Skriv ut sidan

Så ska astronomer kartlägga universum med världens största radioteleskop

Förberedelser börjar för att bygga en kosmisk atlas med hjälp av hundratals parabolantenner

SKAall_night1.screen_400SKA-teleskopet om natten, som det kan komma att se ut. Här syns SKA-parabolerna, samt antennmattorna för både låga och mellanfrekvenser samt i bakgrunden MeerKAT- och ASKAP-paraboler.

19 januari 2015 Forskare från hela världen har gått samman för att lägga grunden till ett bokstavligt talat astronomiskt stort experiment. Det handlar om att sätta ihop den hittills största kartan över universum.

Forskare inom arbetsgruppen för kosmologi inom projektet Square Kilometre Array (SKA) har nu kommit fram till hur man kan kartlägga universum med hjälp av världens största teleskop. I en samling artiklar som idag publicerats på sajten arXiv.org har ett internationellt forskarlag lagt fram sina planer för den gigantiska kartläggningen.

– Gruppen har samlat nydanande idéer som kommer att påverka framtiden inom kosmologi, säger arbetsgruppens ordförande, Roy Maartens vid University of Western Cape, Sydafrika.

SKA ska bli en uppställning av tusentals radiomottagare och antenner utspridda över två olika områden, ett i Sydafrika och ett i västra Australien. År 2023 kommer teleskopets första byggfas att avslutas. Då ska SKA dagligen producera många gånger mer data än den dagliga trafiken i hela internet. Fas två, som kommer att vara färdig i slutet av 2020-talet, förväntas att vara runt tio gånger större.

Runt 130 vetenskapliga artiklar som behandlar all möjlig forskning som SKA ska bidra till håller nu på att skrivas. Det kan handla om allt från pulsarer, universums tidiga utveckling och jakten på liv. Dessa ska samlas i en unik bok som förväntas att släppas under sommaren 2015 av SKA-organisationen.

– Det är givande att se hur alla dessa artiklar börjar att publiceras nu tack vare allt hårt arbete som gjorts av våra vetenskapliga arbetsgrupper. Bredden av forskningsämnen som artiklarna behandlar är ett bevis på SKA:s potential att revolutionera många områden under detta århundrade inom inte bara astrofysik, utan även fysik, astrokemi och mera”, säger Robert Braun, forskningschef inom SKA-organisationen.

Hur ska kosmos kartläggas, snabbt eller nogrannt?

Nyckeln till kartläggningar av kosmos är mycket svag radiostrålning från vätgas.

– Väte är det vanligaste grundämnet i universum, vi ser det överallt. Detta gör det till ett utmärkt verktyg för att spåra materiafördelning i rymden, berättar Phil Bull, astronom vid Universitetet i Oslo i Norge.

Även det som kallas för mörk materia, som är totalt osynligt kan studeras med hjälp av väte. Man kan se hur mörk materia genom sin tyngdkraft påverkar andra objekt, t. ex. galaxer där väte kan detekteras.

Kartläggning av galaxers positioner genomförs vanligtvis genom att långsamt, under lång tid, observera svaga radiosignaler från enskilda galaxer så att man kan mäta egenskaper som avstånd. Denna metod är visserligen tidskrävande men också pålitlig och detaljerade 3d-kartor kan konstrueras. Forskarna hoppas att man framåt slutet av 2020-talet ska kunna hitta nästan en miljard galaxer på detta sätt. Dagens största galaxkartläggningar innehåller bara runt en miljon galaxer.

Ett spännande alternativ håller på att utvecklas av bl.a. SKA-forskare: att snabbt svepa teleskopen över himlen. På det viset offras noggrannheten men man kan istället undersöka mycket större områden på mycket kortare tid.

– Detta kommer bara att ge lågupplösta kartor, men det räcker för att kunna besvara svåra frågor om universums form och gravitationens beskaffenhet, säger Mario Santos, forskare vid University of Western Cape.

Resultat från sådana kartläggningar skulle kunna vara färdiga redan 2025.

Ett nytt fönster mot kosmiska mysterier

1Vad är den mörka energin?

En av de största frågorna i astrofysik handlar om den mörka energin. Detta är namnet på en mystisk kraft som ger upphov till universums accelererande expansion.

