Premiär för kosmisk långfilm

Jag är på resande fot i Israel, men det spelar ingen roll. Jag börjar ändå varje morgon som vanligt. Framför datorn skannar jag igenom de bilder som vårt robotteleskop i Kalifornien just har tagit på jakt efter en ny supernova. Avlägsna explosioner som signalerar slutet på en stjärnas liv. En ny ljusprick på en av bilderna visar att jag funnit ännu en. De senaste åren har jag på samma sätt hittat flera tusen supernovaexplosioner – ingen annan har funnit fler. Men snart blir det nya tider då ett jätteteleskop står redo att ta över stafettpinnen som världens bästa supernovamaskin.

Det har hamrats och snickrats i tio år i den chilenska Atacamaöknen. Med en spegel på 8,4 meter i diameter kommer det färdigställda Vera Rubin Observatory vara ett av de största teleskopen i världen. De första bilderna förväntas komma i år, 2023. Men det är inte den stora spegeln eller den väl valda observatorieplatsen på 2 800 meters höjd som får världens astronomer att tappa hakan – det är kameran. Tre miljarder pixlar gör den till världens största kamera – den väger nästan tre ton. Då den varje minut under tio års tid ska fotografera en stor del av stjärnhimlen kommer datamängderna räknas i hundratals petabytes (1 petabyte = 10¹⁵ bytes). Varje bild täcker ungefär 10 kvadratgrader, en extrem vidvinkel för ett sådant stort teleskop.

Som supernovaforskare har jag jobbat med vad man kan kalla Vera Rubins föregångare, Zwicky Transient Facility (ZTF), robotteleskopet på Mount Palomar i Kalifornien som under de senaste fyra åren samlat på sig tusentals supernovor, massor av nyupptäckta asteroider och variabla stjärnor (se F&F 8/2015). Vi har kämpat med att plöja igenom miljoner kandidater varje natt för att sortera ut de riktiga supernovorna, och jag blir fortfarande lika entusiastisk varje gång jag hittar en stjärnexplosion som sticker ut lite extra. Ett leende på läpparna när man upp­täcker något ingen tidigare sett. Men vi har hela tiden vetat att vårt lilla teleskop kommer att få konkurrens av en jätte. Nu är den alltså här.

Legacy Survey of Space and Time (LSST) kallas den genommönstring av stjärnhimlen som Vera Rubin-teleskopet med hjälp av sin gigapixelkamera ska göra under kommande decennium. Både rum och tid alltså. Vi astronomer kommer kunna lägga ihop alla bilder till en mycket djup bild av hela det från Chile observerbara universum. Att en bild av rymden är djup betyder att den kan visa ljussvaga objekt som ligger långt bort. Under den tioåriga insamlingsperioden kommer vi dessutom kunna hålla koll på himlafenomen som varierar i tid, transienter som kort flammar upp och falnar igen. Det rör sig om supernovaexplosioner, men även variabla stjärnor och allt annat som kan tänkas dyka upp. I praktiken blir det som en film över universum.

Att tråla igenom stjärnhimlen på det här sättet har en lång historia. Jag tänker på William Herschel och hans syster Caroline som i 1700-talets England själva byggde världens då största teleskop och sedan under årtionden genommönstrade natt­himlen. Systematiskt, tålmodigt, heltäckande. Familjen Herschel var närmast ensamma om att hitta alla nya nebulosor, varav många senare visade sig vara avlägsna galaxer. William var en tysk musiker som i ung ålder tvingades fly undan krig och sedan på egen hand lärde sig om astronomi och hur han kunde bygga teleskop. Kanske var det just hans brist på skolning som gjorde att han inte likt dåtidens alla andra astronomer ägnade sig åt planeterna, utan öppnade fönstret mot stjärnornas värld.

