Olof Nebrin

"The elements were cooked in less time than it takes to cook a dish of duck and roast potatoes." – George Gamow
Olof Nebrin

Olof Nebrin

Olof läser kandidatprogrammet i astronomi på Stockholms universitet med målet att en dag bli en forskande astrofysiker. Utöver att vilja forska vill han också dela med sig av allt det coola om Universum. Utöver intresset för astronomi och fysik så gillar han musik, rita, läsa och att umgås med kompisar.

Pauli och varför vita dvärgar, kemi och liv existerar

Long time no seen! Har vart relativt upptagen. Men mycket har man lärt sig sen sist! Har haft kurser i kvantmekanik och elektromagnetism under våren. Kurser som ganska fundamentalt ändrar hur man ser på vår omvärld. Inom elektromagnetismen har vi fått bevittna hur några få rader av elegant matte (Maxwells ekvationer) förklarar något så komplext som elektricitet och magnetism. Och inom kvantmekaniken har vi fått omvärdera vårt sätt att se världen ännu mer fundamentalt. Partiklar har inga exakta positioner och de kan ‘tunnla’ genom barriärer. Men så konstigt som kvantmekaniken är förklarar den ändå så himla mycket av det vi ser i vår omvärld. Ja, utan kvantmekaniken kan vi inte ens förstå oss på något så fundamentalt som atomer, och existensen av kemi överhuvudtaget! Kurserna har vart oerhört lärorika, föreläsarna bra och roliga (speciellt kvantmekaniken som var väldigt engagerande), och jag kan glatt säga att det gått väldigt bra med dessa kurser! :)

Hur som helst. En liten cool grej: För ett par år sedan eller så köpte jag en bok, Theoretical Astrophysics: Volume 1. Astrophysical Processes, i hoppet av att den skulle bli användbar för astronomistudier. I början förstod jag ingenting av innehållet och den kändes nästan värdelös, men nu inser jag att jag borde tacka mitt forna jag. Boken behandlar i princip all fysik som en aspirerande astronom stöter på: Allt från Newtons mekanik och elektromagnetism till Einsteins allmänna relativitetsteori och kärnfysik. Bläddrade nyligen igenom boken och stötte på detta eleganta passage i boken. Författaren härleder simpelt och elegant Paulis uteslutningsprincip. Denna princip förklarar grymt mycket i Universum!

Författaren härleder, IMO väldigt elegant, Paulis berömda princip.

Författaren härleder, IMO väldigt elegant, Paulis berömda princip.

 

Okej, men vad säger principen? Principen följer direkt från kvantmekaniken och gäller partiklar av en viss klass — fermioner.

astrop2

Det viktiga är inte så mycket definitionen av vad en fermion är. Ett exempel på en fermion är elektronen, och det är elektronen det rör mest. Pauli och hans princip säger det följande:

Två fermioner kan inte vara i samma kvanttillstånd (dvs ha samma energi, rörelsemängdsmoment m.m.).

Så har du ett gäng elektroner så kan du inte hitta två stycken av dem i samma kvanttillstånd. I praktiken betyder det att du inte kommer hitta många elektroner med låg energi. Anledningen är att det inom kvantmekaniken visar sig vara så att det generellt finns många fler sätt att ha en given hög energi än en given låg energi. Eftersom Paulis princip säger att elektroner inte kan ha exakt samma kvanttillstånd kommer de därför att tendera att vara i ett tillstånd med hög energi (för att undvika att dela samma tillstånd). Hög energi betyder att elektronerna rör sig snabbt. Och rör de sig snabbt kan ett tryck byggas upp — precis som att rörelse av molekyler i luften ger upphov till atmosfärens tryck. I jargongen kallas detta elektrontryck för ”Electron degeneracy pressure”. Detta tryck blir viktigt när elektroner pressas samman.

När händer detta? Det händer bl.a. i små stjärnor! Vita dvärgar är stjärnor med massor stora som Solen men med storlekar små som Jorden. Elektronerna i sådana stjärnor är så hoptryckta att elektrontrycket blir viktigt. Detta trycket pressar ‘utåt’ och hindrar stjärnan från att kollapsa under sin egna gravitation. Kvantmekaniken förklarar därför existensen av dessa små men massiva stjärnor som finns utspridda lite här och var i Universum. När vi observerar en vit dvärg, t.ex. Sirius B, ser vi hur kvantmekaniken kan förklara astronomiska fenomen.

Pilen pekar på den vita dvärgen Sirius B, och den stora stjärnan är Sirius A.

Pilen pekar på den vita dvärgen Sirius B, och den stora stjärnan är Sirius A. (NASA)

Det visar sig vara så att Paulis princip inte bara förklarar existensen av något så tankeprovocerande som vita dvärgar, utan också något så fundamentalt som existensen av intressant kemi. Kemi har trots allt mycket att göra med elektroner, och elektroner är lagbundna att följa Paulis uteslutningsprincip. Men varför skulle denna princip förklara existensen av kemi? Kemi handlar i stort sätt bara om de yttre elektronerna runt en atom. Men varför finns det intressant utlagda yttre elektroner överhuvudtaget? Varför ligger inte alla elektroner i alla atomer och gosar runt atomkärnan i det lägsta energitillståndet (och därför det mest ‘eftertraktade’ tillståndet)? Varför denna mångfald i atomer? Pauli säger att elektronerna inte kan dela tillstånd. Och eftersom det tenderar att finnas flera sätt att ha hög energi än låg energi så kommer det därför finnas flera elektroner i de yttre skalen.

