galax99.html
© J Westman 1999, 2005


   De största i Universum.
   De största strukturerade bildningarna i Universum är Vintergatorna. Det stjärnsystem, den Vintergata där vårt solsystem ingår, omfattar över tvåhundra miljarder stjärnor, och därtill gas och stoft ur vilka nya stjärnor föds. En väsentlig del av nittonhundratalets astronomi handlar om hur astronomerna fann att Universum är så att säja befolkat av Vintergator. Samtidigt upptäckte de att världsalltet är dynamiskt och genomgår en utveckling, liksom allt som ingår i det.

JW 28.08.99, 09.01.99 och 04.09 1999, uppdat 28.11.2005

Astronomin som vetenskap är helt beronde av instrument och observationsmetoder. Alltsedan Galileo Galilei riktade sina första teleskop mot himlen på senhösten 1609 har vare framsteg inom instrumenttekniken följts av upptäckter som ofta har varit oväntade. Universum har hållit väl inne med sina hemligheter. Först på 1700-talet fick man ett begrepp om stjärnornas verkliga avstånd, och på 1830-talet lyckades astronomerna mäta avståndet till några näraliggande stjärnor - och det avstånden var kring 100 000 gånger större än solsystemets dimensioner.

En världs-ö av stjärnor.
   Men hur är världsalltet konstruerat? Att Vintergatan var följande steg i tingens ordning var klart för mer än hundra år sedan. Galileo Galilei upptäckte vintern 1609-1610 att Vintergatan var ett stråk av avlägsna stjärnor och på sjutton och adertonhundratalet skapade sig astronomerna med diverse stjärn-räkningar en bild av systemets struktur.

Såhär kan vi läsa i en drygt etthundraårig lärobok i astronomi :

"Solsystemet är en del utav ett system av högre ordning, vilket såsom ett helt är av linsformig skapnad. Vi själva befinna oss nära mitten av detta med solsystem fyllda rum. När vi blicka mot dess kanter bilda de bakom varandra ställda stjärnorna en sammanhängande lysande remsa som i en krets omgiver oss och som vi benämna Vintergatan."

Men det finns annat än stjärnor på himlen. Det är inte svårt att en natt då månen inte lyser spana in en suddig ljusfjäck i stjärnbilden Andromeda, och redan i en liten kikare visar det sig att mittstjärnan i Orions svärd inte är punktformad utan en utbredd fläck. Resenärer till södra halvklotet kunde se två rätt stora sånahär fläckar, de rapporterades första gången av Ferdinand Magellans expedition 1518 till 1521, och kallas efter det Stora och Lilla Magellanska Molnen.

Efterhand som teleskopen blev bättre upptäcktes flera såna här fläckar, av många olika form. Gemensamt kallades de nebulosor efter ett ord på latin som betyder moln eller dimma. Det var ett samlingsnamn för saker man inte klart kunde se vad de var. I endel, som i Magellanska Molnen, såg man stjärnor, i andra inte. Endel där man inte såg några stjärnor med 1800-talets teleskop, visade sig ha en klar spiral-struktur och då det anstronomiska fotograferandet kom ur barnskorna - vid sekelskiftet 1900 ungefär - upptäcktes till någon förvåning att även Andromedanebulosan, där man inte såg stjärnor, hade en spiralstruktur utanför de ljusstarka centrala delarna som man ser med blotta ögat. Vad det sedan kunde betyda.

Men först måste Vintergatans uppbyggnad redas ut.

En större Vintergata.
   Bilden av Vintergatan som ett platt system - ungefär som en diskus - var en bra gissning. Men de dimensioner - 10 000 eller 20 000 ljusår eller så som systemets diameter, som man kom till var på tok för små. Det som stjärn-räknarna ända in på vårt århundrade inte tog hänsyn till var att mängderna gas och stoft mellan stjärnorna i vår Vintergata ganska effektivt släcker ut ljuset i Vintergatans huvudplan, medan sikten är rätt klar i riktningarna från huvudplanet. En grupp av nebulosorna kallas idag klotformiga stjärnhopar - i vårt sekels början blev teleskopen så bra att man kunde se att det inte alls var rymd-dimmor utan anhopningar av hundratusentals stjärnor. Egendomligt nog var de flesta av dem belägna på ett ganska begränsat område av himlen, i stjärnbilderna Skorpionen och Skytten.