Efterföljande genommönstringar, som Palomar­projektet under 1950-talet och vårt nuvarande ZTF, försöker också överblicka hela stjärnhimlen, och mycket av de spännande upptäckterna kan sedan följas upp med större teleskop. Teleskopen på berget Palomar i Kalifornien designades just på det sättet. De mindre teleskopen skulle genomsöka himlen och hitta intressanta objekt, som de stora jättarna som Hale-teleskopet sedan kunde detaljstudera. Med ZTF använder vi alltså fortfarande dessa 50-talsteleskop med samma strategi, men numera görs det i real­tid för att hitta nya transienter varje natt. När en särskilt spännande supernova hittas sätter vi ofta igång en uppföljningskampanj även med de stora Keck-teleskopen på Hawaii, med det Nordiska optiska teleskopet (NOT) på La Palma eller ibland med rymdteleskopet Hubble.

Vera Rubin ersätter de gamla teleskopen med spjutspetsteknik. Planen är att ta en serie korta exponeringar, typ 15 sekunder långa. Traditionella teleskop använder betydligt längre exponeringstider för att få djupa bilder av avlägsna och ljussvaga objekt. Men LSST gör alltså annorlunda. De korta exponeringarna gör att man hinner med hela himlen varje vecka. På så sätt kan man även hålla ögonen på nya fenomen, transienter, som inte fanns med på föregående bild. Djupa bilder blir det ändå, när man sedan lägger ihop alla korta exponeringar som görs varje vecka under de tio år som studien ska pågå.

I Sverige är vi ett dussin astronomer vid Stockholms universitet som är involverade i detta huvudsakligen amerikanska projekt. Professor Hiranya Peiris leder gruppen som intresserar sig för den storskaliga strukturen i universum, små dvärggalaxer och så supernovor så klart. För att få vara med i projektet har vi bland annat lovat att klassificera ett hundratal supernovor som Vera Rubin hittar med hjälp av NOT. Men det kommer vara en futtig bråkdel av de tiotusentals supernovor som teleskopet upptäcker som vi kan studera på det sättet. Det är faktiskt lite av ett problem med ett så stort teleskop som sökmaskin – de allra flesta objekt man hittar kommer helt enkelt vara för ljussvaga för andra teleskop att detalj­studera.

Det är inte bara den imponerande tekniken och den spännande astronomin som gör LSST-projektet på Vera Rubin annorlunda. För oss astronomer blir detta även lite av ett vetenskapssociologiskt para­digmskifte. Länge var astronomerna vana att mer anarkistiskt kunna besöka sina jätteteleskop och göra vilka projekt de ville. Forskarlagen kunde vara små och projekten ganska flexibla. Med LSST blir det ordning och reda. Tusentals astronomer är redan med i projektet, och var, när och hur teleskopet ska observera ska bestämmas på förhand för hela studien tio år framåt. Inga astronomer kommer resa till teleskopet för att rikta det mot sina egna favoritobjekt. Astronomerna närmar sig härmed partikelfysikerna och deras gigantiska acceleratorer när det gäller organisationen.

Även arbetssättet måste bli annorlunda. Med ZTF har jag i mångt och mycket hittat mina supernovor genom att själv kika på bilderna. Det blir inte längre praktiskt genomförbart med den tsunami av data som kommer överskölja astronomerna från LSST. Datorkraft, artificiell intelligens (AI), maskininlärning kommer att behövas i ännu högre grad för att söka igenom datamängderna. Astronomernas jobb blir att träna datorerna att söka fram de mest intressanta objekten. AI-algoritmerna kan redan känna igen en katt på internetbilder, men kan de också plocka ut en stjärna som slits sönder av ett svart hål, en supernova som krockar med omgivande gas eller lista okända asteroider i sol­systemets ytterkanter? Medan astronomer som använder exempelvis rymdteleskopet Hubble först måste ansöka om tid för att observera något specifikt vetenskapligt intressant fenomen blir LSST-astronomernas uppgift en annan. Data kommer redan strömma in av allt som tänkas kan, så utmaningen blir i stället att tygla dataströmmen och att veta vad som är mest spännande att göra med bilderna.