Tada! A wild periodic table appears! Det är Paulis princip som gör kemi och därför liv och ja, astronomer, en fysisk möjlighet. Sådant som får mig att älska fysik: Eleganta och relativt simpla principer visar sig förklara något löjligt komplext och stort som man annars skulle tro var näst intill omöjligt att förklara. Man tänker ”Aha! Tänka sig att världen faktiskt är så vackert simpel.”

Gravitationsvågor och Einsteins sjukt coola teori om gravitation

Nu när gravitationsvågor upptäckts och Einsteins allmänna relativitetsteori — den överlägset bästa teori om gravitation människor stött på — nyligen fyllt 100 år följer två naturliga frågor: Vad är gravitationsvågor, och vad handlar egentligen Einsteins teori om?

Munroe-Einstein-solution-520

Av: Randall Munroe.

Efter 1905 hade Einsteins speciella relativitetsteori förändrat vårt sätt att se på rum och tid. De båda sågs nu som djupt kopplade. Vår rörelse genom rummet påverkar vår rörelse genom tiden. Rör du dig tillräckligt snabbt går tiden för dig märkbart långsammare än för en person i vila. En av de utgångspunkter Einstein hade för att härleda sin speciella relativitetsteori var att ingenting färdas snabbare än ljuset. Men detta stämde inte överens med Newtons teori om gravitation. Enligt Newton skulle vi på Jorden på en gång märka om en argsint och mäktig figur plockade bort Solen. Jorden skulle på en gång byta bana eftersom gravitationskraften på en gång ändras. Det skulle, enligt Newton, inta ta runt 8 minuter för oss att märka av det — vilket är tiden det tar ljuset från Solen att nå oss.

I Einsteins speciella relativitetsteori ser fysikens lagar likadana ut för två personer som färdas med olika hastigheter, så länge de inte accelererar. Men eftersom gravitation handlar om acceleration (var ju trots allt ett äpple som från ovan accelererade mot Newtons huvud) ger det motivation till att generalisera den speciella relativitetsteorin och leta efter en allmän relativitetsteori, så att två personer kan vara överens om fysikens lagar oavsett vilken hastighet eller acceleration de har. Einstein hittade en sådan teori 1915, och det är överlägset den bästa teori om gravitation vi har nu. Einstein fann att om rum och tid (förenat till ”rumtid” genom relativitetsteorin) kan krökas så kan det ge upphov till acceleration.

En bowlingboll (jämför med Solen) kröker ytan hos en trampolin (jämför med rumtiden). En liten kula kan då, genom att följa krökningen, åka runt den större bowlingbollen i en rörelse som liknar planeters omloppsbanor. På samma sätt kröker materia rumtiden och ger upphov till fenomenet vi kallar gravitation. Rumtidens geometri ger alltså upphov till gravitation! Som fysikern John Wheeler beskrev det: ”Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve.” Hur coolt är inte det?

Einsteins berömda ekvationer

Rumtidens geometri brukar beskrivas med en så kallad ”metrisk tensor”, som brukar skrivas som [latex]g_{\mu \nu }[/latex]. De två grekiska bokstäverna [latex]\mu \:[/latex] och [latex]\nu \:[/latex] kan ta värdena 0, 1, 2 eller 3. En nolla står för tid och 1, 2, 3 står för de tre rumsdimensionerna. Vill man då veta hur exempelvis uppfattningen av tid förändras i närhet av exempelvis en stjärna kollar man på [latex]g_{00}[/latex]. Coolt, då vet vi lite om hur geometrin brukar beskrivas, men ingenting om hur geometrin förändras av stjärnor och planeter.

Det som relaterar den metriska tensorn [latex]g_{\mu \nu }[/latex] till hur massa/energi (Einsteins kända formel [latex]E = mc^{2}[/latex]  säger att massa och energi praktiskt taget är samma sak) är utspritt i rummet ges utav Einsteins så kallade ”fältekvationer”. De kan skrivas på formen:

[latex]R_{\mu \nu } = \frac{8\pi G}{c^{4}}\left ( T_{\mu \nu }\: -\frac{1}{2}Tg_{\mu \nu } \right )[/latex]

På vänster sida har vi ”Riccis krökningstensor”. Uttrycket är komplicerat, men Riccis krökningstensor är i sort sett (andra-) derivator av [latex]g_{\mu \nu }[/latex]. Med andra ord beskriver vänstersidan rumtidens krökning. Högersidan är en konstant (du kanske känner igen Newtons gravitationskonstant och ljusets hastighet) multiplicerat med ett uttryck som innehåller ”stressenergitensorn” [latex]T_{\mu \nu }[/latex]. Stressenergitensorn beror på hur materia/energi är fördelat i rymden. I ord så säger Einsteins fältekvationer alltså (Krökning av rumtiden) = (Fördelning av massa/energi). Vi har alltså ekvationer som relaterar rumtidens geometri med materia.

