Nye gravitasjonslinser oppdaget under skolebesøk ved Nordisk Optisk Teleskop

Elevene fra Horten og faglærer Jan Kåre T. Qvam deltok i arbeidet ledet av forsker Håkon Dahle ved institutt for teoretisk astrofysikk, UiO.

Skolekurset i observasjonsastronomi ved Horten videregående skole består av en forberedende del med både teori og observasjonspraksis før avreise til La Palma, så selve observasjonene ved Nordisk Optisk Teleskop (NOT) og et etterarbeid før endelig innlevering av rapport.

Kurset i 2014 består av to ulike deler: En del fokuserer på fotometri og søk etter pulseringer i kompakte stjerner som prosjektet som ble gjennomført i 2013, med observasjoner tatt 20.- 22. oktober. Den andre delen tar for seg gravitasjonslinser med observasjoner utført 22.-23. oktober.

Skyer forhindret den første delen med søk etter pulseringer i hvite dvergstjerner, bortsett fra de siste timene natt til 22. oktober. I denne knappe tiden fikk elevene likevel gjennomført en måleserie for den pulserende stjernen PG 2303+243 og også for stjernen SDSS J031310.65+413120.1 - en stjerne som ikke tidligere er undersøkt for pulseringer.

Dagen etter ble været betydelig bedre og hoveddelen av observasjonene ble dermed av gravitasjonslinser den 23. oktober. 

Gravitasjon bøyer lys

Konsentrasjon av masse som befinner seg på siktelinjen mellom en observatør og en kilde i bakgrunnen kan gi opphav til en optisk effekt som kalles gravitasjonslinsing. Effekten kan gi enten et forsterket bilde eller en oppsplitting i flere bilder. Dette er en følge av at lysstrålene bøyes i sterke gravitasjonsfelt. Galakser og galaksehoper er typiske eksempler på objekter med sterke nok gravitasjonsfelt til å gi en gravitasjonslinseeffekt.

Gravitasjonslinseeffekten er et effektivt verktøy innen kosmologien. Den norske astronomen Sjur Refsdal var sentral i utvikling av gravitasjonslinseteorien på 1960 tallet. Første observasjon av en gravitasjonslise ble gjort senere, i 1979.

Søk etter gravitasjonslinser med data fra Planck

Med utgangspunkt i data fra satellitten Planck tok gruppen bilder av områder med stor sannsynlighet for å finne gravitasjonslinser .

Den såkalte Sunyaev-Zeldovich (SZ) - effekten sammen med Planck-observasjoner er et unikt verktøy i søk etter gravitasjonslinser. SZ-effekten oppstår når fotoner fra den kosmiske bakgrunnsstrålingen vekselvirker med energirike partikler som omgir galaksehoper. I denne prosessen tilføres fotonene energi, noe som kan registreres med instrumentene på Planck. 

Med kjennskap til observert rødforskyvning til kilden for stråling samt avstand til galaksehopen har man ut i fra gravitasjonslinsebildene nok informasjon til å kunne beregne den totale massen til galaksehopen som bøyer lyset. Massen i en galaksehop domineres av såkalt mørk materie.

Observasjoner av denne typen har pågått over flere år og målet er å finne ut om antallet gravitasjonslinser stemmer med det antallet som kan forutsies fra den kosmologiske standardmodellen.

De siste resultatene fra Planck forteller at fordelingen av universets bestanddeler er som følger: 4.9% vanlig materie, 26.8% mørk materie og 68.3% «mørk energi». Mørk materie er materie som ikke kan sees direkte. Mørk materie-partiklene har ikke elektrisk ladning og det antas at de vekselvirker kun via svak kjernekraft med andre partikler. Mørk energi derimot, virker som en frastøtende tyngdekraft og er årsak til den akselererende utvidelse av universet. 

Under observasjonene natt til 23. oktober observerte gruppen fra Horten 12 aktuelle områder på himmelen, og de fant to gravitasjonslinser. Selv om ikke observasjonsforholdene var optimale kan linsene lett identifiseres på bildene.

Kosmologi sentralt i flere fagplaner i den videregående skole

Elevgruppen som deltok har valgt faget teknologi og forskningslære 2 (TOF2). I dette kurset undervises det i den vitenskapelige metode med spesielt fokus på målinger og feilkilder. Kurset har et årsprosjekt der elevene skal sette seg inn i en vitenskapelig undersøkelse.

Skolen tilbyr ulike prosjekter der astronomi inngår som ett av valgene. Astronomi og spesielt fotometri passer meget godt inn under måleteknikk og behandling av data.

Det som gjør kosmologi spesielt interessant i skolesammenheng er at i tillegg til å være et prosjekt som passer innenfor TO2, er det også i tverrfaglig sammenheng et sentralt emne i læreplanen.

I faget fysikk 1 innføres kosmologi i eget kompetansemål, og i det påfølgende kurset fysikk 2 er kosmologien sentral under temaet relativitetsteori.

Samlet kan det sies at nettopp dette astrofysiske emnet alene griper inn i flere realfag i ulike trinn i den videregående skole. Når det gjelder praktisk arbeid i faget er det derimot ikke så vanlig å kunne gjøre målinger innen kosmologi da ordinær undervisning i slike emner som oftest blir i form av beskrivende teori. Det er derfor spesielt gledelig at elevgruppen under besøket ved NOT selv kunne gjøre målinger av gravitasjonslinser.

Håkon Dahle er imponert over skoleelevenes innsats.

– Elevene var motiverte, våkne og interesserte, selv klokken fem på natten, forteller han.

Elevgruppen avslutter i disse dager et etterarbeid om gravitasjonslinser. I tillegg fortsetter de et arbeid med analyse av fotometriske måleseriene av de to hvite dvergstjernene fra 22. oktober. Disse resultatene skal med i en TOF2 sluttrapport ved årsskiftet.