Början av 1900-talet gav astronomerna en måttsticka för att mäta avstånd bland stjärnorna - en dam som hette Henrietta Leawitt fann genom statistisk undersökning av stjärnor i Magellanska Molnen, att en viss grupp pulsernade stjärnor - de kallas kefeider - kan användas som avståndsmätare - deras ljusstyrka och längden på perioden är proportionella. När Harlow Shapley upptäckte kefeider i de klotformiga stjärnhoparna och mätte deras ljusstyrka och period-längder, så kunde han 1918 konstatera att de klotformiga stjärnhoparna bildade ett system i rymden - en svärm med mittpunkten sådär 30 000 ljusår från jorden och en utsträckning på sådär 100 000 ljusår. Och då insåg Shapley att det handlade om en yttre del av Vintergatan och att stjärn-räknarna heltenkelt bara hade kartlagt en liten del av den. De här siffrorna har justerats en smula sen seklets första årtionden, men så här stor är Vintergatan, 100 000 ljusår i diameter. Den beräknas innehålla nånting mellan 100 miljarder och 200 miljarder stjärnor. Solsystemet och Jorden har detroniserats till halvvägs ut från Vintergatssystemets centrum. Magellanska Molnen är satellit-Vintergator, och inte fullt en Vintergatsdiameter utanför huvudsystemet.

Och det var den största strukturen i världsalltet man kände till. Fanns det flera?

Världsöar utanför Vintergatan?
   För hundra år sedan (1899-1900) var det ganska klart att de Magellanska Molnen var små Vintergator nära intill men utanför vår egen, men sedan rasade under årtionden en debatt om huruvida Vintergatan var det största som fanns i Universum eller om endel nebulosor kunde vara andra världs-öar i full skala som vår Vintergata.

"Men nebulosorna där stjärnor inte synas, måste man icke anse dem vara andra stjärnsystems Vintergator? Äro en del av dessa nebulosor grupper av oändligt avlägsna stjärnevärldar, eller bestå de av en dunstformig materia, likartad med kometernas, och ur vars förtätningar småningom nya världskroppar bilda sig?"

Nu ska vi notera att det först i slutet av 1800-talet blev möjligt att överhuvudtaget observera de såkallade spiral-nebulosorna, ljusfläckar som hade spiralstruktur, och några enskilda stjärnor i dem kunde man inte se. Man hade ju sina misstankar vid sekelskiftet.

"Det är en gammal fråga huruvida några astronomiska bildningar finnas, som är belägna utanför vårt stjärnsystem. Man har troligen att se dylika med Vintergatan analoga bildningar i den talrika klass av himlakroppar som benämns "spiralnebulosornas" familj. Dessa är tydligen av ett helt annat slag än de egentliga nebulosorna, ty de har spektrum av samma slag som vanliga stjärnor."

Ett töcken av stjärn-ljus alltså. Nittonhundratalets astronomer har med sina mångfalt bättre teleskop kunnat besvarat den här adertonhundratalsfrågan med ett "både och" - en del av nebulosorna, som den som bildar en del av Orions svärd, är faktiskt gas- och stoftmoln i vår Vintergata som får sitt ljus av stjärnor i molnen, och med rymdteleskopet Hubble har man faktiskt spårat stjärnor i tillblivelse i Orion-nebulosan. En del är stjärnhopar i vår Vintergata eller området runt den. Andra är verkliga världs-öar.

Fram till 1918 kunde man endast med nöd och näppe urskilja uppflammande stjärnor - novor - i en del av spiralnebulosorna. Novornas ljusstyrkor gav vid handen att de låg på stora avstånd - uanför Vintergatssystemet. Men debatten om det kunde vara fråga om verkliga världsöar gick het ännnu in på tjugotalet.

1918 togs det första stor-spegelteleskopet i bruk. Spegeldiametern var 2,54 meter - 100 tum - och efter sponsoren kallas instrumentet Hooker-teleskopet, det ställdes upp på en då ödslig bergstopp i Kalifornien, Mount Wilson. Nåja, idag (1999) är 2,54 meter ett ganska litet teleskop – speglarna i rymdteleskopet Hubble, och i vårt Nordiska Optiska Teleskop NOT på Kanarieöarna har den diametern. Idag är världens störta teleskop 10-meters Keck-spegeltelskopet på Hawaii och det första av fyra 8-meters teleskop för europeiska astronomer har just (1999) blivit färdigt på en bergstopp i Chile.

Men då, 1918, var Hooker-teleskopet på Mount Wilson en jätte, ett nytt fönster mot Universum.

Galaxernas ocean.
   Tjugotalets läsare fick sig nyheter från världalltet till livs:

"Om novorna, de "nya" stjärnorna, i Andromeda-nebulosan verkligen har samma ljusstyrka som de i Vintergatan , då är Andromeda-nebulosan tydligen belägen på ett avstånd av minst en miljon och högst två miljoner ljusår. Ett stöd för denna hypotes har nyligen erhållits genom upptäckten med instrumentet på Mount Wilson, att pulserande stjärnor, kefeider, också har upptäckts i Andromeda-nebulosan. Tiden för kefeidernas ljusväxlingar ger vid handen att avståndet dit måste vara nära en miljon ljusår.
    Såväl "novor" som "kefeider" har iakttagits också i andra spiralnebulosor, och det har då framgått, att dessa måste vara ännu längre bort belägna bildningar."