Gravitationsvågor

Från Einsteins fältekvationer kan man se att gravitationsvågor — det vågliknande spridandet av en förändring i [latex]g_{\mu \nu }[/latex] — uppstår. I de flesta astronomiska sammanhangen är krökningen av rumtiden väldigt liten. Detta gäller exempelvis nära planeter och stjärnor, samt långt bort från svarta hål. Den metriska tensorn som beskriver en ”platt” (d.v.s. icke-krökt) rumtid brukar skrivas som [latex]\eta _{\mu \nu }[/latex]. Det är denna metriska tensor som beskriver den icke-krökta rumtiden i Einsteins speciella relativitetsteori. Om vi kallar den lilla avvikelse från en platt rumtid för [latex]h_{\mu \nu }[/latex]  så är den metriska tensorn helt enkelt

[latex]g_{\mu \nu }=\eta _{\mu \nu }\: +\:h_{\mu \nu }[/latex]

Antar vi att avvikelsen är liten (d.v.s att [latex]h_{\mu \nu }\ll \eta _{\mu \nu }[/latex]) och stoppar in uttrycket i Einsteins fältekvationer ovan och sedan förenklar lite ger det oss

[latex]\boxempty h_{\mu \nu }= -\frac{16\pi G}{c^{4}}\left ( T_{\mu \nu }\; -\frac{1}{2}T\eta _{\mu \nu } \right )[/latex]

Den lustiga fyrkanten på vänstersida kallas för ”vågoperatorn”. I det här fallet beskriver vänstersidan utspridningen av vår lilla krökning av rumtiden, [latex]h_{\mu \nu }[/latex], med ljusets hastighet, [latex]c[/latex]. Vi har alltså kommit fram till existensen av gravitationsvågor! Det var just upptäckten av detta fenomen som fysiker presenterade förra månaden. Man hade observerat gravitationsvågor från två svarta hål, det ena med en massa på 36 Solmassor och det andra med en massa på 29 Solmassor. Den förutsägelse vi precis kommit fram till rent teoretiskt har alltså äntligen bekräftats genom direkta, oerhört noggranna experiment.

Vad skulle hända om vi trollade bort Solen eller Andromedagalaxen?

Koncentrerar vi oss på tid-tid (så 00) komponenten av [latex]h_{\mu \nu }[/latex]  kan vi förenkla ytterligare genom att notera att denna är relaterad till Newtons gravitationspotential [latex]\varphi[/latex]  genom

[latex]h_{00}=\frac{2\varphi }{c^{2}}[/latex]

Har du haft en kurs i fysik på gymnasiet kanske du kommer ihåg att Newtons gravitationspotential är [latex]\varphi =-GM/r[/latex]. Vi ser här alltså ganska direkt hur ett objekts massa [latex]M[/latex]  påverkar rumtidens geometri. För vanlig materia kan högersidan också förenklas genom

[latex]T_{00}\; -\; \frac{1}{2}T\eta _{00} = \rho c^{2} – \frac{1}{2}\rho c^{2}=\frac{1}{2}\rho c^{2}[/latex]

Där [latex]\rho[/latex]  är massdensiteten i rummet, uttryckt i kg/m³. Utanför en stjärna eller planet är t.ex. densiteten (nästan) lika med noll — ett vakuum. Vågekvationen ger då

[latex]\boxempty \varphi = \frac{1}{c^{2}}\frac{\partial^{2} \varphi }{\partial t^{2}} \; -\;\nabla ^{2}\varphi  =-4\pi G\rho [/latex]

Den första termen på vänster sida är andra derivatan av gravitationspotentialen med avseende på tid, och den uppochnedvända triangeln är en derivata med avseende på position. Vi ser att om ljusets hastighet skulle vara ‘oändligt stor’, [latex]c\rightarrow \infty[/latex]  , så att gravitation färdas oändligt snabbt, har vi bara derivatan med avseende på position kvar och då får man [latex]\nabla ^{2}\varphi  =4\pi G\rho[/latex]. Detta är en fundamental ekvation i Newtons teori om gravitation. Så vi ser att Einsteins allmänna relativitetsteori, precis som den skulle fixa, gör att en förändring i gravitationspotentialen — och genom det, också gravitationskraften — färdas med ljusets hastighet, och inte oändligt snabbt.

Andromedagalaxen. Foto: Adam Evans.

Vackert foto av Andromedagalaxen, som du kan på en klar natthimmel i stjärnbilden Andromeda. Foto: Adam Evans.

Skulle vi därför trolla bort Solen skulle det ta ca. 8 minuter innan Jorden märker av att Solen inte är där, och sen slungas ut i det kalla och tysta interstellära mediet. Vintergatan och Andromedagalaxen är på väg att kollidera. Vi närmar oss Andromeda med en fart på ca. 120 km/s (ja, per sekund, inte per timme!). Andromeda befinner sig ca. 2,5 miljoner ljusår bort. Därför skulle vi fortsätta falla mot Andromeda i ytterligare hela 2,5 miljoner år om vi trollade bort Andromeda nu. Hur sjukt är inte det? Som tur är finns det ingen som helst anledning att tro att någon så elak och mäktig trollkarl existerar.

Vi vet att vi både ser stjärnor som de såg ut i det förflutna, men Einsteins teori om gravitation säger också vår rörelse genom tid och rum är i respons till hur Universum såg ut i det förflutna.

 

Pseudovetenskap

The good thing about science is that it’s true whether or not you believe in it.” ~ Neil deGrasse Tyson

När man sett och läst om hur, speciellt i USA, bl.a. evolution, klimatförändring, Big Bang-teorin m.m. förnekas så är det lätt att vara glad över hur bra det är här i Sverige. Vi bor i ett sekulärt samhälle med stor tillit för vetenskap. Men kollar man närmare är vi kanske så immuna mot pseudovetenskap som vi tror. Förra året släppte föreningen Vetenskap och Folkbildning (VoF) resultatet av en opinionsundersökning (1) som undersökte i hur stor grad svenskar höll med (i det här exemplet, ett helt klart sant) påståenden som ”Det pågår i en global uppvärmning.”  Sedan undersöktes hur graden av acceptans av ett påstående korrelerar med partisympati, utbildningsnivå m.m..

