De gåtfulla utbrotten på spåren

Den högenergetiska gammastrålning som Fermiteleskopet tar emot avslöjar vad som pågår i kaoset runt exploderande supernovor, svarta hål och snabbt roterande pulsarer. Energin hos gammastrålarna är flera miljarder gånger högre än den hos synliga ljusstrålar. Men likt synligt ljus påverkas gammastrålar varken av magnetiska eller elektriska fält – de kommer raka vägen till våra mätinstrument från platserna för rymdens vidunderliga skådespel. År 1900 upptäckte fransmannen Paul Villard den genomträngande radioaktiva strålningen – gammastrålar. Men inte förrän sextio år senare fångades de första gammapartiklarna från himlen. Totalt 22 gammafotoner fastnade i mätutrustningen på den amerikanska satelliten Explorer XI under dess sju månader långa färd. Men det var de våldsamma och snabba gammablixtarna som några år senare väckte störst uppståndelse. Av en slump upptäcktes de av amerikanska spionsatelliter som egentligen spanade efter kärnvapenexplosioner på jorden. I stället noterade de okända utbrott i rymden. Källorna till dessa mystiska utbrott är fortfarande okända. Men med en halv miljon gammapartiklar om dagen är chansen numera stor att Fermisatelliten kan lösa gåtan. Helt säkert är att gammastrålning har alldeles för hög energi för att kunna alstras av en vanlig stjärna liknande vår sol. Alternativet är att gammastrålar sänds ut då laddade partiklar accelereras av starka elektromagnetiska fält. Det kan ske i kaoset runt exploderande stjärnor, svarta hål eller extremt tunga neutronstjärnor. En annan sannolik källa till gammastrålning i rymden är partiklar som antingen sönderfaller eller tillintetgör varandra. Överskottsenergin sänds då ut i form av gammastrålar. Kanhända hör dessa partiklar till den hittills okända och hett eftersökta mörka materien. Astrofysiker kan beräkna att mörk materia står för en fjärdedel av all massa i universum, men de vet egentligen inget mer om den. När gammastrålar fångas av våra instrument omvandlas deras höga energi till massa enligt Albert Einsteins berömda formel E=mc². Energin räcker till att för varje gammaljuspartikel ska bilda två elektriskt laddade materiepartiklar – en elektron och dess antipartikel, positronen. När de fastnar i vår spårdetektor ger de upphov till en hel skur nya partiklar. Våra instrument kan både se var gammastrålarna kommer ifrån och mäta hur mycket energi de bär med sig. Därmed kan vi rita en karta över himlen i gammaljus liknande en vanlig stjärnkarta som görs med ljusteleskop. En stor utmaning för våra mätningar är störningarna – för varje gammafoton som krockar med Fermisatelliten gör en miljon andra partiklar också det, vilket kan ge upphov till falska signaler. Därför är teleskopet täckt med ett skydd som minskar andelen oönskade träffar till en tiotusendel. Resten av de störande signalerna får vi ta itu med i efterhand. Bärraketen med vårt teleskop ombord sköts upp från Cape Canaveral i Florida den 11 juni 2008. I sextio dagar testade vi de avancerade instrumenten innan det blev dags att påbörja mätningarna. Och efter bara några tiotal timmar kunde vi bekräfta det vi redan kände till – den starkaste gammastrålningen kommer från pulsarer i vår egen galax. Men nu fick vi tillgång till många fler att utforska. Pulsarer är hastigt roterande kompakta och tunga stjärnor, så kallade neutronstjärnor, omslutna av mycket starka magnetfält. Namnet pulsar kommer från de extremt regelbundna pulser av strålning som utgår från pulsarens magnetiska poler. Likt en kosmisk fyr sänder den ut signaler åt två håll i rymden, och än så länge vet vi inte hur det hela egentligen går till. Men med många objekt att studera kan vi testa olika idéer för hur en ultramassiv stjärna kan bli rymdens mest exakta klocka. Tidigare kände vi bara till sju gammastrålande pulsarer, men med Fermi har vi upptäckt ytterligare ett fyrtiotal. Och då har det dykt upp pulsarer som bara sänder ut gammastrålar, medan de pulsarer vi hittills känt till alltid sänder ut radiovågor samtidigt. Fermiteleskopet fick även syn på sju så kallade millisekundpulsarer, som roterar mellan 100 och 1 000 gånger i sekunden. Dessa ännu mer udda pulsarer har sitt tillhåll oftast i närheten av en helt vanlig stjärna. Pulsaren drar åt sig stjärnans yttre lager, och den tillströmmande materien får pulsaren att snurra allt snabbare. Ett års datainsamling har även berikat vår katalog över aktiva galaxer – sju hundra känner vi numera till. Inuti en aktiv galax dväljs ett massivt svart hål som kan vara upp till flera miljarder gånger tyngre än vår sol. Det går mycket stormigt till nära det svarta hålet, och många partiklar får extra skjuts och börjar sända ut kraftfulla gammastrålar. Att den aktiva galaxens intensitet kan ändras mycket hastigt är en av flera egenskaper