Nåja, studier av himmeln med Hookerteleskopet på Mount Wilson visade ganska snart att det också fanns andra slag än spiralformade av de här stjärnanhopningarna som efter det grekiska namnet på Vintergatan, Mjölkvägen, började kallas "galaxer". Det visade sig också att de flesta galaxerna var mycket mindre än Vintergatan, och bara ett fåtal var lika stora eller större.

När man lärde sig mera om galaxernas värld och om hur stjärnor egentligen fungerar - det var under och efter andra världskriget - så kom man till att den avstånddskala som var uppgjord med kefeid-stjärnor som måttstock var för kort, och 1952 fördubblades alla avstånd utanför Vintergatan. Det var just efter att det nya teleskopet med 5 meters spegel hade tagits ibruk på Mount Palomar. Så det instrumentets genomslag blev inte så stort som man hade hoppats.

Under de senaste åren har vi haft en liten justering igen efter att avstånd till kefeider har kunnat direktmätas med den anstronomiska mät-satelliten Hipparcos. Nu (1999) anses det att avståndet till den stora galaxen i Andromeda är 2,75 miljoner ljusår.

Strukturer i galaxvärlden.
   Galaxerna förekommer i flockar och hopar. Här hemmavid har vi vår egen Vintergata, den ungefär dubbelt större Andromedagalaxen och en svärm smågalaxer på ett par tiotal. Eftersom Vintergatan skymmer en stor del av himlen har en del av medlemmarna i den lokala hopen först upptäckts efterhand.

Längre borta finns stora hopar med hundratals och tusentals medlemmar. Ett område i stjärnbilden Norra Kronan som för blotta ögat och också med mindre teleskop verkar helt tomt på stjärnor visar sig med större instrument vara så fullt av galaxer att det kallas "Galaxhavet". En mycket stor hop finns i stjärnbilden Jungfrun. Och avståndslodningar visar också att hoparna verkar vara ordnade, i skikt, med hundra till tvåhundra miljoner ljusår tomrum emellan - lite som såpbubbel-väggar. De här strukturerna av galaxhopar är de största nukända strukturerna i Universum.

Under tjugotalet fastnade uppmärksamheten vid att de galaxer som föreföll ligga utanför den lokala svärmen föreföll strömma bort från oss. År 1927 hette det såhär:

"De spektralanalytiska undersökningarna har visat, att spiralnebulosorna har mycket stora hastigheter. Deras medelhastighet i världsrymden uppgår till ettusen tvåhundra kilometer i sekunden."

Vad det kunde betyda visste inte astronomerna då. Efterhand som flera galaxers hastighet mättes upp så steg dessutom dethär medelvärdet. Amerikanen Edwin Hubble gjorde galax-observationer med Hooker-teleskopet på Mount Wilson, som ledde till att han år 1929 kunde publicera den sensationella upptäckten att galaxernas flykthastighet bort från oss ökar i jämn takt med avståndet - det vill säja att Universum utvidgar sig. Och med det hade en viktig mätning av det allra största som finns - Universum självt - för första gången gjorts - och vad DET förde med sig är värt en egen historia.

Nittonhundratalets Universum.
   Under 1900-talet var astronomernas stora strävan att komma tillrätta med hur Universum är uppbyggt och när det uppstod. För hundra år sedan anade man att det kunde finnas andra Vintergator utanför vår egen. Albert Einsteins grundteori om världsalltets byggnad – den allmänna relativitetsteorin - förutsatte att Universum utvidgas . Expansionen upptäcktes på nittonhundratjugotalet. sedan dess har uppfattningen om Universum fortsättningsvis utvecklas vidare, med nya observationer och nya teorier. Albert Einstein la år 1905 fram sin speciella relativitetsteori, år 1915 publicerade Einstein en utvidgad version, den allmänna relativitetsteorin, den som bland annat behandlar gravitationen som en följdföreteelse av att rymden kröker sig intill stora massor, och som betraktar Universum som en helhet där materien är i stort jämnt fördelad.

Men Einstein upptäckte någonting mycket störande: hans världsalltsmodell förutsatte att Universum antingen höll på att kollapsa eller att det höll på att svälla. Men efter vad man visste så var ju världsalltet statiskt, varken krympande eller växande. Einstein stoppade in en såkallad kosmisk konstant i ekvationerna, och den höll Universum i balans. Inte vackert, men tyvärr nödvändigt, tyckte Einstein.

Ett expanderande Universum.
   Nederländaren Willem de Sitter, astronomiprofessor vid universitetet i Leiden, var en av de få som i begynnelsen förstod Albert Einsteins relativitetsteori.

Willem de Sitter insåg snart att man väl kan tänka sig att Universums krökning förändrar sig med tiden, på svenska sagt: att Universum inte är statiskt, utan att själva rymden kan tänkas utvidga sig. de Sitters resonemang övertygade också Einstein som senare säjs ha beklagat den kosmologiska konstanten som sitt livs största misstag.

Under tiden: Uppe på bergstoppen Mount Wilson i Kalifornien togs världens då största teleskop i bruk år 1918. Hooker-spegelteleskopet med en spegeldiameter på två och en halv meter, astronomen Edwin Powell Hubble började med att reda ut avståndet till spiralnebulosan i Andromeda.

Inom vår egen Vintergata med närområden togs under tiotalet en mätsticka i bruk, de såkallade kefeidstjärnorna. De är pulserande stjärnor och ju längre pulseringen är, desto ljusstarkare är också stjärnan. Studier av kefeider gav astronomerna den första riktiga uppfattningen om hur stor Vintergatan egentligen är.

Men först två-ock-en-halv-meters teleskopet på Mount Wilson kunde samla in tillräckligt med ljus för att kefeider skulle upptäckas i Andromeda-spiralen. Edwin Hubble publicerade 1924 och fick fram ett avstånd på 800 000 ljusår. Han gick vidare med avståndsmätningar till andra Vintergator - de kallades vid det laget galaxer. När kefeiderna inte räckte till tog Hubble till de ljusstarkaste stjärnorna överhuvudtaget, när inte heller de räckte till fick han ta till statistik på galaxernas hela ljusstyrkor. Under sin livstid hann Hubble studera 40 000 galaxer.

Nu kan man mäta hur en ljuskälla rör sig mot oss eller från oss därför att en hastighet i synlinjens riktning förändrar en enskild våglängd i ljuskällan : rör den sig emot oss blir den kortare och rör den sig ifrån oss blir den längre. I stjärnljus förekommer de såkallade spektrallinjerna som är signaturen för de olika grundämnena som glöder i stjärnljuset. De har alla sin bestämda våglängd - och är den våglängden förskjuten från sin normala plats så är det ett direkt mått på hastighet. Edwin Hubble fann, att galaxer utanför det lokala grannskap som Vintergatan och Andromedanebulosan utgör, har sina grundämnes-signaturer förskjutna mot rött - de avlägsnar sig. Ju större avstånd desto större rödförskjutning av spektrallinjerna. Hubble publicerade den upptäckten år 1929 och: Einstein-de Sittermodellerna verkade vara riktiga.

Avståndsskalan rättas.
   Ett "men" dök upp. Ur Hubbles beräkningar av galaxavstånd och expansionshastigheter var det kring 1930 inte så svårt att räkna ut när materian i Universum bör ha varit sammanpressad, belgaren Georges Lemaitre tänkte sig att Universum hade uppstått då en "ur-atom", eller "ett kosmiskt ägg" briserade. De värden som Hubble då kom fram till gav explosionstidpunkten två miljarder år. Vid den här tiden hade fysiker och geologer kommit på hur man mäter grundämnesåldrar genom att mäta i vilken takt de radioaktiva ämnena sönderfaller och producerar dotterämnen. Och de kom till att grundämnena på Jorden måste ha blivit till för fyra till fem miljarder år sedan. Nån måste ha fel nu!

En annan svårighet: när Andromeda-galaxen studerades lite mera så fann de att dess klotformiga stjärnhopar, öppna stjärnhopar och andra typiska bildningar var mindre än de i vår Vintergata. Och det föreföll ju konstigt.

Lösningen på gåtan kom under andra världskriget då staden Los Angeles var mörklagd och observationsförhållandena på Mount Wilson var exceptionellt goda. Tyskfödde astronomen Walther Baade tog sig före att granska stjärnorna i Andromeda och fann att de faktiskt är av två typer, och det är kefeiderna också. När Vintergatans dimensioner bestämdes användes den ljus-svagare typen och då blev måttstocken på tok för kort för Andromeda där de kefeider som Hubble med medarbetare hade observerat hörde till den ljusstarkare spiralarms-typen.

År 1952 kom Baade ut med sina nya resultat: alla avstånd i Universum utanför vår egen galax måste fördubblas - å andra sidan betydde det att universums expansion var långsammare än man hade trott och Universums ålder blev hög nog för geologernas grundämnesåldrar.

"Ständig skapelse" eller "Stor smäll"?
   Ryskfödde fysikern George Gamow försökte under förtitalet gå vidare från Lemaitres "ur-atom". I begynnelsen bör endast atomkärnans del-partiklar ha uppstått. Gamow trodde att alla grundämnen skulle ha syntetiserats under begynnelseögonblickens stora täthet och hetta.

Den här tiden fanns ännu skillnaden mellan det exanderande Universums ålder och grundämnesåldern. Tre brittiska astronomer kom i slutet av förtitalet med en teori som kringgick den här tidsparadoxen. Av de tre är Fred - sedermera Sir Fred - Hoyle den mest kända. Istället för en engångstillblivelse förutsatte den här teorin om det oförändrade tillståndet, att ny materia i form av väteatomer oavbrutet strömmar till medan Universums utvidgning leder till att gammal materia i galaxerna så småningom halkar ut över det observerbaras kanter. Men hur uppstår då grundämnena som är tyngre än väte? Hoyle med flera fann att det sker inuti de enskilda stjärnorna.

I stjärnor, som är betydligt tyngre än solen kommer under stjärnans utveckling en mängd grundämnen att uppstå redan medan stjärnan ännu utvecklas, och de övriga kommer till då stjärnan till slut exploderar. Hela härligheten sprids ut i rymden för att utgöra råvara för nya stjärnor.

Teorin är elegant och förklarar samtidigt det att stjärnorna bildar olika generationer med olika halter av tyngre grundämnen, som Walther Baade just hade konstaterat.

I och med det hade förespråkarna för det oförändrade tillståndets Universum viftat undan behovet av någon ur-explosion överhuvudtaget. Fred Hoyle kallade lite raljerande urexplosionen för "Big Bang", "den Stora Smällen". Dess anhängare tog öknamnet på allvar och gör det än.

Bakgrundsstrålningen.
   Så fanns det då två skolor och hur skulle nu en sådan här tvist avgöras? Ja Baades nya avståndsskala röjde ju undan det värsta hindret för den stora smällen år 1952, så nu var teorierna likvärda.

George Gamow förutsåg en kritisk observation: OM den Stora Smällen hade ägt rum så borde man kunna observera efterglöden av den. När atomkärnornas masspartiklar uppstod ur ursprunglig energisoppa, så blev Universum genomskinligt så att den heta energistrålning som fanns kvar blev fri. Då Universum utvidgades fick strålningen sin våglängd förlängd - det vill säja, den svalnade, idag bör dess temperatur ligga bara några grader över absoluta nollpunkten.

År 1965 kom en rapport att två radioingenjörer vid kommunikationsföretaget Bells antennförsöksstation i Holmdel, New Jersey, hade registrerat en strålning med strålningstemperatur lite under tre grader från absoluta nollpunkten.

Tre-kelvins-strålningen kommer från alla delar av himlen med samma intensitet - nåja, nästan samma, för på åttitalet lyckades man med en satellit som var instrumenterad för ändamålet mäta den skillnad som beror på att vår Vintergata är i rörelse i förhållande till universum i stort.

De båda ingenjörerna, Arno Penzias och Robert Wilson, fick senare Nobelpriset för sin upptäckarbragd.

Det har varit mycket svårt för anhängarna av det oföränderliga Universum att komma med en alternativförklaring till tre-kelvins-bakgrundsstrålningen.

Avståndsskalan längre ut.
    Avståndsskalorna till galaxerna utanför "den lokala gruppen" förblev osäkra.Från och med sextitalet uppstod två skolor, den ena skolan hade en dubbelt så stor avståndsskala som den andra.

Redan på 1920-talet propagerade rymdfartsentusiasterna för ett teleskop i rymden ovanför jordens skymmande atmosfär. När rymdåldern kom, så kom också instrument som observerade inom våglängdsområden som inte kan ses från jordytan överhuvudtaget. Det riktiga rymdteleskopet - Hubble Space Telescope fick som huvuduppgift att bringa ordning och reda i avståndsskalorna, nu skulle kefeiderna observeras långa vägar ut bland galaxhoparna. HST har - lämpligt nog - en huvudspegel med samma dimensioner som den på Mount Wilson som Edwin Hubble genomförde sitt livsverk med, 2,54 meter i diameter.

I år, 1999, har slutrapporten kommit: Hubble-utvidgningen av Universum är sådan att Hubble-åldern blir kring 14 miljarder år.

Hubble-åldern är den ålder på Universum man får när man räknar bakåt från de värden på expansionen som råder idag. Ja, de astronomerna: med "idag" så avser de de senaste hundra miljonerna år eller så långt tillbaka de ser med HST. En Hubble-ålder på 14 miljarder år är en 140 gånger längre tidsrymd - och saker och ting kan ha förändrats. Det är lite snudd på bekymmer här.

. Efterhand som kunnandet om det som sker inne i atomernas värld har ökat så ökar också kunskapen om det som kan ske i stjärnorna. Man kan uppskatta stjärnors ålder - och de klotformiga stjärnhoparna i Vintergatan har åldrar som är lika höga eller högre än Universums Hubble-ålder.

Astronomerna försöker treva sig fram med en ny måttstock - såkallade supernova-explosioner. En typ av stora stjärnexplosioner - supernovor, antas ha en standard-ljusstyrka därför att det alltid är en given massa som exploderar. De syns långt, så långt man överhuvudtaget kan observera galaxer i synligt ljus med dagens instrument.

Resultatet av supernova-explosionerna som standardljus är överraskande. Supernovorna längst ute visar sig vara skenbart ljussvagare än den linjära rödförskjutningskurvan ger vid handen - de har hunnit längre ut och det betyder att Universums utvidgning har tilltagit under tidernas lopp - inte avtagit genom gravitationens broomsande inverkan som man hittills har antagit.

Nu kan vi dra oss till minnes vad Sir Arthur Conan Doyle låter Sherlock Holmes säja: "När allt det omöjliga har skalats bort måste det osannolika som blir kvara vara sanningen."
   Teoretikerna skalar bort förklaring efter förklaring och vad blir kvar? Jo, Albert Einsteins kosmiska konstant! Kanske var den trots allt inte något misstag.
   Och nu en översikt om hur astronomerna kom därhän.

