- Hva er et lysår?
- Hvordan fungerer tyngdekraften?
- Hva betyr Kelvin?
- Hvordan bestemmes avstander i verdensrommet?
- Hvis man ved rødforskyvningen til en fjern galakse, kan man da beregne avstanden til den?
- Hvorfor heter det masse og ikke vekt?
- Hvor mye veier et foton, dersom det kan sies å ha masse? Hvor mye veier eventuelt alle fotoner i hele universet (medregnet alle fotoner, fra det første øyeblikk av tid) dersom det lar seg regne ut? Kan denne mulige masse være den store ukjente mørke materien i universet?
Hva er et lysår?
Ett lysår er altså avstanden lyset beveger seg gjennom vakuum i løpet av ett år. Hastigheten lyset forplanter seg med er 300 000 kilometer i sekundet. Da klarer du kanskje å regne det ut? Svaret er omtrent ti billioner (10 000 000 000 000) kilometer!
Hvordan fungerer tyngdekraften?
Tyngdekraften er en tiltrekkende kraft. Den er også kulesymmetrisk, noe som betyr at hvis vi går rundt på Jordas overflate føler vi den samme tyngdekraften, siden vi da er like langt fra Jordas sentrum. Dette er også grunnen til at planetene og de største månene og asteroidene er runde. Tyngdekraften mellom f.eks. to planeter avhenger av hvor tunge planetene er og hvor langt fra hverandre de er. Skal man være presis sier man at "gravitasjonen mellom to massive legemer er proporsjonal med legemenes masser og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem". Spør matte- og/eller naturfaglæreren deres om hva det betyr!
Hva betyr Kelvin?
Kelvin er et mål på temperatur, akkurat som grader celsius. Når temperaturen er 0 grader celsius er det så kaldt at vann fryser til is. 0 grader kelvin er den laveste temperaturen som er mulig, nemlig minus 273.15 grader celsius. Det finnes derfor ikke minusgrader når man bruker kelvin, og lufttemperaturen på en fin sommerdag er omtrent 300 kelvin. Selv om folk flest bruker celsius, bruker forskere helst kelvin.
Hvordan bestemmes avstander i verdensrommet?
Som du åpenbart har forstått, er avstandsbedømmelse blant de vanskeligste ting man driver med i astronomi. Det er faktisk dette som er hovedårsaken til den store usikkerheten i bestemmelsen av Hubble-konstanten, som igjen kan brukes til å angi universets alder.
Vel, selv om det er en vanskelig oppgave, finnes det mange forskjellige metoder for å gjøre dette.
På veldig små avstander (solsystemet) kan man bruke trigonometri og Keplers lover, som angir hvordan objekter beveger seg. Dette gir svært presise anslag.
På små avstander (mindre enn 50 parsec, 1 pc = 3,26 lysår. Melkeveien har en radius på ca. 20 kpc) kan man, som du foreslår, bruke vinkelmålinger. I disse tilfellene bruker man jordas rotasjon rundt sola som baselinje, og dermed får man en total baselinje på 2*150 millioner km. Man måler altså posisjonen til objektet to ganger, med et halvt års mellomrom.
På større avstander må man ty til sekundære teknikker. En av disse er bruk av såkalte Cepheider. Dette er en meget spesiell type stjerne som pulserer med en jevn frekvens (den varierer altså i lysstyrke). Denne frekvensen er heldigvis gitt som en funksjon av lysstyrken til stjerna. Dermed kan vi måle hvor mye lys stjerna sender ut, ved å måle hvor mange sekunder det tar fra lysstyrken er på maksimum til den er på minimum.
Når så den total energimengden stjerna sender ut er kjent, kan vi måle hvor mye vi faktisk mottar, og dermed regne ut avstanden R, siden all energi skal passere gjennom en kuleflate med areal 4 pi R2. Eller sagt på en annen måte:
Total energimengde fra stjerna = 4*pi*R2 * energien vi mottar
Denne metoden gir gode resultater opp til 10 Mpc, altså ekstra-galaktiske avstander.
I området 10-15 Mpc har man en metode som baserer seg på at den sterkeste stjerna i såkalte Sc-galakser har omtrent samme lysstyrke. Dermed kan man benytte samme metode som over. Disse stjernene er dessuten langt mer lyssterke enn Cepheidene, og kan derfor brukes på større avstander, men usikkerheten er også litt større.
En av de nyeste og beste metodene for virkelig store avstander er bruk av såkalte Supernova type Ia som standard-lys. Igjen er dette objekter med samme egenskaper, og når man først har kalibrert målestokken ved hjelp av metodene over, kan man nå ut til langt større avstander ved slike fenomener. Disse er svært viktige for moderne kosmologi.
Hvis man ved rødforskyvningen til en fjern galakse, kan man da beregne avstanden til den?
