova 1997ap var den första som kunde mätas från rymdteleskopet Hubble. Ljusflödet uppmättes med en osäkerhet på knappt 10 procent. Precisionen behövs, eftersom skillnaden mellan det förväntade flödet för olika kombinationer av de kosmologiska storheterna som vi vill ta reda på är liten. Ännu återstår dock att bevisa att de mest avlägsna och de närbelägna supernovorna av typ la verkligen är identiska företeelser. Man kan t ex spekulera över om galaxernas sammansättning, som kan ändras över tiden, möjligen kan påverka intensiteten hos supernovorna.

Det som gör supernovaprojektet så lovande är att det är möjligt att avgöra om varje enskild supernova långt borta verkligen uppför sig som en ”standardljuskälla”, dvs lyser lika starkt som övriga supernovor av typ la och tappar i ljusstyrka med samma hastighet. Detta är möjligt, eftersom vi, åtminstone i princip, kan titta på och analysera ljuset natt efter natt i upp till ett par månader och jämföra med typ la-supernovor på närmare håll. Denna möjlighet till kontroll saknas hos andra metoder att mäta de kosmologiska storheterna.

## Svar om tio år
För att uppnå större precision får vi nog vänta upp till tio år till. Under tiden skickas tre mycket viktiga instrument ut i rymden: den amerikanska MAP-satelliten, de europeiska Planck-mikrovågsteleskopen och nästa generations rymdteleskop (NGST), det som ska efterträda Hubble. Med NGST ska man kunna se supernovor som exploderade bara en miljard år efter Big Bang, om nu supernovor över huvud taget fanns så tidigt i universums historia.

De andra två instrumenten, COBE-satellitens efterföljare, ska studera finstrukturen i variationerna hos den s k kosmiska bakgrundsstrålningen av mikrovågor ända ut till världsalltets rand. Om dessa rymdobservatorier fungerar kommer kosmologins mest fantastiska historia att skrivas under de närmaste tio åren.