Ökande expansion.
   Universum utvidgar sig i ökande takt, och upptäckten att det förhåller sig så utropades till den största vetenskapliga upptäckten år 1998. Hur mäter man avståndet till avlägsna vintergator.

Det ska handla om fenomenet "rödförskjutning" - det är måttet på att Universum utvidgas. Och det ska handla om begreppet "standard-ljus". Det är med sådana astronomerna bestämmer avståndet till fjärran galaxer - när de sen mäter rödförskjutnignen i ljuset från dem också, så får de ett mått på i vilken takt utvidgningen sker - och - ett mått på när allting började.

Rödförskjutning.
   "Rödförskjutningen" av ljuset från fjärran galaxer har ofta förklarats uppstå på samma sätt som frekvensförskjutningen från en ambulans som kör förbi oss på gatan – ni vet hiihaahiiha huuhäähuuhää...Det var även så galaxernas flykt till en början tolkades.

År 1842 förklarade österrikaren Christian Johann Doppler ett då aktuellt fenomen: varför förefaller ljudet från en tågvissla högre i tonläge när tåget kommer emot oss än när det far ifrån oss. Doppler förklarade: det är ljudvågorna som förkortas - eller takten i vilken vågtopparna når oss - frekvensen -stiger, när tåget närmar sig och frekvensen sjunker, ljudvågorna förlängs när tåget far ifrån oss.

År 1844 fick Doppler bevisa det - han samlade några trumpetister på en järnvägsvagn, befallde dem att blåsa en given ton och ställde upp observatörer med absolut gehör vid banvallen. Trumpetisterna spelade tonen E, på banvallen hördes Fiss, som sen sjönk till D, precis som teorin förutsatte – tågets hastighet var lite över hundra kilometer i timmen, en tiondel av ljudets hastighet eller så.
   Doppler antog att även ljuset borde visa en motsvarande förskjutning – men att se en järnvägslykta ändra färg kunde man inte hoppas på. Ljusets hastighet är aningen under 300 000 kilometer i sekunden, och tåget 30 meter i sekunden är endast en tiomiljonde-del av det.

   År 1848 påpekade fransmannen Armand Hippolyte Fizeau att man i fråga om ljus borde använda motsvarigheten till trumpetarnas eller tågvisslans fasta ton.
    Fasta ljus-frekvenser, det kände fysikerna till sedan år 1814 Den tyske optikern Joseph von Fraunhofer upptäckte det året svarta linjer i spektrum från solen.
   Vad de var för nånting blev klart år 1859 Tyskarna Gustav Robert Kirchhoff och Robert Wilhelm Bunsen upptäckte att grundämnena avger spektrallinjer: alla grundämen har egen signatur, linjernas våglängd kan slås fast i laboratoriet.
   Det är linjerna som förskjuts - stjärnornas färg som sådan beror på andra faktorer.
   År 1868 visade britten William Huggins att stjärnan Sirius avlägsnar sig med 40 km/s fast den är alldeles vit - till skillnad från Barnards stjärna som är liten och röd men närmar sig oss med 108 kilometer i sekunden.

OM Doppler-Fizeau-effekten verkligen handlade om hastighet alltså. Det bevisades av svensken Nils Chistoffer Duner, som åren 1887 till 1889 studerade spektrum från solen. Sen 1600-talet då Galileo Galilei upptäckte fläckar på solytan , så har man vetat att solen roterar, och rotationshastigheten vid sol- ekvatorn är ungefär 2 kilometer i sekunden. Duner fann alldeles riktigt en violettförskjutning från den kant som rör sig mot oss och rödföskjutning från kanten från oss. I våra dagar kan man mäta så små hastigheter som 5 meter i sekunden i ljuset från stjärnor - det räcker till för att spåra planeter runt dem. Rymdfarkoster mäts med millimeter i sekunden-noggrannhet och det räcker till för att ta reda på vad småplaneter - asteroider - och tillockmed fluffiga kometkärnor väger.

Galaxhastigheter.
   År 1912 genomförde amerikanen Vesto Melvin Slipher bedriften att få spektrum från Andromeda-nebulosan - numera säjer vi Andromeda-galaxen. Andromeda rör sig mot oss med 200 km/s. Till 1917 lyckades Slipher mäta upp hastigheterna för 15 nebulosor. Bara 2 rörde sig mot oss, 13 rörde sig bort från oss och medelhastigheten var hög 640 km/s. Det tydde på att det var något speciellt med dehär nebulosorna – kanske var de stjärnsystem, galaxer, utanför Vintergatan? Man visste ju inte avstånden till dem. Så debatten gick het under hela 20-talet.