som fortfarande är gåtfulla för oss. Pulsarer och aktiva galaxer är punktliknande källor till gammastrålning som kan identifieras relativt lätt på himlen, eftersom de oftast samtidigt sänder ut radio- eller röntgenvågor. Däremot har ingen ännu kunnat identifiera källorna till de häftiga gammautbrotten. Under några sekunder skickar de ut lika mycket energi som solen kommer att alstra under hela sin 10 miljarder år långa livstid! Fermi har lyckats fånga nio signaler som i sin styrka överträffar allt som har uppmätts förut. Nu är det teoretikernas sak att förklara deras ursprung. Till sin hjälp har de 250 andra gammautbrott som synts i Fermis apparatur. Kanske skickas signalerna ut av en jättelik supernova, en explosion av en särskild sorts tung stjärna. Kanske alstras de när två ultratunga neutronstjärnor smälter samman. Förmodligen kan det vara både och, motsvarande olika typer av gammautbrott. Inte all gammastrålning sänds dock ut av punktformiga källor. Det finns även mer utspritt bakgrundsljus. Detta ljus verkar dels följa Vintergatan och uppkommer troligen när laddade kosmiska partiklar, främst protoner, krockar med gasen i vår galax. Dels kommer det ett mycket svagare gammasken från alla håll i rymden, som verkar så jämnt utspritt att det tycks ha sitt ursprung utanför Vintergatan. Måhända är det på det sättet som den okända mörka materien så småningom ger sig till känna. Mörk materia är känd sedan 1930-talet, då olika astronomiska observationer pekade på att största delen av materien i universum verkar vara osynlig. Men många tror att den finns därute och håller ihop galaxerna, som snurrar så fort att de annars skulle splittras i bitar. Den osynliga materien förser alltså galaxerna med den sammandragande tyngdkraft som krävs för att de ska hålla ihop. De allra flesta modeller av vad den gåtfulla materien kan vara för något innehåller hittills okända partiklar. Men dessa spökpartiklar är svåra att finna – de lämnar ytterst få spår, eftersom de växelverkar mycket svagt med sin omgivning. Dock kan det hända att de tyngsta klumpas ihop så att de förintar varandra. Då blir det bara gammastrålar kvar, och i så fall bör vi kunna upptäcka dem med våra instrument. Största trängseln råder i Vintergatans centrum, så det vore väl värt ett försök att leta efter den mörka materien där. Men det är också ett ganska rörigt område med många olika gammakällor. Att skilja ut möjliga tecken på mörk materia från de övriga signalerna är ännu en stor utmaning. Därför riktas våra blickar i stället mot dvärggalaxerna som rör sig runt Vintergatan. Där är det visserligen glesare mellan partiklarna, men de eftersökta signalerna är tydligare. Något överraskande var det Fermis fångst av annat än själva gammastrålarna som blev mest omtalad. Teleskopet registrerar även laddade partiklar, som elektroner och positroner, som bildas när andra partiklar krockar med rymdgasen i vår galax. Tvärtemot vad vi hade väntat oss dök det upp många fler partiklar med höga energier. Den enklaste tolkningen är att de kommer från en okänd källa, kanske en pulsar. Denna bör dessutom ligga ganska nära oss, eftersom positroner och elektroner inte når så långt innan de har tappat för mycket energi för att kunna fortsätta sin färd. En mer spekulativ tolkning är att det är den mörka materien som ligger bakom. Ryktet om att Fermiteleskopet faktiskt redan funnit spår av mörk materia spred sig blixtsnabbt över världen, men våra resultat leder inte till några entydiga slutsatser ännu. Astrofysikerna arbetar för närvarande febrilt med att hitta ett sätt att skilja mellan de olika möjliga förklaringarna och finna den rätta tolkningen. En annan fundamental fråga är hur relativitetsteorin kan förenas med kvantfysik. Kvantgravitationen anses vara den teoretiska fysikens största utmaning, som strängteorin, liksom andra moderna fysikteorier, försöker bemästra. Flera av teorierna förutsäger att den fyrdimensionella rumtiden möjligen inte är helt slät på kvantnivå, alltså på ytterst små avstånd, utan innehåller klumpar och små bubblor som får ljuset att fortplanta sig olika fort. För att testa de förmodade rymdgrynen på kvantnivå krävs att ljuspartiklarna alstras med extremt hög energi, långt bort och vid en väl bestämt tidpunkt. Gammastrålningsutbrott är perfekta för ändamålet. Nyligen lyckades vi välja ett lämpligt utbrott för att göra den känsligaste mätningen någonsin av rymdens kornighet. Den visade dock att rymden är fullkomligt jämn. Men icke-resultat är likväl värdefulla resultat i forskningen. Några av teorierna försvinner, medan andra modifieras allteftersom och vinner i styrka. _Sedan 2006 leder Jan Conrad det svenska Fermikonsortiet. Det svenska deltagandet har möjliggjorts genom stöd av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse._