Planck ser støv som aldri før

Planck tørker støvet av tidligere observasjoner. Astronomer verden over har ventet i spenning på disse resultatene.

Etterlengtet bilde: Polarisert støv sett med Planck. Den horisontale stripen tvers over er vår egen galakse. Bildet er laget av de norske astrofysikerne Ingunn Kathrine Wehus og Hans Kristian Eriksen. Bilde: ESA/Planck Collaboration.

Romteleskopet Planck har målt urstrålingen fra universets begynnelse og samtidig produsert et uovertruffent kart over det forstyrrende støvet som kommer fra vår egen galakse.

– Nå kan vi se hva som er signalet fra tidenes morgen og hva som kommer fra hybelkaniner, sier professor Per Lilje ved Institutt for teoretisk astrofysikk.

Etterlengtede observasjoner slippes

Planck har vært i bane i rommet siden 2009. Instrumentene ble slått av høsten 2013, samme år som det første settet med observasjoner fra satellitten ble offentliggjort.

Selv om satellitten har vært ferdig med å hente inn data i et års tid, har mesteparten av disse observasjonene vært untatt offentligheten inntil nå. Forskerne i den innerste Planck-kretsen har jobbet på spreng med å analysere de kompliserte observasjonene.

På en konferanse i Ferrara i Italia denne uken ble de fleste resultatene presentert for første gang.

Planck ser urgammel stråling

Planck har to instrumenter som gjentatte ganger har skannet hele himmelkulen. Om bord på satellitten i bane i rommet kan instrumentene måle stråling fra alle retninger i universet.

Det Planck har målt mer nøyaktig enn noe annet eksperiment tidligere, er den eldste strålingen det er mulig å observere i hele universet: den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Dette er stråling som ble sendt ut da universet bare var en liten brøkdel av dens nåværende 14 milliarder år gammelt.

Temperaturkart over bakgrunnsstrålingen 2014Nytt temperaturkart: Det nye kartet over temperaturvariasjonene i den kosmiske bakgrunnsstrålingen (CMB). Kartet fra 2013 finner du her. Kartet viser hele himmelkulen (observasjoner i alle retninger på himmelen). Bilde: ESA/Planck Collaboration.

Bakgrunnstrålingen er svært kald, omtrent -270 grader Celsius. Det er imidlertid ørsmå variasjoner i temperatur i strålingen fra sted til sted på himmelen, variasjoner så små som en ti-tusendedels grad. Disse variasjonene fra sted til sted kan settes sammen til et kart over temperaturen på hele himmelkulen.

– Når det gjelder observasjonene av temperatur, så slippes nå data fra hele Plancks levetid, sier Per Lilje, som har jobbet med Planck-prosjektet siden 1998.

I 2013 var det bare observasjoner fra det første året som ble offentliggjort. Nå er det observasjoner fra alle de fire årene satellitten var i drift.

– En annen ting som er er nytt i år, er en gjennomgående anvendelse av forbedrete analysemetoder, fortsetter Lilje.

Observasjoner fra flere år gjør også at forskerne får bedre kontroll over systematiske usikkerheter i dataene sine.

– De systematiske usikkerhetene kommer av at instrumentene om bord på satellitten faktisk er fysiske systemer og ikke fungerer fullstendig prikkfritt, forteller professor Hans Kristian Eriksen ved Institutt for teoretisk astrofysikk.

– Disse usikkerhetene kommer av interne småfeil i instrumentene, og de blir mindre jo flere observasjoner vi har å jobbe med. Derfor hjelper det at vi nå har flere år med observasjoner.

Spenning knyttet til polarisering

Lys er elektromagnetiske bølger med svingninger som kan beskrives matematisk. Når fysikere snakker om polarisering mener de retningen som disse elektromagnetiske bølgene svinger i. Lysbølgene kan svinge i alle mulige retninger, men hvis det har en foretrukket retning kaller vi lyset polarisert.

Fra dagliglivet utnytter vi denne effekten når vi bruker polariserte solbriller. Disse solbrillene kan blokkere lys som svinger i én bestemt retning, og dermed redusere det sterke gjenskinnet fra snø og vannoverflater.

PolarisasjonsbilderPolarisering: Polarisering har retning i tillegg til størrelse, og er altså en todimensjonal vektor på himmelen. Disse to kartene til sammen viser styrken og retningen til polarisering målt på himmelen. Det forstyrrende støvet fra vår egen galakse er fjernet i disse bildene. Gravitasjonsbølgesignalet som er forventet utifra de fleste inflasjonsmodeller er omtrent 10 ganger svakere enn det disse bildene viser. Et samarbeid mellom BICEPs høye følsomhet og Plancks støvmålinger kan blir en svært kraftfullt kombinasjon. Dette er arbeid som pågår nå, og resultantene forventes om noen måneder. Bilde: ESA/Planck Collaboration.

Hva Planck har å si om polarisering av bakgrunnsstrålingen har kanskje vært det mest etterlengtede for mange, spesielt sett i lys av BICEP2-diskusjonene tidligere i år.

Det bakkebaserte eksperimentet på Sydpolen BICEP2 skapte store overskrifter våren 2014 da de annonserte at de hadde funnet sikre tegn på gravitasjonsbølger i polariseringsdata for bakgrunnsstrålingen. Dette ville i så fall vært de første tegn på at universet i en periode da det bare var en brøkdel av et sekund gammelt, gjennomgikk en eksplosiv økning i størrelse. Denne voldsomme vekstperioden kalles inflasjon.

Gravitasjonsbølgesignalet som er forventet utifra de fleste inflasjonsmodeller er omtrent 10 ganger svakere enn det Planck klarer å måle, så det har ikke vært forventet at Planck skal finne et slikt signal - om det eksisterer. På den annen side, hvis signalet fra gravitasjonsbølgene er så sterkt som BICEP2 meldte, så vil Planck også kunne se det.

I løpet av en måned eller to kommer resultatene av et nytt Planck-BICEP samarbeid der vi får høre hva konklusjonene om dette blir.

Planck og BICEP: Like og ulike

Både Planck og BICEP er eksperimenter som er laget for å måle den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Planck-instrumentene observerer stråling fra hele himmelen, men med lavere følsomhet enn BICEP. BICEP har høyere følsomhet, men observerer bare i et lite område på den sørlige halvkule.

Strålingen som kommer fra universet, enten det er fra bakgrunnsstrålingen eller vår egen galakse, kommer i et spektrum av ulike frekvenser. Frekvensene som er interessante for å undersøke den kosmiske bakgrunnsstrålingen, ligger på mellom 10 og 1000 gigahertz (milliarder Hertz).

Instrumentene på Planck måler stråling på flere frekvenser (LFI-instrumentet dekker området 30–70 GHz og HFI-instrumentet dekker området 100-850 GHz), mens BICEP bare ser på én frekvens (150 GHz).

Det polariserte signalet fra både bakgrunnsstråling og støv forandrer seg i styrke med hvilken frekvens man ser på. Siden Planck observerer på flere frekvenser, har Planck-forskerne mulighet til å skille mellom hva som er polarisert signal fra støv og hva som er polarisert signal fra bakgrunnsstrålingen. Dette har BICEP alene, som kun ser på én frekvens, ikke mulighet til.

Dramatisk økning i støv

Det astronomer kaller støv, er ikke det vanlige støvet du finner i krokene hjemme. Astronomenes støv er partikler i galaksen som varmes opp av stjernelys. Når partiklene varmes opp, begynner de å vibrere og dermed sende ut en svak varmestråling.

En av de tingene instrumentene på Planck har observert bedre enn noen andre tidligere eksperimenter, er et kart over lyset som stammer fra støvet i vår egen galakse. Det er ekstremt viktig å skille dette lyset som kommer fra støv, fra det lyset som kommer fra bakgrunnsstrålingen.

Hans Kristian Eriksen (foto)Professor Hans Kristian Eriksen ved Institutt for teoretisk astrofysikk.

Varmestrålingen fra støv kan i tillegg være polarisert. Hvis man leter etter polarisert signal fra bakgrunnsstrålingen, er det særdeles viktig vite hvor mye polarisert lys som bare kommer fra støvet i vår egen galakse og dermed må fjernes før man analyserer resultatene.

Det er denne typen støv som kan ha kommet i veien for BICEP2-resultatene.

Professor Hans Kristian Eriksen ved Institutt for teoretisk astrofysikk forklarer:

– Det store spørsmålet blant kosmologer som jobber med bakgrunnsstrålingen har lenge har vært: hvor polarisert er varmestrålingen fra støvet?

Svaret fra Planck er svært overraskende. Mens anslagene tidligere har ligget på at 3-5% av den polariserte delen av strålingen som blir observert av de ulike eksperimentene skyldes støv, viser resultatene fra Planck at støvprosenten ligger mellom 10 og 20%. Dette er en dramatisk økning fra tidligere antagelser.

Roterende støv-kartNy komponent: Kart over det roterende støvet. Den horisontale stripen tvers over er vår egen galakse. Bildet er laget av de norske astrofysikerne Ingunn Kathrine Wehus og Hans Kristian Eriksen. Bilde: ESA/Planck Collaboration.

BICEP2-forskerne kan nå bruke Plancks støvmålinger til å analysere sine data på nytt. Et samarbeid mellom BICEPs høye følsomhet og Plancks støvmålinger kan blir en svært kraftfullt kombinasjon. Dette er arbeid som pågår nå, og resultantene forventes om noen måneder.

Helt ny type støvstråling: Snurrende støv

Når støvpartiklene vibrerer, produserer de varmestråling. I tillegg til å vibrere, kan de små støvpartiklene rotere rundt seg selv. Denne rotasjonen kan produsere en annen type stråling enn det vibrerende støvet, stråling fra såkalt spinning dust (roterende støv).

Ingunn WehusIngunn Kathrine Wehus. Bilde: ITA/UiO.

Det har lenge vært uklart om spinning dust i det hele tatt finnes i observasjonene av mikrobølgestrålingen fra universet.

Planck-forskerne har for første gang klart å skille strålingen som kommer fra roterende støv fra varmestrålingen som kommer fra det vibrerende støvet.

Ingunn Kathrine Wehus er ansatt ved Jet Propulsion Laboratory ved California Institute of Technology har vært sentral i dette arbeidet. Hun har doktorgrad fra Universitetet i Oslo og samarbeider fortsatt tett med den norske Planck-gruppen.

– Det roterende støvet lyser mer intenst på andre frekvenser enn varmestrålingen, forteller Wehus.

– Det er viktig å skille ut denne typen støv for å vite hvilke komponenter observasjonene våre består av.

Er universet likt i alle retninger?

Frode Hansen er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk og har jobbet mye med spørsmålet om universet ser likt ut i alle retninger. Hvis det er likt i alle retninger kalles det isotropt.

– Nesten alle teorier om universet er bygget på antagelsen om at universet er isotropt, forteller Hansen. – Viser det seg at dette ikke stemmer, så vil det være tegn på ny og ukjent fysikk.

I de forrige Planck-observasjonene fra 2013, og allerede i resultatene fra det tidligere WMAP-prosjektet, var det tydelige tegn på noe som kan være avvik fra isotropi.

De nye Planck-dataene for temperatur bekrefter det førsteårsdataene og WMAP viste: at det er sterkere variasjoner (med ca 6%) i temperatur på en halvkule av himmelen enn på motsatt halvkule.

Dette er vist med en rekke metoder, flere av dem foreslått av Planck-gruppen i Oslo.

Hva dette betyr for kosmologi er ennå ikke forstått. Polariseringsdataene er foreløpig ikke gode nok til å si noe om dette.

Stråling som er i veien

Strålingen fra universets tidlige barndom gjemmer seg bak mye annen stråling som ligner, men som kommer fra andre ting, for eksempel fra vårt kosmiske nabolag. Det er mye stråling fra vår egen galakse som må skilles ut for å komme inn til det interessante bakgrunnsstrålingssignalet.