Nu ska vi observera att astronomerna först 1917 kunde se enskilda stjärnor i den stora nebulosan i Andromeda, då började man inse att det var en ö av stjärnor, en galax. Det året togs 2,54 m teleskopet på Mt Wilson i bruk. En av astronomerna där, Edwin Powell Hubble försökte bestämma avstånden till galaxerna, och jag ska återkomma till hur han bar sig åt.
   Hans kollega Milton Lasalle Humason kartla hur de rörde sig- och det blev rödförskjutningar överlag, som tydde på allt större och större hastigheter. År 1928 nådde Humason en förskjutning som motsvarade 3 800 km/s. Galaxerna flydde från oss.
   Vad betydde nu detta?

Tänkaren Albert Einstein publicerade 1915 sin allmänna relativitetsteori om tiden, rummet och gravitationen. Både han själv och andra tillämpade genast fält-teori-ekvationer för att skapa en modell av världsalltet, den första versionen publicerade Einstein 1916. På den tiden antog alla att Universum var nånting statiskt och oföränderligt. Einsteins fältekvationer visade att ett universum som innehåller materia antingen måste utvidga sig eller kollapsa. För att få det att stämma la Einstein till en såkallad "kosmisk konstant".

Året efter, 1917 fann holländaren Willem de Sitter en dellösning, Universum kan även minska i densitet, om mängden rymd mellan partiklarna skulle tillta. Allt sen dess talar vi om Einstein-deSitter-modeller, än i dag.

Andra tänkare fortsatte, allt väldigt trevligt och ytterst teoretiskt. År 1929 kom vändpunkten: Edwin Hubble sammanställde rödförskjutnings- och avståndsobservationerna, observationer av ett kosmos där alla galaxerna utanför den lokala gruppen ( Vintergatan, Andromedanebulosan och ett trettital smågalaxer) förefaller fly från oss: de uppvisar rödförskjutning som växer med avståndet.

   Strikt taget flyr inte galaxerna nånstans. Det som sker är att själva Rymden - detdär som vi har för att inte alltihop ska sitta på varann - utvidgas. Det sker i så stor skala att tyngdkraften mellan galaxerna ännu kan hålla ihop dem i grupper och hopar, det är hoparna som driver isär. Rymdens expansion töjer också ut ljuset så att grundänenas spektrallinjer förskjuts mot längre våglängder - rödförskjutning. Einstein sa senare att "Kosmologiska konstanten var mitt största misstag"

Om Universum utvidgas så har materien nångång trängts samman i en rymd som har varit mycket mindre än nu - utvidgning betyder också utveckling.

Sedan 1929 har frågan varit: Hur snabbt sker Universums utvidgning? Hubbles första resultat gav Universum en möjlig ålder på högst ett par miljarder år - stick i stäv med de minst fem miljarder år geologer och radioaktivitetsforskare kom till. Nu vet vi att Hubbles galaxavstånd var för korta och utvidgningsgshastigheten omkring tiofalt för hög jämfört med bästa resultatet idag. Det har att göra med hur man bestämmer galaxers avstånd utan att begagna rödförskjutningen - för det är ju hur stor den är man vill mäta.

Standard-ljus.
   Med triangelmätning kan astronomerna mäta avstånden till de närmaste stjärnorna men bara till kanske en hundradel av Vintergatans diameter. Hur bestämmer man då avstånd i Universum utanför det område som man kan nå med triangelmätning? Jo, med standard-ljus. Om man vet en ljuskällas absoluta ljusstyrka och mäter upp den skenbara ljusstyrkan, så får man avståndet. Ljuset från avlägsna stjärnor försvagas ju geometriskt - omvänt kvadraten på avståndet, och därtill genom att materia mellan ljuskällan och oss absorberar en del, som man måste ta hänsyn till.

Det finns en grupp stjärnor som ändrar ljusstyrka periodiskt, de kallas kefeider efter typ-stjärnan Delta i stjärnbilden Cefeus. Det är först i vår tid man har fått fram metoder att mäta avstånden till de allra närmaste cefeiderna direkt, men man kunde alltid ta till statistiska metoder. I början av nittonhundratalet mätte amerikanen Henrietta Swan Leavitt ljusstyrkor och pulseringstider för kefeider i Stora Magellanska molnet, som är en satellit-galax till vår Vintergata - enligt teorin att dom alla är på ungefär samma avstånd från oss. Miss Leavitt upptäckte att ju ljusstarkare en kefeid är, desto längre pulseringstid har den.

År 1912 kunde astronomerna publicera den första sammanställningen av ljusstyrkor, pulseringstider och avstånd för kefeiderna, och Hubble hade dem som standardljus på tjugotalet.

Kefeider är nog ljusstarka stjärnor men avstånden i galaxernas rymd är så pass stora att det första jätteteleskopet - det med 2,5 meters spegel på Mt Wilson i Kalifornien måste till för att upptäcka kefeider i de närmaste galaxerna.

