Nr 309 2011

Därför fick de Nobels fysikpris!

Här följer prof Olga Botners HELA presentationstal från Nobelfestligheterna i lördags:

Eders Majestäter, Eders Kungliga Högheter, mina damer och herrar.

Allow me to start in English by citing a short poem by the Danish scientist, poet and designer Piet Hein, called Nothing is indispensable – grook to warn the Universe against megalomania:

The Universe may
be as big as they say.
But … it wouldn’t be missed
if it didn’t exist!

Well…Om universum inte fanns skulle vi definitivt inte sitta här idag!

Människan är en del av universum – precis som planeterna, stjärnorna och galaxerna. Byggstenarna för varenda cell i våra kroppar – kol-, syre- och de andra atomerna – bildades inuti forntida stjärnor som exploderade i Vintergatan för kanske 10 miljarder år sedan, långt innan solsystemet blev till, precis som de grundämnen som planeterna bildats av. Galaxerna, stjärnorna och planeterna påverkas av samma naturkrafter som vi själva – inte minst gravitationen som bestämmer planetbanorna och påverkar stjärnornas livscyklar – och ser till att vi har fötterna på jorden. För att förstå oss själva måste vi försöka förstå universum!

Årets Nobelpris i fysik handlar just om stjärnexplosioner och om gravitation – ja, faktiskt om hela universum.

Genom att observera avlägsna galaxer med hjälp av teleskop kom man redan för nästan 100 år sedan på att vårt universum blir allt större. Avstånden mellan galaxerna ökar ständigt, ungefär som avstånden mellan russinen i en jäsande kaksmet. Räknar vi bakåt i tiden inser vi att expansionen måste ha haft sin början för cirka 14 miljarder år sedan – i en urexplosion som den brittiske astrofysikern Fred Hoyle kallat Big Bang.

Under de senaste 5 miljarderna år, ungefär sedan solsystemet bildades, har universum fördubblats i storlek, och det fortsätter att utvidgas. Men – all materia i universum dras till all annan materia p.g.a. gravitationen. Avstånden mellan galaxerna borde inte kunna fortsätta öka lika fort i all evighet – expansionen borde så småningom sakta in.  Man kan räkna ut att om universum innehåller mer än sex atomer per kubikmeter så måste utvidgningen stanna av. Universum borde börja krympa och så småningom sluta i en Big Crunch, motsatsen till Big Bang. Är detta universums öde?

För att besvara den frågan måste man undersöka om expansionshastigheten ändras med tiden. Tursamt nog har vi tillgång till en “tidsmaskin”: Det ljus som når våra teleskop från avlägsna stjärnor har färdats genom rymden under miljoner t.o.m. miljarder av år, och blivit allt rödare efterhand, då själva rummet expanderat.

Om vi jämför de uppmätta rödförskjutningarna för många olika objekt med de många modeller för det expanderande universum som Einsteins allmänna relativitetsteori tillåter, kan vi upptäcka den modell som beskriver det verkliga universum. Rödförskjutningarna kan tolkas som avstånd, men tolkningen beror på modellernas olika antaganden om balansen mellan skilda energiformer t.ex. mängden strålning och materia.

Om vi kan jämföra dessa modellberoende avstånd med andra, oberoende, avståndsmätningar på samma objekt – kan vi fastställa energibalansen i universum. Men då behöver vi objekt som syns över enorma avstånd – ljuskällor vars ljus färdats över miljarder av år.

Forskarna som idag belönas med Nobelpriset i fysik studerar avlägsna stjärnexplosioner – supernovor. Dessa skeenden frigör enorma mängder energi – en enda supernova kan under några veckor överglänsa alla de hundra miljarderna stjärnorna i en galax!  Stjärnor kan slitas sönder på många olika sätt, men det visar sig att det i speciella fall uppstår explosioner som alltid skickar ut lika mycket ljus. Dessa explosioner kan kännas igen genom att noggrant studera det observerade stjärnljuset. Då mängden ljus som frigörs alltid är densamma kan man från den observerade ljusstyrkan bestämma avståndet. Ju svagare ljus – desto längre bort är supernovan!

Men universum är stort, och att hitta rätt sorts supernovor är en utmaning för forskarna. Pristagarna och deras forskargrupper använde digital teknik, och uppfann effektiva metoder för att avsöka områden på himlavalvet upprepade gånger och jämföra tusentals bilder. Tiotals supernovor upptäcktes, och med hjälp av världens största teleskop kunde sedan deras typ och ljusstyrka bestämmas, liksom det avstånd som ges av rödförskjutningen.

Till allas oerhörda förvåning verkade supernovorna lysa alldeles för svagt! Svagare än väntat om universums expansion saktat in. Universum verkar i stället ha utvidgat sig allt snabbare!

Vad är det då som får expansionstakten att öka? Svaret skulle kunna vara: en särskild form av energi, kallad mörk energi, som trycker universum “utåt”. En liknande energiform – den kosmologiska konstanten – diskuterades av Einstein redan år 1917 men förpassades sedan från teorin. Den mörka energin tycks utgöra cirka 73% av all energi i universum vilket under det senaste decenniet bekräftats av galaxernas fördelning över stora avstånd och av studier av den kosmiska bakgrundsstrålningen.

Upptäckten av den accelererande expansionen genom studier av avlägsna supernovor har alltså på ett oväntat och dramatiskt sätt förändrat vår bild av universum. Vi har insett att vi lever i ett universum som till största delen består av komponenter som vi inte känner till.  Att förstå sig på den mörka energin är en utmaning för forskare världen över – allt enligt Piet Heins devis:

Problems worthy of attack
prove their worth by hitting back.

Professor Perlmutter, Professor Schmidt, Professor Riess,

You have been awarded the Nobel Prize in Physics for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae. On behalf of the Royal Swedish Academy of Sciences it is my honour and my pleasure to convey to you the warmest congratulations.  I now ask you to step forward to receive your Nobel Prize from the hands of His Majesty the King.