Fysik: Pris till rymdlabbet

Stilla natt är inte vad den ser ut att vara. På det mörka himlavalvet där stjärnorna så pålitligt blinkar till oss, pågår i själva verket dramatiska processer som ingen någonsin har kunnat frambringa på jorden. Och det dröjer länge innan någon av dem kommer att kunna återskapas här, om någonsin.

Därför är partiklar och strålning från rymden det enda sättet för forskare att kunna följa vad som händer inuti solen, hur det går till när en stjärna exploderar eller vad som sker när ett svart hål slukar allt i sin närhet. Här på jorden kan vi bara spekulera. Och försöka få syn på lämpliga tecken från himlen för att spekulationerna ska kunna omvandlas till pålitliga teorier.

I år har Kungl Vetenskapsakademien belönat några pionjärer som utnyttjat rymden som fysiklaboratorium. Ena halvan av Nobelpriset, 5 miljoner kronor, delar amerikanen Raymond Davis, som har lyckats fånga neutriner från solen, med japanen Masatoshi Koshiba, som gjort en fälla där neutriner från supernovor fastnat. Andra halvan får Riccardo Giacconi för att han var först att med hjälp av raketer och satelliter mäta röntgenstrålar från yttre rymden.

Svarta hål blir synliga

Italienaren Riccardo Giacconi har rykte om sig att vara en mycket påhittig man, ännu en av alla dessa emigranter från Europa som hade svårt att få sina stora visioner finansierade i hemlandet och som i USA fann ett bättre klimat för innovativ forskning. Till och med ett patent på bättre kylskåp finns på hans meritlista.

Men mest omtalad är Giacconi som en duktig entreprenör som kan ro iland stora astronomiprojekt. Det gäller bl a flera projekt som låter astrofysiken skörda röntgenstrålar från himlen. När han i början på 1960-talet för första gången kunde nå ut bortom jordatmosfärens slöja såg han från en raket utrustad med Geigermätare hela himlen lysa i röntgen. Det ledde till att röntgenastronomin fick fart och snart avslöjades de första röntgenkällorna: Scorpius X-1 i Skorpionens stjärnbild och Cygnus X-1, X-2 och X-3 i Svanens stjärnbild. Numera finns det avancerade apparater som flygs på satelliter och som hjälper forskarna att mer exakt se varifrån strålarna egentligen kommer.

Giacconi säger sig ha Moby Dick som favoritlektyr, men i stället för den vita valen hittade han svarta hål. Det är nämligen vad röntgenstrålarna allra troligast avslöjar. Sådana strålar ser man t ex komma mot oss från Vintergatans centrum, och de utgör en mycket övertygande indikation på att vår galax innerst inne härbärgerar ett svart hål. Även kvasarer, mycket unga galaxer, sänder ut röntgenstrålning liksom de mycket tunga s k neutronstjärnorna. Också de dubbelstjärnesystem där den tyngsta stjärnan drar åt sig materia från sin granne sänder ut en karakteristisk röntgensignatur, ljus som avslöjar vad stjärnparet gör.

Budbärare från solens inre

Medan röntgenastronomerna behöver lyfta upp sina mätinstrument högt över jordytan, gräver neutrinojägarna ner sig i gruvor. Där slipper de kosmisk strålning som kan störa deras känsliga mätningar. Men neutrinerna har inga svårigheter att ta sig igenom alla hinder. Liksom vanligt ljus passerar genom glas går neutrinerna obehindrat rakt igenom våra kroppar och marken som vi står på.

Dessutom är de osannolikt många – varje sekund genomkorsas en kvadratcentimeter på jorden av 100 miljarder neutriner. De flesta kommer hit från solen. Vid sidan av värme och solljus frigörs de när solen, och förstås även andra stjärnor, förbränner väte i sitt inre och omvandlar det till helium. Medan det tar 8,3 minuter för neutrinerna att tillryggalägga sträckan från solen till jorden, tar det mer än en miljon år för en ljusfoton innan den ens tar sig upp till solytan! Även vid stjärnutbrott, supernovor, kommer neutriner som budbärare om att något dramatiskt håller på att ske.

Att fånga neutriner blev Raymond Davis stora projekt för nästan ett halvt sekel sedan. Under 1960-talet fyllde han en stor tank med över 600 000 liter av en klorförening som vanligen används vid kemtvätt. Davis idé var att neutriner som krockade med kloratomer skulle omvandlas till radioaktiva argonatomer, en process åtföljd av små ljusblixtar som man kunde se. Tanken sänktes 1,5 kilometer ner i en gammal guldgruva i South Dakota i USA. Davis tog till och med dykcertifikat för att bättre kunna ta hand om sin utrustning.

Fiskar efter neutriner

Den första neutrinon lyckades han fånga 1968. Därefter fastnade i genomsnitt en neutrino varannan dag i Davis fälla under de trettio år som experimentet pågick. Den mängden motsvarar dock bara en tredjedel av vad som borde ha upptäckts där om man jämför med teoretiska beräkningar. Det var därför inte lätt för kemisten Davis att få fysikvärlden att tro på hans mätmetoder. Till den dag då Masatoshi Koshiba bekräftade Davis resultat.

Koshiba har konstruerat Kamiokande och dess efterföljare, Super-Kamiokande, en av världens elegantaste detektorer, om man ska tro andra instrumentbyggare. Femtiotusen ton kristallklart vatten fyller i dag en jättetank en kilometer under markytan i en nedlagd zinkgruva väster om Tokyo. Från början var detektorn tänkt att notera materiens sönderfall – enligt vissa fysikteorier borde protonen nämligen ha ett ändligt liv.

Några sådana sönderfall fick dock Koshiba aldrig se. Däremot, när en supernova i vår granngalax Stora Magellanska molnet, exploderade 1987, fastnade tolv av utbrottets miljarder neutriner i Kamiokandedetektorn. När en neutrino krockar med vattnet noteras nämligen en ljusblixt av någon eller några av de 11 146 fotomultiplikatorer som omgärdar vattentanken.

En otrolig tur hade han: utbrottet skedde egentligen för 170 000 år sedan och när neutrinerna från supernovan anlände med ljusets hastighet till jorden år 1987 så stod det en detektor i Japan redo att ta emot dem!

Neutrinerna gäckar fortfarande

Fortfarande fattas det dock neutriner från solen, ett faktum som fått neutrinoastronomin att ta fart under 1990-talet. Misstanken är nämligen att det finns tre sorters neutriner och att de neutriner som produceras i solens inre hinner byta sort på väg upp mot solytan. ”Fel” sort kommer alltså fram till jorden.

Om det är på det viset borde dock neutrinon ha en massa som inte är noll. Och även om dess massa är minimal, räcker den för att på ett avgörande sätt ändra den rådande bilden av kosmos – neutrinerna är ju så ofattbart många. Numera finns det flera platser på jorden som ägnar sig åt neutrinojakt, och om de senaste preliminära resultaten bekräftas kommer dessa att leda till nya Nobelpris.