Regner på det tidlige univers

Hvordan går astrofysikere frem for å finne ut av noe som skjedde for 14 milliarder år siden? Svaret ligger i statistikken.

Bilder av himmelkulen i ni frekvensområder sett av Planck-satellitten.

Himmelen sett med Planck: Bilder av hele himmelen i ni unlike bølgelengdeområder. Bildene er tatt av Planck-satellitten i de 15 første månedene den samlet inn data. Den vannrette stripen på alle bildene er vår egen Melkevei-galakse. Klikk her for større version. Bilde: ESA and the Planck Collaboration.

Nybakt doktor

Tittelen på den ferskeste doktorgradsavhandlingen ved Institutt for teoretisk astrofysikk lyder teknisk: Optimal Likelihood Techniques for Planck. Bak denne tittelen finner vi imidlertid en nybakt doktor som mer enn gjerne forklarer hva han har jobbet med de siste fire årene.

– Vi ønsker å finne ut hvor godt en gitt universmodell passer til observasjoner, forteller Eirik Gjerløw. 

Modeller av universet

Å lage en modell av hele universet høres uoverkommelig ut. For kosmologer, som forsker på universet på de aller største skalaene, er en universmodell rett og slett en samling med tall. Det er den samlingen med tall som beskriver universets egenskaper på stor skala best mulig.

Hvor mange tall som trengs for å beskrive universet, avhenger av hvor komplisert modellen er.

– For å kunne si noe om dette mer presist, bruker vi statistikk, forklarer Eirik.

For nesten 14 milliarder år siden...

La oss ta noen skritt bakover. Universet har eksistert i nærmere 14 milliarder år. Hvordan kan vi vite noe om hva som skjedde for så lenge siden?

Utvikling av universetUtviklingen av universet siden starten for 14 milliarder år siden. Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er representert med et blågrønt bilde til venstre fra satellitten WMAP (Afterglow light pattern 380 000 years). Før denne tiden var lyset fanget i en varm og tett partikkelsuppe, og kunne ikke strømme fritt. Klikk på bildet for større versjon. Kilde: Wikipedia.

En av de viktigste kildene til informasjon om det tidlige univers er det vi kaller den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Dette er den eldste strålingen vi kan observere i universet. Strålingen er i mikrobølgeområdet, og strømmer hele tiden mot oss fra alle retninger i verdensrommet.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen ble sendt ut da universet var relativt nyfødt, bare 380 000 år gammelt. Dette er den eldste strålingen som det i det hele tatt er mulig å observere. Først etter 380 000 år slapp fotonene fri fra de andre partiklene og kunne strømme fritt. Tidligere var universet så tettpakket at lyspartiklene ikke kunne bevege seg uten å kollidere med andre partikler. De slapp ikke ut!

Tar tempen på universet

Planck-satellitten i rommetPlanck-satellitten i bane rundt Jorden. Bilde: ESA – D. Ducros.

Det finnes en rekke teleskoper og satelitter som astronomer bruker til å observere bakgrunnsstrålingen. Med instrumentene måler de ørsmå variasjoner i strålingstemperaturen fra sted til sted på himmelkulen.

Instrumentene sveiper over himmelen og registrerer temperatur, og slik bygger man møysommelig opp et kart over temperaturvariasjonene på hele himmelen. Kartet som i fjor ble observert med Planck-satelitten er langt mer detaljert enn tidligere observasjoner.

Modeller og parametre

Ved å måle den kosmiske bakgrunnsstrålingen kan vi teste våre modeller om universet. Formulert enda mer presist: vi kan regne ut verdiene som ulike parametre må ha i ulike universmodeller. 

Kakediagram over innholdet i universetParametre: Hvor mye mørk energi, mørk materie og vanlig materie finnes i universet? Parametrene som angir hvor stor del av den totale energitettheten de ulike komponentene utgjør, betegnes med den greske bokstaven Omega: Ωm (mørk materie), ΩΛ (mørk energi) og Ω(vanlig materie). At 27% av universet består av mørk materie, betyr at parameteren Ωhar verdien 0.27. Summen av alle universets komponenter er lik 1 (eller 100%).

En kosmologisk parameter karakteriserer en bestemt egenskap ved universet, og inngår for eksempel i matematiske ligninger som beskriver universet på ulike måter. Parameteren kan ha ulike verdier, og astrofysikere prøver å finne den mest nøyaktige verdien som passer best med observasjonene.

Den meste kjente parameteren som brukes om universet er kanskje Hubble-parameteren, som forkortes H. Verdien av H gir et mål på hvor fort universet har utvidet seg til ulike tider i historien. Den mest nøyaktige verdien av H i dag er 67.15 km/s/Mpc (kilometer per sekund per Megaparsec). Det vil si at en galakse som er 1 Megaparsec unna, beveger seg bort fra oss med en hastighet på 67.15 km/s.

For å beskrive universet trengs ikke bare én parameter. Den mest vellykkede universmodellen så langt, den såkalte Lambda-CDM-modellen, trenger seks parametre for å fastsette universets egenskaper.

Eksempler på parametre i Lambda-CDM-modellen er andelen synlig materie i universet, andelen mørk materie, og andelen mørk energi. Disse parametrene gir oss med andre ord tall på hvor mye av hver forskjellig type materie eller energi universet består av. Det å kunne slå fast verdiene for disse parametrene er et viktig steg på veien til å forstå universet vårt.

Planck og polarisasjon: spenningen stiger

Våren 2013 frigjorde forskningsgruppen rundt Planck-satellitten dataene fra det første året med innsamling. Det vil si at disse observasjonene da ble fritt tilgjengelige for alle forskere som ønsker å studere dem. Samtidig ble en hel rekke med artikler skrevet av Planck-forskere publisert. 

Resultatene var ikke helt som forventet. De tydet på at det er ting vi fortsatt ikke forstår.

– Planck gjør kosmologi moro igjen, fortalte professor Hans Kristian Eriksen den gang.

Høsten 2014 kommer et nytt datasett til å bli offentliggjort fra Planck-gruppen, og astronomer verden over venter i spenning. Temperaturdataene fra det første året vil nå bli oppdatert med data innsamlet i hele perioden Planck-satellitten var aktiv, og ikke bare fra det første året.

I tillegg er det noe nytt denne gangen: vi kommer til å få informasjon fra Planck om polarisasjon av lyset fra bakgrunnsstrålingen. Polarisert lys fra bakgrunnsstrålingen kan muligens gi oss informasjon om universets historie enda lenger tilbake enn vi hittil har sett. 

Polarisasjon refererer til retningen de elektromagnetiske bølgene i lyset svinger i. Fra dagliglivet bruker vi denne effekten når vi for eksempel bruker polariserte solbriller, som blokkerer lys med én spesifikk retning.

Hvis vi er ekstra heldige, kan resultatene fra Planck fortelle noe om universets aller tidligste fase; inflasjonsfasen. Inflasjon er en teoretisk fase med ekstrem hurtig utvidelse som universet gjennomgikk da det bare var en brøkdel av et sekund gammelt. Bakmennene til inflasjonsteorien ble hedret med Kavliprisen for 2014. Teorien er hittil ikke bevist, men den har likevel hatt enorm betydning for astrofysikken. I dag finnes mange ulike inflasjonsteorier og tusenvis av teoretikere som jobber med dem.

I mars 2014 var det stor oppstandelse rundt et forskningsresultat fra BICEP2-eksperimentet på Sydpolen. Forskerne bak BICEP2 studerer også polarisert lys fra bakgrunnsstrålingen. De mente å ha oppdaget et særegent mønster i polarisasjonen som inflasjonen forutsier skulle være der. Hvis dette hadde blitt bekreftet, ville det altså vært det første beviset for at inflasjon faktisk har funnet sted, og det ville vært en stor sensasjon.

Dessverre viste det seg senere at BICEP2-resultatene antagelig ikke var riktige. Dette betyr ikke at inflasjon ikke har skjedd, men at BICEP2 antagelig ikke har klart å finne bevis for det.

Med denne bakgrunnen er det ikke så rart at det knytter seg ekstra stor spenning til hva Planck vil fortelle om polarisasjon.

Når det nærmer seg jul, vet vi mer om hva Planck forteller om polarisasjon av bakgrunnsstrålingen. Kanskje vet vi også mer om inflasjon.

Analyse hele veien

– Det er to hovedting som opptar forskere som analyserer bakgrunnstrålingen, forteller Eirik Gjerløw. – Det ene er å passe på at alt som ikke er bakgrunnsstråling, blir tatt hensyn til i modellen.

Eirik Gjerløw på prøveforelesningen.Eirik Gjerløw like før prøveforelesningen den 29. august 2014.

Støvet forvirrer

I tillegg til bakgrunnstrålingen fanger nemlig instrumentene opp andre signaler. I galaksen vår finnes det for eksempel mange små partikler, som astronomene kaller støv. Disse partiklene varmes opp av lys fra stjerner og sender dermed ut varmestråling som kan ligne på signalet fra bakgrunnsstrålingen. Dermed må det lages modeller av støvet og støvstrålingen for å kunne skille den fra bakgrunsstrålingen.

Det var faktisk dette støvet som mest sannsynlig var årsak til problemene for BICEP2-resultatene. Antagelig undervurderte BICEP2-forskerne mengden støv fra vår egen galakse.

I tillegg til støvet, vil det være forstyrrende støy på grunn av elektronikken i instrumentene. Dette må det også lages modeller av for å kunne få kjennskap til hvor nøyaktige målingene er.

Forskere kaller alle slike signaler som ikke er bakgrunnstråling for forgrunner. Det er signaler som ligger foran (og som regel i veien for) det signalet de er ute etter.

Rimelighet 

– Det andre som er viktig er å finne smarte måter for å regne ut den såkalte rimelighetsfunksjonen, eller likelihood-funksjonen.

En rimelighetsfunksjon forteller hvor sannsynlig en gitt kombinasjon av parametre er, gitt de observasjonene vi har. Det er med andre ord rimelighetsfunksjonen som sier hvilken universmodell som stemmer best med de observerte dataene.

– Problemet er at denne funksjonen er veldig tidkrevende å regne ut i sin grunnleggende form, forteller Eirik. 

– Dette gjelder særlig for eksperimenter som både dekker store deler av himmelen og har høy oppløsning, det vil si slik som Planck-satellitten, fortsetter han.

For å klare å regne ut en rimelighetsfunksjon for Planck må forskerne ty til tilnærmingsmetoder.

Begynnelsen og slutten

Forgrunner og rimelighet representerer begynnelsen og slutten av den lange veien man går når man analyserer den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Man starter med observasjonene og prøver å gjøre disse så fri for forgrunner som mulig. Når man så har en god tilnærming til rimelighetsfunksjonen, så har man det man trenger for å kunne beregne kosmologiske parametre.

– I doktorgradsoppgaven min har jeg jobbet med begge disse hovedpunktene, forteller Eirik. 

– Jeg har brukt lokalutviklet programvare for å finne bakgrunnsstrålingen blant alle de forvirrende forgrunnssignalene, og jeg har jobbet med å utvikle metoder for å beregne rimelighetsfunksjonen raskere og mer nøyaktig.

Eirik forteller at dette arbeidet på en måte aldri blir ferdig, fordi man alltid trenger å tenke nytt når nyere og større eksperimenter dukker opp.

Han synes det har vært spennende å være en del av Planck-prosjektet. 

– Jeg har fått tatt del i et veldig stort og internasjonalt samarbeid. Det å bli kjent med forskere fra hele verden, og å reise og besøke andre institusjoner, har vært veldig givende og fint.

– Samtidig er det noen ulemper ved å skulle samarbeide med så mange, innrømmer han. 

– Det kan ta veldig lang tid å komme frem til en avgjørelse, og når så mange land samarbeider kan det også være vanskelig å bli enige om hvem som skal gjøre hva. Men alt i alt har jeg trives godt med doktorgradsarbeidet, og jeg har fått mange erfaringer og venner som jeg håper å ta med videre i livet.

Erfaringen fra doktorgradsarbeidet tar Eirik nå med seg ut i verden utenfor universitetet.

– Jeg har nå fått jobb i konsulentselskap som blant annet holder på med dataanalyse, og jeg håper å få jobbe videre med anvendt forskning der. Jeg syns det er meningsfullt å kunne bruke de kunnskapene jeg har opparbeidet meg til å gjøre verden til et bedre sted, avslutter han.

Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 10. nov. 2014 12:50 - Sist endret 10. nov. 2014 13:35