I vissa samhällsgrupper var acceptansen av pseudovetenskap högre än andra, och graden av acceptans var i en del fall förvånansvärt hög. Men generellt så har vi det bättre ställt än i många andra länder. Problem med pseudovetenskap i Sverige verkar i första hand inte ha att göra med att Sverige är speciellt religiöst (det är det inte) som i exempelvis USA, utan snarare ha att göra med någon sorts relativism som sätter likhetstecken mellan naturvetenskap och ideologi och religion.

I rädslan av att tala om för en person att hens världsbild är inkompatibel med etablerad vetenskap kanske man väljer att säga något i stil med att vetenskap bara skulle vara ett sätt att se världen på. Men säger man så ger man en helt fel bild av vad vetenskap är. Vetenskap har inte att göra med hur vi vill att världen ska se ut (ideologi och religion), utan hur världen faktiskt ser ut. När Big Bang-teorin bara var en hypotes sa inte dess förespråkare till förespråkarna av Steady State-hypotesen att

Ni har ju ert sätt att se på Universum, och vi har vårt, men vi beskriver ju samma Universum så inga större problem här inte!

Eftersom detta är vetenskap så var forskarna på båda sidorna intresserade i hur Universum faktiskt ser ut, hur dess historia faktiskt ser ut. De fann med tiden bevis för Big Bang-hypotesen, och förespråkarna av Steady State-hypotesen accepterade fakta och övergav deras hypotes för den evidensbaserade sidan. Att intresset för sanning om sin omvärld överväger vår vilja att måla om världen i vår egna avbild kännetecknar naturvetenskapen. 

Idag publicerades en debattartikel i DN med titeln ”Pseudoteorier jämställs med etablerad vetenskap”, (2) skriven av forskare och debattörer. De kritiserar Skolverkets senaste uppdatering av läroplanen för grundskolan. I den, skriver artikelförfattarna, att Skolverket inte är tydliga nog med att framföra vetenskap som den sanna bilden av Universum. Enligt artikelförfattarna handlar kursplanen istället om att ”belysa i vilka sammanhang och situationer naturvetenskapliga kunskaper är användbara.” Om man bara pratar om när vetenskap är ”användbart” eller inte, men inte vågar gå in på vad etablerad vetenskap (läs: fakta) säger om kreationism och liknande blir det lätt för pseudovetenskap att krypa sig in i skolan.

Artikelförfattarna citerar också vad Skolverket skriver om astrofysik:

Existentiella frågor om universums uppkomst och utveckling behandlas inom såväl modern kosmologi som olika religioner. Genom undervisningen i fysik kan eleverna utveckla förståelse för att skillnaden mellan naturvetenskap och religion inte ligger i vad som beskrivs, utan främst i vilka frågor man ställer och vilka metoder som används för att besvara dem. På så sätt får de möjlighet att väga samman värderingar och sakförhållanden, föra kritiska resonemang och förhålla sig till vad forskare och naturvetenskapens kritiker påstår.

Vad i hela friden betyder det här? Artikelförfattarna menar att naturvetenskap i detta stycke framställs som en ideologi bland många. Det verkar som om principen om att man får tro och tycka vad man vill på något sätt skulle påverka hur världen ser ut och fungerar (vilket är just det naturvetenskapen arbetar med). Det är oerhört tråkigt att det och jag hoppas debattartikeln får spridning och Skolverket tänker till.

Alla har rätt att tro och tycka vad de vill, men alla har ej rätt till egen fakta. Och hur tar vi reda på fakta om Universum? Naturvetenskap.

(1) VoF:s opinionsundersökning: http://www.vof.se/undersokningen-2015/

(2) Debattartikeln i DN: http://www.dn.se/debatt/pseudoteorier-jamstalls-med-etablerad-vetenskap/

Känner mig produktiv!

This is learning: Knowing that you will get it, even if you haven’t gotten it — yet.

Har en tenta i numeriska metoder (har att göra med hur man löser fysikproblem på dator vill man exempelvis simulera Universum på en superdator behöver man en grundförståelse i detta ämne!) i januari och en tenta i matematik i februari. Ofta kan det kännas att det blir för mycket på en gång och då går det verkligen inte bra. Men just nu är det raka motsatsen för mig! Började plugga inför matten, i stort sett från grunden, två dagar sedan och har redan lärt mig typ en tredjedel av kursinnehållet på modelltentorna! :D I numeriska metoder lär jag mig också i rask takt!

Om det är någon känsla jag älskar så är det känslan av att klara av något jag tidigare inte trott var möjligt för mig själv. När jag började studera såg jag inte fram emot den matte jag studerar nu. Den såg fasansfullt komplicerad ut och jag undrade om jag överhuvudtaget var kapabel att förstå mig på den. Men nu sitter jag här och lär mig den utan större problem! :D När man tagit sig över en barriär som känns hög som en skyskrapa känns det lite som att man kan klara allt. De flesta har hört klyschan ”tro på dig själv så klarar du vad som helst!”. Det har blivit lite av ett insiderskämt för mig och mina vänner (även om det kanske är mest jag som drar det..): Ska du ta bussen som går om 2 minuter från en hållplats 3 kilometer från där du är? ”Tro på dig själv så klarar du dig fram i tid! :)”

Med tiden har jag dock börjat inse att klyschan faktiskt stämmer. Det blir mindre av ett internt skämt och mer av ett (om än klyschigt) motto. Det är väldigt lätt att underskatta sin egna potential, och det är just därför man blir så positivt förvånad när det går bra.

