kosmologi99.html
© J Westman 1999, 2005

Ökande expansion.
  Universum utvidgar sig och gör det i ökande takt, och upptäckten att det förhåller sig så utropades till Årets upptäckt 1998. 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. Men vi ska börja betraktelsen från hur det började i vetenskapen.

jw 09.01.1999. Uppdat. 28.11.2005

Förskjutningar.
    "Rödförskjutningen" av ljuset från fjärran galaxer uppstår på samma sätt som frekvensförskjutningen från en ambulans som kör förbi oss på gatan – ni vet hiihaahiiha huuhäähuuhää...
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 med musik - 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 ärbara 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 - väger.

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 2,5 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. Hubbles kollega Milton Lasalle Humason kartlade 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 3800 km/s.

Vad betydde nu detta?

Ett expanderande Universum.

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. 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. Einstein sa senare att "Kosmologiska konstanten var mitt största misstag"

Om Universum utvidgas så har det nångång 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.

Standardljus.

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. 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 40-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.

Utanför grannskapet.

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 de senaste årtiondena 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 Vintergata. 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.~

Och en särskild typ av supernovor - den kallas Ia 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 hundra miljarder stjärnor.

Supernovornas budskap.

De senaste åren har flera grupper bildats för att jaga supernovor med specialinstrument. Data från över tretti stycken supernovor – några med rödförskjutningshastigheter över 60-tusen 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...femton miljarder år. Äntligen, kan man höra astronomerna samfällt sucka – 70 års möda, det var på tiden.

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?

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 också 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.


Läs mera om Universums utveckling i När ljuset var ungt   och Det osynliga i Universum
om kosmologins dagsläge sommaren år 2003  Sju kosmiska konstanter.
och om tidigare uppfattningar i På tal om ingenting.

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