Alt dette som ligger foran bakgrunnsstråliesignalet, er det vi kaller forgrunner, forteller Hans Kristian Eriksen.

Forgrunner må fjernes før analysen begynner. Ellers får man gale resultater fordi stråling fra andre kilder enn Big Bang har kommet med og blitt feiltolket. Eriksen forteller at det finnes mange ulike typer forgrunner.

  • Synkrotronstråling fra galaksen: elektroner som spinner i magnetfelt
  • Fri-fri-stråling: Elektroner som kolliderer med hverandre og med tunge partikler
  • Varmestråling fra støv: støvpartikler som vibrerer
  • Roterende støv: Støvpartikler som snurrer rundt seg selv
  • Karbonmonoksid (CO): Karbonmonoksid er et type molekyl som finnes i store mengder mellom stjerner, og sender ut stråling på svært spesifikke frekvenser.

Helhetlig analyse: Unik Planck-gruppe i Oslo

Planck-gruppen i Oslo har jobbet intenst med å skille disse forgrunnene fra hverandre. Hans Kristian Eriksen forklarer hvorfor de har lykkes så godt i arbeidet sitt.

– Vi er en av få grupper i Planck-organisasjonen som ser på alle data samtidig. Vi ser på frekvensene som måles av begge instrumentene på Planck, vi bruker data fra det tidligere WMAP-eksperimentet og i tillegg andre observasjoner fra mindre prosjekter.

– På den tekniske siden er vi den eneste gruppa som har en kode som faktisk klarer å analysere alle disse komponentene samtidig, og som i tillegg ser på signalet fra bakgrunnsstrålingen, forgrunner og systematiske usikkerheter i én og samme analyse. De andre gruppene ser på en og en bit; vi ser på alt samtidig, forteller Eriksen.

Planck-gruppen i Oslo som har jobbet med statistiske analyser frem mot denne vinterens resultater består også av phd-stipendiatene Eirik Gjerløw og Magnus Axelsson og post doktorene Benjamin Racine, Kristin Mikkelsen, Yabebal Fantaye og Yashar Akrami.

Forskerne trenger stor regnekraft når de regner på statistiske usikkerheter med data fra Planck.

– Vi har vært avhengige av regnekraften til de nyeste maskinene våre på ITA for å gjøre analysen, forteller Eriksen.

– De nye maskinene hadde stort nok minne til å jobber med over 30 kart over himmelen samtidig. Dette har vært helt avgjørende for at vi praktisk sett skulle klare å gjennomføre analysen.

Oppsummering: Den norske Planck-gruppens bidrag

En stor del av forskningsgruppen kosmologi ved Institutt for teoretisk astrofysikk er involvert i arbeidet med Planck. Den norske Planck-gruppens hovedbidrag for det nye dataslippet i 2014 har vært:

  • Komponentseparering: Dette innebærer å skille de delene av observasjonene som kommer fra den kosmiske bakgrunnsstrålingen, fra de som kommer fra andre ting som støv i vår egen galakse. De fleste himmelkartene over ulike typer støv og andre forgrunner som slippes i år er laget av Ingunn Kathrine Wehus og Hans Kristian Eriksen.
  • Kart over bakgrunnsstråling (CMB): Gruppen har laget hovedkartene som er valgt til offisiell pressemelding i denne runden, både for temperatur og polarisering
  • Kart over temperatur på store lengdeskalaer til statistiske analyser
  • Arbeid med temperaturdata for store skalaer, spesielt med maskering, påvisning og fjerning av systematiske effekter og implementasjon av tilstrekkelig rask kode
  • Påviste og korrigerte usikkerheter både i båndpassmålinger, relativ kalibrering mellom LFI og HFI, og LFI null-punkter; spesielt det første førte til en betydelig forbedring av Plancks støv-modell på høye frekvenser
Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 3. des. 2014 09:19 - Sist endret 26. okt. 2016 15:55