Nye gravitasjonslinser oppdaga under skulebesøk ved Nordisk Optisk Teleskop

Elevane frå Horten og faglærar Jan Kåre T. Qvam deltok i arbeidet leidd av forsker Håkon Dahle ved institutt for teoretisk astrofysikk, UiO. Skolekurset i observasjonsastronomi ved Horten videregående skole består av ein førebuande del med både teori og observasjonspraksis før avreise til La Palma, så sjølve observasjonane 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 vart gjennomført i 2013, med observasjonar teke 20.- 22. oktober. Den andre delen tek for seg gravitasjonslinser med observasjonar utført 22.-23. oktober.

Skyer forhindra den første delen med søk etter pulseringar i kvite dvergstjerner, bortsett frå dei siste timane natt til 22. oktober. I denne knappe tida fekk elevane likevel gjennomført ein måleserie for den pulserande stjerna PG 2303+243 og også for stjerna SDSS J031310.65+413120.1 - ei stjerne som ikkje tidlegare er undersøkt for pulseringar.

Dagen etter vart vêret mykje betre og hovuddelen av observasjonane vart dermed av gravitasjonslinser den 23. oktober.

Gravitasjon bøyer lys

Konsentrasjon av masse som er på siktelinja mellom ein observatør og ei kjelde i bakgrunnen kan gi opphav til ein optisk effekt som blir kalla gravitasjonslinsing. Effekten kan gi anten eit forsterka bilete eller ei splitting i fleire bilete. Dette er ei følgje av at lysstrålane blir bøygde i sterke gravitasjonsfelt. Galaksar og galaksehoper er typiske døme på objekt med sterke nok gravitasjonsfelt til å gi ein gravitasjonslinseeffekt.

Gravitasjonslinseeffekten er eit effektivt verktøy innan kosmologien. Den norske astronomen Sjur Refsdal var sentral i utvikling av gravitasjonslinseteorien på 1960 talet. Første observasjon av ein gravitasjonslise vart gjord seinare, i 1979.

Søk etter gravitasjonslinser med data frå Planck

Med utgangspunkt i data frå satellitten Planck tok gruppa bilete av område mest sannsynleg for å finna gravitasjonslinser.

Den såkalla Sunyaev-Zeldovich (SZ) - effekten saman med Planck-observasjonar er eit unikt verktøy i søk etter gravitasjonslinser. SZ-effekten oppstår når foton frå den kosmiske bakgrunnsstrålinga vekselsvirke med energirike partiklar som omgir galaksehoper. I denne prosessen blir fotona tilførte energi, noko som kan registrerast med instrumenta på Planck.

Med kjennskap til observert rødforskyvning til kjelda for stråling og dessutan avstand til galaksehopen har ein ut i frå gravitasjonslinsebileta nok informasjon til å kunna berekna den totale massen til galaksehopen som bøyer lyset. Massen i ein galaksehop er dominert av såkalla mørk materie.

Observasjonar av denne typen har gått føre seg over fleire år og målet er å finna ut om talet på gravitasjonslinser stemmer med det talet som kan føreseiast frå den kosmologiske standardmodellen.

Dei siste resultata frå Planck fortel at fordelinga av bestanddelane til universet er som følgjer: 4.9% vanleg materie, 26.8% mørk materie og 68.3% «mørk energi». Mørk materie er materie som ikkje kan sjåast direkte. Mørk materie-partiklane har ikkje elektrisk ladning og det er grunn til å tru at dei vekselsvirka berre via svak kjernekraft med andre partiklar. Mørk energi derimot, verkar som ei fråstøytande tyngdekraft og er årsak til den akselererande utvidinga av universet.

Under observasjonane natt til 23. oktober observerte gruppa frå Horten 12 aktuelle område på himmelen, og dei fann to gravitasjonslinser. Sjølv om ikkje observasjonsforholda var optimale kan linsene lett identifiserast på bileta.

Kosmologi sentralt i fleire fagplanar i den vidaregåande skulen

Elevgruppen som deltok har valt faget teknologi og forskingslære 2 (TOF2). I dette kurset blir det undervist i den vitskaplege metoden med spesielt fokus på målingar og feilkjelder. Kurset har eit årsprosjekt der elevane skal setja seg inn i ei vitskapleg undersøking.

Skulen tilbyr ulike prosjekt der astronomi inngår som eitt av vala. Astronomi og spesielt fotometri passar svært godt inn under måleteknikk og behandling av data.

Det som gjer kosmologi spesielt interessant i skulesamanheng er at i tillegg til å vera eit prosjekt som passar innanfor TO2, er det også i tverrfagleg samanheng eit sentralt emne i læreplanen.

I faget fysikk 1 blir innført kosmologi i eige kompetansemål, og i det følgjande kurset fysikk 2 er kosmologien sentral under temaet relativitetsteori.

Samla kan det seiast at nettopp dette astrofysiske emnet åleine grip inn i fleire realfag i ulike trinn i den vidaregåande skulen. Når det gjeld praktisk arbeid i faget er det derimot ikkje så vanleg å kunna gjera målingar innan kosmologi då ordinær undervisning i slike emne som oftast blir i form av beskrivande teori. Det er derfor spesielt gledeleg at elevgruppa under besøket ved NÓT sjølv kunne gjera målingar av gravitasjonslinser.

Håkon Dahle er imponert over innsatsen til skuleelevane.

– Elevane var motiverte, vakne og interesserte, sjølv klokka fem på natta, fortel han.

Elevgruppa avsluttar i desse dagar eit etterarbeid om gravitasjonslinser. I tillegg held dei fram eit arbeid med analyse av fotometriske måleseriane av dei to kvite dvergstjernene frå 22. oktober. Desse resultata skal med i ein TOF2 sluttrapport ved årsskiftet.