Det finns naturligtvis både för- och nackdelar med ett gigantiskt projekt som LSST, som måste engagera en stor del av vetenskapssamhället. Huvudmålen är kosmologi, det vill säga att mäta universums innehåll av mörk materia och mörk energi, men även att specialstudera vårt eget solsystem, speciellt efter små ljussvaga asteroider eller småplaneter. Astronomer som jag själv tycker det är mest spännande med transienter. Som alltid är det mest spännande det man inte riktigt vet att man kommer att finna i en sådan här grandios studie. William Herschels lyckliga stjärna var planeten Uranus, som han år 1781 av en slump upptäckte vid en tidig genommönstring av himlavalvet. Ingen hade ens tänkt tanken att det kunde finnas fler planeter i vårt solsystem än de som varit kända sedan urminnes tider. Förhoppningen är naturligtvis att fler oväntade upptäckter står att finna bland LSST:s alla bilder och petabytes.

Herschels universum handlade främst om stjärnorna i vår egen Vintergata. LSST vid Vera Rubin-observatoriet tar oss i stället med långt ut i universum och långt bak i tiden. Precis som William Herschels egenbyggda stjärnkikare en gång kunde nå stjärnor många tusen gånger ljussvagare än vad antikens astronomer kunde se med blotta ögat, kommer nu LSST nå många tusen gånger djupare än Herschels teleskop. Nya djup garanterar nästan alltid nya upptäckter.

Men ett givet projekt kan inte vara optimerat för alla dessa olika mål. I stället försöker astronomerna med LSST hitta en bästa kompromiss. Häri ligger risken att det inte blir särskilt bra för något av forskarnas mål. Just nu oroar sig supernovakosmologerna i Stockholm för att bilderna av alla de tiotusentals supernovor som kommer att hittas inte fullt ut lämpar sig för deras forskning. Det handlar om timing. En given supernova ökar och minskar i ljusstyrka under några få veckor. Om man observerar denna ljuskurva tre eller fyra gånger under den perioden i tre filter kan den användas för att göra de avståndsbestämningar som behövs för att undersöka universums expansionstakt. Men får man i stället bara ett filter under den ljusnande fasen, och spridda skurar av observationer i de övriga filtren under falnandet blir det inte möjligt. Men vad som vore optimalt för supernovaforskarna kanske i stället sinkar de forskare som studerar planeter utanför vårt eget solsystem. Och vad ska man göra om något helt nytt dyker upp på stjärnhimlen, eller nya forskningsfält etableras under tioårsperioden? Samtidigt oroar sig många över att kostnaderna för LSST-projektet blir så enorma att många mindre observatorier kan komma att läggas ner. LSST beräknas kosta många miljarder kronor och just nu ligger vår finansiering för både ZTF och NOT pyrt till. Men den typen av orosmoln kommer kanske alltid finnas för projekt som tänker riktigt stort.

Alla astronomer tänker dock inte så. Just nu befinner jag mig vid Kibbutz Neot Semadar i allra sydligaste Israel. Här bygger en liten grupp astronomer vid Weizmann-institutet ett pyttelitet observatorium i skuggan av det jätteteleskop som den här artikeln beskriver. Här jobbar man alltså helt tvärtom. Många små amatörastronomteleskop länkas samman till ett teleskop som ska vara bra på en enda sak, riktigt snabba genomsökningar av himlen. Billigt, flexibelt, småskaligt. Inte bilder en gång per natt utan var tjugonde minut. I natt provar vi utrusningen på en ny supernova jag hittade med ZTF häromveckan, och som visar en spännande periodicitet. Skruvmejslarna åker fram för att få alla teleskop att jobba tillsammans som de ska. I ett litet projekt kan man snabbt ställa om och undersöka nya fenomen som dyker upp. Jag tänker att den uppfinningsrika ådran hos astronomerna kanske ändå inte kuvas helt av jätteprojekten. Lite som hos William Herschel.