Jag använder mig ofta av KhanAcademy när kursboken är ungefär lika pedagogisk som en potatis, eller om föreläsaren kanske mumlar sig genom innehållet (de flesta föreläsarna är dock riktigt bra måste jag säga!). Ofta har jag lärt mig matematik genom KhanAcademy som jag annars inte trodde jag skulle kunna förstå. Videon nedan av KhanAcademy gillar jag därför starkt, även om den kanske säger något självklart: Vi kan lära oss vad som helst. Att det är svårt och att man till en början inte förstår är bara en del av lärandet. Nästan allt som är värt att lära sig är svårt att lära sig!

 

LIV I UNIVERSUM I: Beboeliga världar runt andra stjärnor

Vintergatan med sina hundra(tals) miljarder stjärnor och planeter spridda över tiotusentals ljusår är en ganska stor och rik scen för livets drama att utspela sig på. Men finns det bara en skådespelare? Är vi de enda ”intelligenta” varelserna som utvecklats under Universums miljardåriga historia? Detta har argumenterats om under en väldigt lång tid (1) utan något bevis för eller mot existensen av liv på andra världar. Utan något positivt bevis kan vi inte på vetenskaplig grund påstå att det existerar liv på andra världar. Det finns inget bevis för att det faktiskt existerar bortom vår lilla blåa värld eller att vi blivit ”besökta” av turister från andra världar som UFO-entusiaster ofta påstår. Däremot finns det vetenskapligt grundade argument som i många forskares öron är övertygande nog att indikera att vi antingen förväntansfulla och vetenskapligt ska leta efter liv på andra världar, eller att sökandet inte har någon poäng överhuvudtaget. Dessa argument täcker allt från astrofysik och biologi till sociologi. Eftersom jag själv är en astro-nörd tänkte jag börja med ett inlägg relaterat till beboeliga världar runt andra stjärnor.

Utan världar som tillåter utvecklingen av liv kan vi inte förvänta oss dess existens bortom vår egna värld. Det är ett första steg som gör spekulation om liv bortom Jorden lite mer realistisk. Bara genom att titta runt så förstår vi att Jorden är en ganska trevlig plats för liv att utvecklas på. Det är inte så varmt att allt vatten – som allt liv vi har en erfarenhet av behöver – förångas, eller så kallt att hela Jorden blir istäckt. Vi kan föreställa oss att ifall Jorden hade bildats lite för nära Solen så hade vår planet sett mindre trevlig ut med temperaturer på flera hundra grader, likt Venus. Och om Jorden bildats lite för långt bort från Solen kanske det vore för kallt för liv att utvecklas, som det möjligen är på Mars. Zonen där temperaturen är sådan att rinnande vatten är en möjlighet att existera kallas den beboeliga zonen. Storleken på denna zon avgör hur sannolikt det är att planeter lika Jorden kan bildas. Är denna zon relativt stor är chansen ganska stor att en värld ganska lik vår egen bildas. I så fall skulle vi kunna hitta kusiner till Jorden i våra hemtrakter i Vintergatan, och möjligen i en snar framtid analysera dess atmosfär för tecken av liv. Detta vore något extremt spännande, och som student just nu är det någon man lätt drömmer sig bort om.

Så hur stor är egentligen den beboeliga zonen? Hur exakt måste vi placera en planet runt sin stjärna för att inte allt ska gå åt helvete? I slutet av 70-talet presenterades ett argument för att den beboeliga zonen är extremt smal, och att ifall Jorden bildats lite närmare eller lite längre bort från Solen så skulle inte vi vara här just nu. Michael Hart, då en astrofysiker vid NASA Goddard Space Flight Center, hade programmerat en ganska ambitiös klimatmodell som skulle simulera utvecklingen av Jordens klimat från tiden nära då Jorden bildades, 4.5 miljarder år sedan, upp till nutid (och lite in i framtiden) (2). Hans dataprogram tog hänsyn till Jordens växthuseffekt (som beror på hur mycket växthusgaser, som exempelvis vattenånga, koldioxid och metan, det finns i atmosfären), variationer i Jordens is och molntäcke, produktionen av syre och ozon (som skyddar liv på ytan från farligt UV-ljus) av liv, utvecklingen i Solens ljusstyrka (Solen sken svagare i det förflutna) med mera.

Hart fann att ifall han bara placerade Jorden ungefär 5 % närmare Solen så skulle så mycket vatten förångas att växthuseffekten ökade markant, vilket ökar temperaturen som i sin tur leder till att mer vatten förångas och ökar temperaturen ytterligare. Detta fortsätter tills temperaturen är så hög att världshavet kokar bort och Jorden blir lämnad extremt varm och torr, och något tidigare existerande liv dör ut. När Hart placerade Jorden bara 1 % längre bort från Solen blev resultatet också väldigt extremt, dock det motsatta. Jorden blev mer istäckt vilket leder till att mer Solljus reflekteras bort och kyler ner klimatet, vilket i sin tur bildar mer is och kyler ner klimatet ytterligare. Denna feedback fortsätter tills hela Jorden är istäckt och allt liv dör ut. Jorden utveckling, enligt modellen av Hart har vart en balansgång mellan två effekter som tenderar att destabilisera klimatet och göra Jorden till en helt obeboelig värld.

exoplanet2

Man bör komma ihåg att även planeter som inte är särskilt Jordlika, t.ex. världar med en tunn atmosfär och med is som täcker allt vatten, möjligen kan hysa liv (under ytan i det här fallet). Europa, som inte är en Jordlik värld, ses exempelvis som en av de största kandidatplatserna för liv i vårt Solsystem.

