CMB

Observasjoner fra Planck-satellitten analyseres med revolusjonerende ny metode for å gi ny kunnskap om universets natur.

Trygve Leithe Svalheim, doktorgradsstipendiat, Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO

Hva er universet? Hvor kommer det fra? Er det uendelig? Hvilken form har det? Disse er noen av de aller mest grunnleggende spørsmålene hver og en av oss ønsker svar på. Og til tross for 13 år med fullført skolegang er de aller færreste tilfredsstilte med svarene de har fått, og jeg var en av dem. Men astrofysikere vet mer enn skolepensum later til, og vi sprenger stadig grenser, med norske forskere i frontlinjen.

Tilbake i tid

For å finne svarene på disse spørsmålene ønsker vi å vite mest mulig om universets «formative år», som i dette tilfellet er de første få sekundene etter det ble til. Heldigvis kan vi astrofysikere se tilbake i tid, takket være fysikkens ultimate fartsgrense: lyshastigheten. Fordi ingenting kan bevege seg raskere enn med lysets hastighet vet vi at når vi ser på en stjerne ett lysår unna, ser vi den slik den var for ett år siden. Det tilsvarende gjelder for en galakse 1 million lysår unna. Og om vi ser mellom alle galaksene, forbi alt vi kan se på himmelen, kan vi til og med skimte det aller første lyset fra universets opprinnelse.

Dette lyset kalles den kosmiske bakgrunnsstrålingen (på engelsk cosmic microwave background radiation, CMB), fordi det danner nattehimmelens bakteppe. Da den første satellittobservasjonen ble gjort i 1990, ble oppdagelsen omtalt av Stephen Hawking som «Den viktigste oppdagelsen dette århundre, om ikke noensinne», på grunn av rikdommen av informasjon om universet kodet i signalet.

Bakgrunnsstrålingen er det tidligste lyssignalet vi kan se ifra vårt observerbare univers. Det observerbare univers er området vi kan se fordi lyset derfra teoretisk sett skal ha rukket frem til oss siden universets begynnelse. Denne effekten kan ses i Figur 1, hvor vi befinner oss i midten, og den røde sirkelen nesten helt ytterst er den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Ser man nøye etter på illustrasjonen i Figur 1 er det et sort mellomrom mellom CMB-laget og den ytre kanten av universet (som representerer tidens begynnelse).

På dette tidspunktet var universet fylt av en så tett tåke av partikler at lys ikke kunne reise fritt og ta med seg informasjon fra ett sted til et annet. Det betyr at vi i prinsippet har «mistet» bildene fra de aller tidligste sekundene av universets liv, og vi kan derfor ikke direkte observere hva som foregikk da.
Denne perioden sluttet 380 000 år senere, da tåken hadde kjølt seg ned nok til at lys kunne reise fritt. Dette lyset er den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Det betyr at om vi ønsker å vite noe om de 380 000 første årene av livet til universet, må vi danne oss matematiske modeller av hvordan universet fungerer, og bruke den kosmiske bakgrunnsstrålingen som et startpunkt å jobbe oss bakover fra.

Kosmiske kjepper i hjula

For å si nøyaktig hvor gammelt universet er, og hvilke byggesteiner det består av, er vi avhengig av ekstremt nøyaktige målinger av bakgrunnsstrålingen. Derfor sendte den euro­peiske romfartsorganisasjonen (ESA) opp Planck-satellitten i 2009 som observerte himmelen i alle retninger frem til 2013.

Siden den gang har forskere over hele verden jobbet iherdig med å analysere dataene, som på ingen måte er en lett oppgave. Det er en lang liste med utfordringer som må håndteres for å måle det svake signalet fra bakgrunnsstrålingen nøyaktig nok.

Siden CMB-signalet har en temperatur på 2,7255 kelvin (eller –270,4 °C), ble instrumentet om bord i Planck-satellitten kjølt ned til 0,1 kelvin for å registrere temperaturforskjellene med tilstrekkelig nøyaktighet. Dette gjorde den til det kaldeste objektet i hele universet! I tillegg blir Planck bombardert med partikler og uønsket stråling fra alle kanter som forstyrrer målingene. I hver del av observasjonen og signaltransporten finnes det en rekke usikkerheter som må gjøres rede for før vi kan gjøre vitenskapelige oppdagelser. Dette betyr at når vi mottar dataen nede på Jorda må vi prosessere dem i mange forskjellige steg.

Først må vi ta høyde for små endringer i temperaturen til instrumentet, modellere støyen og korrigere for eventuelle feil med satellitten så godt det lar seg gjøre. Men selv når alt dette er korrigert for ser bildet helt forskjellig ut fra det vi ønsker i Figur 2, men i stedet fullstendig dominert av forstyrrende lys fra andre kilder som vist i Figur 3.

• 

• 

Disse «forgrunnene» er ti ganger sterkere enn bakgrunnsstrålingen i Figur 2, og å fjerne dem fullstendig er avgjørende for å trekke konklusjoner om universets egenskaper. Den store pepsilogo-liknende effekten skyldes at galaksen vår beveger seg gjennom verdensrommet og vi ser en dopplereffekt i bakgrunnsstrålingen, noe som gjør at den ser varmere ut i den ene retningen og kaldere ut i den andre. De diffuse skyene langs midten av bildet er stråling fra blant annet støv i Melkeveien, galaksen vår.