Nesten alt det vi vet (eller mener å vite) om universet utenfor Solsystemet er basert på studier av elektromagnetisk stråling fra de fjerne himmellegemene. De forskjellige grunnstoffene sender ut lys på forskjellige bølgelengder, slik at man kan si at de sender ut hvert sitt fingeravtrykk. På 1920-tallet studerte Edwin Hubble lyset fra fjerne galakser. Han fant ut at galaksene utenfor den lokale gruppen hadde de samme spektrallinjene som vi ser i laboratoriet, men systematisk forskjøvet mot den røde delen av det elektromagnetiske spekteret. Dette må bety at enten består de fjerne galaksene av ukjente stoffer som sender ut lys på bølgelengder som er forskjøvet mot rødt i forhold til lyset som sendes ut av stoffene her på Jorda, eller så ser vi de samme stoffene, bare at lyset de sender ut er forskjøvet mot rødt. I dag er vel alle enige om at det er den siste muligheten som gjelder, og at lyset er forskjøvet mot rødt fordi galaksene farer fra oss med en hastighet som er proporsjonal med avstanden fra oss (hvis vi ser bort fra galaksenes egenbevegelser, som for eksempel skyldes gravitasjonen fra nærliggende galakser). Dette kalles Hubbles lov.
Når det gjelder referanselengde kan man for eksempel se på hvor mye bølgelengden til en bestemt spektrallinje har blitt strukket ut. Hydrogenatomer i et laboratorium sender for eksempel ut rødt lys med bølgelengde 656.3 nm (1 nm = 1 nanometer = 1 milliarddels meter). Hvis man ser en galakse hvor dette hydrogenlyset har bølgelengden 1312.6 nm, betyr det at bølgelengden har blitt strukket ut til det dobbelte, noe som gir rødforskyvningen z = 1. Ved hjelp av uttrykket for relativistisk Doppler-forskyvning kan man "oversette" denne rødforskyvningen til hastigheten galaksen beveger seg fra oss med.
Videre kan man da ved hjelp av Hubbles lov bestemme avstanden mellom oss og galaksen i den avstandsenheten vi måtte ønske. Matematisk lyder Hubbles lov v = H(0)*d, der v er hastigheten en galakse fjerner seg fra oss med, H(0) er dagens verdi av Hubble-parameteren og d er avstanden mellom oss og galaksen vi ser på. Dermed kan vi regne ut hvor langt en galakse er fra oss hvis vi vet hvor fort den fjerner seg fra oss og dagens verdi av Hubble-paramteren. Hubble-parameteren kalles ofte Hubbles konstant, men den er altså en funksjon av tid. Universets nåværende alder er forøvrig den inverse av dagens verdi av Hubble-parameteren, så det å bestemme denne har i lang tid vært en av kosmologenes viktigste oppgaver.
Hvorfor heter det masse og ikke vekt?
Dette er helt riktig; masse er det foretrukne begrepet. Og det gjelder ikke bare i verdensrommet, men nokså generelt i fysikk. "Vekt" er nemlig nærmere knyttet til "tilfeldige" krefter enn til materien selv.
Vekt er den kraften man måler ved en vekt, og denne er avhengig av gravitasjonen. Altså vil en gitt person veie forskjellig avhengig av hvor han befinner seg. Hvis han på Jorda veier han 80 kilo, vil han på Månen bare veie 13 kilo, mens han ute i verdensrommet er vektløs!
Altså er vekt et nokså meningsløst begrep når man skal beskrive en materie-mengde. Det er langt bedre å bruke masse, som vanligvis defineres ved hjelp av aksellerasjon, og er dermed uavhengig av lokale krefter (kraft = masse * aksellerasjon er Newtons 2. lov).
Grunnen til at man ofte bruker "vekt" om "masse" her på Jorda, er at gravitasjonen er nokså konstant overalt på Jorda, og dermed er begrepet nokså entydig definert. Litt variasjon er det likevel, og en gitt person veier faktisk litt mer når han befinner seg på nordpolen enn når han er på ekvator.
Hvor mye veier et foton, dersom det kan sies å ha masse? Hvor mye veier eventuelt alle fotoner i hele universet (medregnet alle fotoner, fra det første øyeblikk av tid) dersom det lar seg regne ut? Kan denne mulige masse være den store ukjente mørke materien i universet?
Fotoner har ikke det som kalles hvilemasse, siden de per definisjon beveger seg med lyshastigheten. Hvilemassen er massen til en partikkel målt i det referansesystemet hvor partikkelen er i ro. Derimot har de en egenskap som kalles treghet, som vil si at et foton vil motsette seg endring i sin bevegelse. Dermed har et foton også energi og bevegelsesmengde, noe som gjør at de ifølge generell relativitetsteori vil avbøyes i gravitasjonsfelter. Nettopp en observasjon av denne effekten under en solformørkelse i 1919 var det avgjørende gjennombruddet for relativitetsteorien. Ifølge Newtons teori skulle nemlig de masseløse fotonene ikke påvirkes av gravitasjonen i det hele tatt.
Den mørke materien har per definisjon ikke noe med fotoner å gjøre. Fotoner er altså lyspartikler, og mørk materie lyser per defininsjon ikke. Fotoner sendes ut når elektrisk ladde partikler, for eksempel protoner og elektronoer, akselereres. Siden den mørke materien ikke lyser, må den derfor bestå av materie som er elektrisk nøytral.