I en artikel det kommande året (3) simulerade Hart utvecklingen av klimatet runt andra stjärnor som utvecklas något annorlunda och kom till samma slutsats. Runt andra stjärnor är den beboeliga zonen enligt Hart smal och sannolikheten att Jordlika planeter bildas liten. I sin slutsats skriver han:

It appears, therefore, that there are probably fewer planets in our
galaxy suitable for the evolution of advanced civilizations than has
previously been thought.

I en senare bok uppskattar han (4) från sina simuleringar att bara omkring var hundrade stjärna har en planet lik Jorden runt sig. Han argumenterar också att vi troligen är ensamma i det observerbara Universum för att vi inte blivit besökta av en annan civilisation (vilket vi borde enligt han, ifall de existerade) samt att livets uppkomst enligt han är osannolikt. Fermis paradox, också ibland kallad Fermi-Hart paradoxen, har sin början dels hos Hart. Det finns dock bra anledningar till att misstänka att den beboeliga zonen runt stjärnor är bra mycket större än uppskattningen av Hart, och att Vintergatan därför kanske kryllar av världar lika Jorden där liv kanske uppstått.

Det största felet med Harts program är att det inte korrekt tar hänsyn till koldioxidcykeln över geologiska tidsskalor. Vulkaner spottar ut stora mängder koldioxid som gör det svårare för värme att lämna Jorden, vilket värmer upp klimatet (växthuseffekten). Koldioxiden lämnar atmosfären genom kemiska reaktioner med bl.a. silikatmineraler som finns exponerade på kontinenterna. Balansen mellan koldioxiden som förs in i atmosfären från vulkaner och koldioxiden som förs bort i kemiska reaktioner bestämmer hur andelen koldioxid i atmosfären över geologiska tidsskalor och därför också växthuseffekten. Kemiska reaktioner sker snabbare vid högre temperaturer och detta är extremt viktigt i stabiliseringen av Jordlika världars klimat, och något som Hart inte tagit hänsyn till.

Föreställ dig att vi placerade Jorden längre bort från Solen. Vad skulle hända då? Förutsatt att vi inte gör några andra ändringar skulle temperaturen sjunka. Men i så fall skulle kemiska reaktioner som för bort koldioxid från atmosfären ske långsammare, vilket betyder att koldioxid skulle bygga upp i atmosfären från vulkaner. Det ökar temperaturen igen och stabiliserar klimatet. Phew! Och om vi placerade Jorden lite närmare Solen skulle temperaturen först öka, vilket gör att kemiska reaktioner sker snabbare, och därför förs koldioxid bort från atmosfären och koldioxidhalten minskar vilket i sin tur leder till en mindre temperaturökning. Stabiliseringen av klimatet via detta temperaturberoende kan vara en del i förklaringen till varför Jorden inte var helt istäckt i det förflutna när Solen sken svagare (”The Faint Young Sun Paradox”) (5), och denna stabilisering kan också förväntas existera på andra geologiskt aktiva ‘steniga’ världar (6).

I en simulering med en modern och väldigt komplex klimatmodell så står Jorden inför Venus öde om vi flyttar Jorden ~ 5 % närmare Solen (7), likt den tidiga studien av Hart. Den yttre gränsen är troligen mycket längre ut än uppskattningen av Hart dock. I den första studien, från 1993 av James Kasting och hans kollegor (8), av den beboeliga zonen där man tar hänsyn till koldioxidcykelns temperaturberoende uppskattade man konservativt att Jorden skulle kunna vara beboelig över 4.6 miljarder år även om den bildats 15 % längre bort från Solen. En ganska dramatisk uppdatering från Harts futtiga 1 %! En uppdatering 10 år senare av Kasting och andra forskare ger liknande större uppskattningar (9). I simuleringar av utvecklingen av atmosfären på så kallade Superjordar – exoplaneter med en större massa än Jorden, men mindre än gasjättarna – där man också tar hänsyn till utvecklingen av planetens inre så får man samma ganska optimistiska resultat (10).

Sammanfattat tyder nutida studier på att den beboeliga zonen är relativt stor och därför antalet Jordlika världar relativt många. Omkring storleksordningen en tiondel eller mer av alla stjärnor du ser på natthimlen kanske hyser en planet som är Jordlik nog att tillåta uppkomsten och utvecklingen av liv. Ett av grundargumenten för att Vintergatan inte skulle vara befolkad av andra livsformer – att det finns för få Jordlika planeter – verkar alltså inte vara ett särskilt vetenskapligt grundat argument. Det betyder inte att det finns intelligent liv ute på andra platser i Vintergatan, men däremot att scenen där livets drama kan utspela sig på är stor nog att åtminstone rymma fler än en skådespelare.

 

Referenser:

(1) Crowe, M. J. (2011) The Extraterrestrial Life Debate, 1750 – 1900, Dover Publications.