– SKA kommer att möjliggöra de hittills noggrannaste mätningarna av den mörka energin. Med hjälp av 3d-kartor över hur galaxer är spridda i rymden kan vi studera mörk energi och samtidigt testa Einsteins allmänna relativitetsteori bättre än något experiment idag”, säger Alvise Raccanelli vid John Hopkins University i USA.

Att testa Einsteins teorier har också hög prioritet hos kosmologer.

– Man kommer att se ifall det finns en “femte naturkraft”. Det skulle verkligen vara ett avgörande bevis över ifall den allmänna relativitetsteorin inte gäller på enorma kosmologiska avstånd, säger Gongbo Zhao, astronom vid Kinas nationella astronomiska observatorier och University of Portsmouth.

Enorma atlaser över universum öppnar också nya fönster för att studera de allra första ögonblicken efter big bang.

– Vad som händer på extremt stora avståndsskalor berättar om hur vårt universum betedde sig som nyfött, då det var bara bråkdelen av en sekund gammalt, berättar Stefano Camera från Jodrell Bank Centre for Astrophysics vid Manchesters universitet i Storbritannien.

Men det är inte bara genom att studera det förflutna som vi kan förstå hur universum fungerar, menar forskarna.

– Genom att observera en miljard galaxer vid olika tidpunkter, t.ex. med 10 års mellanrum, så ska SKA kunna mäta universums expansion direkt, säger Hans-Rainer Klöckner från Max-Planckinstitutet för radioastronomi i Tyskland.

Jämfört med till exempel ett människoliv är expansionen trots allt relativt långsam. Att kunna mäta detta direkt skulle vara enligt Klöckner “ett enormt teknologiskt framsteg” och dessutom ge mer information om den mörka energin.

Redshift_Galaxy_600
Bild som visar effekterna av rödförskjutning (Bild: SKA)

Universums form

Förutom 3d-kartor över radiosignaler från väte i galaxer ska SKA även ge tvådimensionella kartor med galaxernas totala utstrålning av radiovågor.

– Dessa kartor kommer att innehålla hundratals miljoner galaxer och i fas två, miljarder galaxer. Vi kommer att kunna testa om universum verkligen har en sådan enkel form som våra teorier förutsäger, säger Matt Jarvis vid Oxforduniversitetet i Storbritannien.

Det Jarvis syftar på är en uppsättning fundamentala antaganden om universum som härrör ända tillbaka till Copernicus tid på 1500-talet. Enligt dessa ska fördelningen av materia i genomsnitt se likadan ut, oberoende av vilken riktning ditt teleskop är vänt i. Men nyligen har observationer avslöjat smått besvärande tecken på att denna egenskap, som kallas för statistisk isotropi, kanske inte gäller.

– Om detta är fallet skulle det innebära allvarliga följder för vår förståelse av kosmos, säger Dominik Schwarz vid Bielefelduniversitetet i Tyskland.

Att förstå hur storskaliga strukturer bildas

darkenergyMörk energi: en möjlig förklaring till universums allt snabbare expansion? Bild: NASA

Tvådimensionella kartor är också ett verktyg för att studera hur ljus kröks av gravitation, en tidig förutsägelse från Einsteins teorier vilken mättes först av Arthur Eddington under solförmörkelsen 1919.

– Genom att med SKA mäta små förvrängningar i galaxernas former bör vi kunna följa hur strukturen hos mörk materia har utvecklats under universums historia, berättar Ian Harrison från Manchesters universitet.

Forskarna hoppas på att få ut flera viktiga ledtrådar om den mörka energin och om hur storskaliga strukturer i universum egentligen bildades.

Men SKA blir inte ensamt i dessa åtaganden. En stor mängd andra experiment väntas börja samla mätningar under det närmaste årtiondet och deras resultat kommer att både komplettera SKA:s upptäckter och sätta dem på prov: bland dessa finns rymdteleskopen Euclid och WFIRST samt 8-metersteleskopet LSST (Large Synoptic Survey Telescope), som alla registrerar synligt och infrarött ljus istället för radiovågor.

– Att jämföra med andra observationskällor – radiosignaler från väte istället för stjärnljus – och helt andra metoder kommer att hjälpa enormt för att testa resultaten och få bukt på möjliga felkällor, säger Roberto Scaramella vid Roms observatorium i Italien.