For å fjerne disse må vi vite hvordan vår egen galakse er bygget opp, og hvilke effekter som bidrar til det forstyrrende lyset. Denne jobben er forskerne ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo eksperter på, og de var en av de ledende gruppene under Planck-analysen og arbeidet i etterkant.

Hva vi har lært

Så hva har vi lært av Planck og CMB-observasjonene? Vi vet for eksempel at standardmodellen for big bang stemmer, og at universet består av omtrent 5 % vanlig materie, cirka 25 % mørk materie, og 70 % mørk energi. Selv om vi ikke vet nøyaktig hva de to siste er, vet vi at mørk materie drar ting mot seg med gravitasjonskraften, men er usynlig for de andre naturkreftene, og at mørk energi er drivkraften bak universets akselererende ekspansjon.

På grunn av bakgrunnsstrålingen vet vi også at universet er cirka 13,8 milliarder år gammelt, og at det er «flatt», som betyr at om vi reiser i en rett linje gjennom verdensrommet vil vi ikke ende opp der vi startet, slik vi gjør på Jorda. I tillegg har observasjonene bidratt til å utelukke fundamentale teorier i kosmologien (studien av universet i sin helhet), slik som den gamle teorien om at universet har eksistert i en «statisk» tilstand i uendelig tid.

Utvider kunnskapen om universet

Så hva er det neste? I årene som kommer er det planlagt en mengde nye eksperimenter som skal søke etter signaturer av gravitasjonsbølger i CMB-signalet. Disse gravitasjonsbølgene skal ha blitt produsert på grunn av voldsomme strekkinger av rommet under den dramatiske inflasjonsfasen helt i starten av universets levetid, da universet ble 100 000 000 000 000 000 000 000 000 ganger større (eller fra halvparten av bredden på et DNA-molekyl til 10,6 lysår) i løpet av 0,00000000000000000000000000000001 sekunder. Denne jakten vil potensielt oppta astrofysikere de neste 20 årene eller mer, og oppdagelsen vil nesten helt sikkert resultere i en nobelpris, da den vil bekrefte inflasjonsteorien. Bekreftelser eller avkreftelser på slike teorier er spesielt interessante fordi de begrenser hvilke kosmologiske teorier som tillates angående universets eksistens, for eksempel har inflasjonsteorien viktige implikasjoner på multivers-teorier.

Problemet med å oppdage disse gravitasjonsbølgene oppstår når vi merker oss at signalet vi leter etter er minst hundre ganger svakere enn de «vanlige» fluktuasjonene i CMB-signalet, noe som gjør at forstyrrende instrumentelle og galaktiske effekter må kontrolleres med ekstrem presisjon. Det er her BeyondPlanck-prosjektet kommer inn i bildet.

Dette forskningsprosjektet fra 2018, ledet av norske forskere, har de to siste årene jobbet med samarbeidspartnere fra hele Europa med en «global» analyse av den eksisterende Planck-dataen. Historisk har hvert steg av analysen blitt gjort individuelt av forskjellige grupper, som inkluderer blant annet kalibrering av instrumentet, støykorreksjoner og forgrunnsfjerning, til tross for at hvert punkt er sterkt sammenkoblet. Dette har ført til at små feil tidlig i prosessen har spredd seg videre til de kosmologiske resultatene og usikkerheten i hvert analyse­steg har vært vanskelig å beregne.

Målet til BeyondPlanck-prosjektet har vært å programmere et komplett analyseverktøy, ved navn Commander, som tar rå satellittdata og prosesserer det med superdatamaskiner, helt frem til kosmologiske resultater. Det nye i BeyondPlanck er at alle prosesseringssteg er koblet sammen og resultatene blir matet inn maskineriet igjen automatisk, som resulterer i en fullstendig løkke hvor resultatene fra én gjennomkjøring påvirker den neste. På denne måten kutter man ut «mellommannen», noe som gjør det lettere å gjennomføre hundrevis av gjennomkjøringer. Siden hvert prosesseringssteg er litt forskjellig i hver gjennomkjøring (avhengig av resultatene fra forrige gjennomkjøring), gir denne metoden et unikt innblikk i hvilken grad de påvirker hverandre. Dette gir oss innblikk i usikkerheten til resultatene, som er spesielt verdifullt i vitenskap.

Resultatene ble for første gang presentert for offentligheten i desember 2020, da BeyondPlanck-samarbeidet beviste for forskermiljøet at en global analyse av satellittdata er mulig og potensielt fremtidens metode i fagfeltet.

Prosjektet bestod av forskere fra Italia, Hellas, Finland, USA og Tyskland, med bidragsytere fra institusjoner som NASAs Jet Propulsion Laboratory, Max Planck Institute og Princeton, men hvor 18 astrofysikere ved Institutt for teoretisk astrofysikk i Oslo utgjorde flertallet.

Alle bildene i denne artikkelen, bortsett fra Figur 1, er fra BeyondPlanck-prosjektet, og er bevis på at Norge setter betraktelig spor i miljøet, bidrar til å gjøre viktige oppdagelser, og dermed hjelper med å løse universets aller største mysterier.

---

Artikkelen ble opprinnelig publisert i Astronomi 2021/1.

Hovedbilde: ESA and the Planck Collaboration – D. Ducros