(2) Hart, M. H. (1978) The Evolution of the Atmosphere of the Earth, Icarus, 33, s. 23 – 39.

(3) Hart, M. H. (1979) Habitable Zones about Main Sequence Stars, Icarus, 37, s. 351 – 357.

(4) Hart, M. H. (1995) Atmospheric Evolution, the Drake Equation and DNA: Sparse Life in an Infinite Universe

i Extraterrestrials: Where are they?, Cambridge University Press.

(5) Walker, J. C. G. et al. (1981) A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of Earth’s surface temperature, 

Journal of Geophysical Research: Oceans, 86, s. 9776 – 9782.

(6) Abott, D. S. et al. (2012) Indication of Insensitivity of Planetary Weathering Behavior and Habitable Zone to Surface Land Fraction,

The Astrophysical Journal, 756, 2, 178.

(7) Leconte, J. et al. (2013) Increased insolation threshold for runaway greenhouse processes on Earth-like planets,

Nature, 504, 7479, s. 268 – 271.

(8) Kasting, J. F. et al. (1993) Habitable Zones around Main Sequence Stars, Icarus, 101, s. 108 – 138.

(9) Kopparapu, R. K. et al. (2013) Habitable Zones around Main-Sequence Stars: New estimates, The Astrophysical Journal, 765, 2, 131.

(10) von Bloh, W. et al (2009) Habitability of Super-Earth planets around other Suns: Models including Red Giant Branch evolution,

Astrobiology, 9, 6, s. 593 – 602.

Stjärnor, gas och stoft: Vad är Vintergatan gjord av?

Stjärnor, gas och stoft: Vad är Vintergatan gjord av?

Du som läser detta, likt de resterande 7 miljarder människorna på Jorden, befinner dig just nu i en stor samling av stjärnor, gas, stoft och något nytt som vi inte vet mycket om, men kallar ”mörk materia”. Denna samling materia ser vi som ett band som sträcker sig runt en klar natthimmel. Vi kallar denna samling materia för Vintergatan. Hur stor är Vintergatan? Vintergatan är formad som en tunn cylinder uppdelad i spiralarmar. Vintergatans radie är omkring 50 000 ljusår, och den stellära diskens (där de flesta stjärnorna befinner sig) tjocklek 1 000 ljusår. För jämförelse ligger det närmsta stjärnsystemet (stjärnor som kretsar runt varandra  de närmsta stjärnorna befinner sig i ett sådant system), Alpha Centauri, bara synlig som en liten ljus prick från Jorden, över 4 ljusår bort. Vintergatans stora radie och tunna tjocklek förklarar varför vi ser Vintergatan som ett tunt band, och inte något som täcker hela natthimlen.

Även om vi jämför Vintergatans storlek med avståndet mellan oss och Alpha Centauri så är det svårt att greppa dessa enorma avstånd. Allt i vår direkta erfarenhet har handlat om mycket mindre saker. Så tänk om vi ställer följande fråga: Om Vintergatan vore lika stor som Jorden, hur stort skulle då avståndet mellan Solen och Jorden vara? Svaret är att avståndet mellan Solen och Jorden skulle krympa till ynka 2 millimeter.1 Så att säga att vi, vår planet och våra bekymmer skulle vara ”små” i det stora hela är en extrem underdrift.

Stjärnorna uppgör den största delen av den synliga massan i Vintergatan. Omkring hundra miljarder solmassor (Solens massa = 1 solmassa), som motsvarar åtminstone hundra miljarder stjärnor.2 Stjärnorna vi kan se på en klar natthimmel utgör dock bara en oerhört liten bråkdel av de hundra(tals) miljarder stjärnor som befinner sig i Vintergatan. Som mest kan vi bara se några tusen av de närmsta stjärnorna. De flesta av dessa stjärnor har världar precis lika verkliga som vår egna, och en betydlig andel,3 om inte en majoritet,4 av dessa stjärnor kan hysa världar täckta i hav. Vatten ses som en förutsättning för liv, så kanske Vintergatan myllrar av livsformer. Vem vet? Ingen hittills. Men kanske du och jag kommer veta det inom ett par årtionden eftersom det finns planer att söka efter tecken på liv på andra världar genom att analysera andra planeters atmosfärer. Skulle man hitta en större mängd av en molekyl än väntat, och det visar sig vara en molekyl som vi vet att liv på Jorden kan producera så skulle det vara bevis för liv på en annan värld. Vi skulle isåfall ha svarat ja på en fråga vår art har ställt under årtusenden: Är vi ensamma i Kosmos?

Stjärnhopen NGC1846 som kretsar runt Vintergatan på ett avstånd på 160 000 ljusår. Foto: Nasa & The Hubble Heritage Team.

Stjärnhopen NGC1846 som kretsar runt Vintergatan på ett avstånd på 160 000 ljusår. Foto: Nasa & The Hubble Heritage Team.

Vintergatan består inte bara av stjärnor, utan också av enorma mängder gas. Gas utgör en extremt viktig del i Vintergatans utveckling eftersom stjärnor bildas i stora gasmoln som oftast sträcker sig flera ljusår. I Vintergatan är gasmassan av storleksordningen en miljard solmassor, varav omkring hälften existerar i enorma gasmoln.5 Kalla gasmoln, där vätemolekylerna (H2) inte rör sig särskilt snabbt, kan inte hålla gasmolnet stabilt. Molnets egna tyngd vill trycka samman gasen till en mer kompakt form. Med för lite energi hos molekylerna för att hålla molnet stabilt så följer därför en kollaps. Gasmolnet kollapsar och fragmenterar under en tid som troligtvis sträcker sig över miljontals år.