Femmetersteleskopet på Mt Palomar blev färdigt i slutet av 1940-talet men samtidigt måste Universums avståndsskala fördubblas. Kefeidskalan korrigerades på nytt för ett par år sedan. Även för Hubble Space Telescope - som arbetar i rymdens perfekta observationsförhållanden, ser man inte kefeider längre borta än ungefär 80 miljoner ljusår ut.

Astronomerna har sitt eget språkbruk. 80 miljoner ljusår är vad astronomerna kallar näraliggande. Inom det avståndet märks ännu gravitationskrafterna mellan våra lokala stora galaxhopar – som den i stjärnbilden Jungfrun på ungefär 65 miljoner ljusårs avstånd. Så för att få ett mått på Universums ostörda utvidgning måste man få avståndsmätningar ännu längre ut.

Astronomerna har använt många olika metoder - de allra ljusstarkaste stjärnorna i galaxerna, galaxernas ljusstyrkor i hoparna, ett samband mellan endel galaxers rotation och ljusstyrka - men - resultaten har en femtedels osäkerhet. Och tills för några år sedan fanns det två vitt skillda mått på Universums utvidgning.

Under årtiondena kring sekelskiftet visar sig observationer av exploderande stjärnor – supernovor - ge ett nytt standard-ljus som verkligen syns långt. Stjärnor som plötsligt poffar till och ökar sin ljusstyrka tusenfalt eller så för en kort tid kallas novor. De är rätt vanliga och intressanta bara för sig.

När den mesta substansen i en tung stjärna exploderar så lyser den en kort tid lika ljust som en hel stor Vintergata med 100...200 miljarder stjärnor. De ljusfenomenen kallar vi supernovor.

Så långt man kan se galaxer så kan man alltså också se supernovor. I var och en enskild galax exploderar supernovor ytterst sällan - en per etthundra eller ett par hundra år. En supernova i Andromedanebulosan på 1880-talet gav den första vinken om att den inte alls är ett litet gasmoln bland våra stjärnor, utan är en Vintergata utanför vår egen.

Sen dess har ingen supernova setts i Andromeda och bara en i Stora Magellanska Molnet – supernovan 1987 A. Det finns emellertid miljarder galaxer inom teleskopens synvidd, och kommer man bara på metoder att hålla ögonen på tillräckligt många av dem med kraftiga teleskop, så upptäcks tiotals supernovor per år. Dagens teknik gör det dessutom möjligt att automatisera övervakningen av galaxerna och supernovorna upptäcks redan förrän de hinner uppnå ljusmaximum.

Den särskilda typ av supernovor - den kallas I a och är den ljusstarkaste av dem alla - de stjärnorna har alla samma massa när de exploderar och därför också samma ljusstyrka, de lyser lika klart som en medelstor Vintergata – en sådan som vår med ett par hundra miljarder stjärnor.

Under åren just före sekelskiftet bildades flera grupper för att jaga supernovor med specialinstrument. De första data, från över tretti stycken supernovor, några med rödförskjutningshastigheter över 60 000 kilometer i sekunden - ger ett gott resultat för hur Universum utvidgar sig utanför de närmaste storskaliga galaxhoparna.
   Universums möjliga ålder stämmer också överens med de åldrar på stjärnor som astrofysikerna får fram. Nånting kring 14...15 miljarder år.
   Äntligen, kan man höra astronomerna samfällt sucka – 70 års möda, det var på tiden. Men det finns alltid de som vill kasta smolk i glädjebägaren: tänk om supernovornas egenskaper har gått och ändrat sig med tiden, att det inte alls är fråga om standardljus. Frågan är legitim men kan inte besvaras år 2000.

Med de nya standardljusen kan man ta ett steg vidare och ställa frågan: vad ska hända med Universum i framtiden? Kommer utvidgningen att sluta eller fortsätta i evighet?
   En av grupperna, som leddes av astronomen Saul Perlmutter publicerande data från över tretti supernovor som hade observerats i avlägsna galaxer, det var i oktober i fjol 1998. De supernovor som ligger längst ut förefaller att ge ett entydigt svar: Universum kommer att fortsätta att utvidga sig - allt snabbare och snabbare. Detta anges som årets upptäckt 1998.
   Det förefaller därmed som om Einstein trots allt inte gjorde något misstag: för att förklara att Universum utvidgas allt snabbare och snabbare så behövs något som skuffar på själva rymden. Den kosmiska konstanten återuppstår.

Efter: Sedan det här manusen ursprungligen skrevs – i januari till september 1999 - har upptäckten att Universum efterhand utvidgas snabbare även bekräftats. Upptäkten av en kosmisk avstötande kraft ger också en oväntad lösning på problemet om Universums massa. Om det kan Ni läsa mera via linkarna nedan.


   Läs mer om Universums utvidgning i Ökande expansion
om den mörka massan i Det osynliga i Universum.
och om Universums utveckling i   När ljuset var ungt.   och   Sju kosmiska konstanter

Skicka kommentarer till juhani.westman@welho.com
Tillbaka till första astro-sidan.
Tillbaka till paradsidan.