Lite rotation hindrar gasmolnet från att kollapsa helt och hållet och bara bilda stjärnor. Istället leder rotationen av gas till gasdiskar runt de unga stjärnorna där planeter sen kan bildas. Eftersom det finns gott om gas och eftersom vi förväntar oss en liten nettorotation hos dessa moln så förväntar vi oss därför att världar existerar runt en betydlig bråkdel av alla stjärnor.6 Detta har vi, via detektionen av över 1 000 planeter runt andra stjärnor, bevisat stämma.7 Vintergatan är en plats rik på världar.

Vintergatans centrum, som befinner sig ungefär 27 000 ljusår bort från Solen, där man tydligt ser en stor mängd gas. Foto: ESO/S. Guisard (www.eso.org/~sguisard).

Vintergatan är också en plats rik på stoft. Den totala massan av stoft i Vintergatan är av storleksordningen hundra miljoner solmassor och existerar i den enorma volym utrymme som finns bland stjärnorna.8 Stoftet består i huvudsak av partiklar som är en tiotusendels till en tusendels millimeter stora. Med en massa på hundra miljoner solmassor, och där varje partikel antas ha en radie på en tiotusendels millimeter så förväntar vi oss åtminstone en stoftpartikel per ~ 100 kubikmeter.9

Eftersom stoftpartiklars storlek är av ungefär samma storlek som våglängden hos synligt ljus så kan vi fråga oss om inte allt detta stoft kommer hindra ljus från att nå våra teleskop. Svaret är ja, det kommer hindra oss från att se stora delar av Vintergatan (åtminstone i vissa våglängder). Med den mängd stoft i vår galax så förväntar vi oss att nästan allt ljus vi kan se med våra blotta ögon kommer från ett avstånd på mindre än ~ 3000 ljusår.10 Som jämförelse bor vi på en planet runt en stjärna som befinner sig ~ 27 000 ljusår från Vintergatans centrum (där ett enormt svart hål med en massa på ungefär fyra miljoner solmassor håller hus!).

De mörka molnen är mörka just för att de är fyllda av stoft som blockerar ljuset från de närliggande stjärnorna. Om det inte vore för det intensiva UV-ljuset från dessa stjärnor skulle inte dessa moln eventuellt förstöras, utan istället kollapsa och bilda stjärnor och världar. Foto: ESO.

Anledningen till varför vi inte kan kartlägga galaxers position kring hela himlavalvet är att vi har dessa oerhört små stoftpartiklar som blockerar ljuset från galaxer väldigt, väldigt långt borta. När astrofysiker mäter avståndet till andra stjärnor och galaxer måste de också ta hänsyn till existensen av dessa små stoftpartiklar i det interstellära mediet. Pyttesmå partiklar, tunt utspridda mellan stjärnorna i Vintergatan, påverkar alltså vår kartläggning av Universum på de allra största skalorna. Astrofysiken är därför ett ämne där vi inte bara kan fokusera på det stora. Vi måste också tänka på det lilla för att få en korrekt helhetsbild av Universum  något man kanske inte tänker på liggandes under en klar natthimmel.

—— Källor och notiser ——

  1. Om Vintergatan har en radie på $$\cong 5\times 10^{4}$$ ljusår $$ \cong 4.7\times 10^{17}$$ kilometer , och Jorden har en radie på ~ 6400 kilometer, så måste vi krympa alla avstånd med en faktor $$\frac{6400}{4.7\times 10^{17}}\cong 1.4\times 10^{-14}$$ . Eftersom avståndet mellan Jorden och Solen är $$\cong 1.5\times 10^{14} $$ millimeter betyder det att avståndet mellan Jorden och Solen skulle vara $$ \cong \left (1.4\times 10^{-14} \right ) \times \left (1.5\times 10^{14} \right )$$ millimeter $$\cong$$ 2.1 millimeter.
  2. För en kort och väldigt approximativ tabell om massfördelningen i vår galax, se Jones, M. H. & Lambourne, R. J. A. (2003) An Introduction to Galaxies and Cosmology, Cambridge University Press, s. 57.
  3. Se exempelvis Petigura, E. A. et al. (2013) Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars, Proceedings of the National Academy of Sciences, 110, 48, 19273–19278.
  4. Se Hansen, B. M. S. (2014) In situ models for planet assembly around cool stars, International Journal of Astrobiology (first view article).
  5. Jones, M. H. & Lambourne, R. J. A. (2003) An Introduction to Galaxies and Cosmology, Cambridge University Press, s. 13 & 57.
  6. För en bra introduktion, se kapitel 15 (Planet formation) i Lissauer, J. J. & Pater, I. D. (2013) Fundamental Planetary Science: Physics, Chemistry and Habitability, Cambridge University Press.
  7. För en ständigt uppdaterad lista av antalet detekterade exoplaneter, samt dess relevanta parametrar, se http://exoplanet.eu/.
  8. Se fotnot 2.
  9. Låt oss anta att den totala stoftmassan i Vintergatan är $$M_{stoft}\sim 10^{8} M_{\bigodot }$$ och varje stoftkorn antas vara sfäriskt och ha en massa $$m_{stoft}\sim\frac{4\pi }{3}a^{3}\rho_{stoft} $$ där $$a\sim 0.1\mu$$m är radien hos ett typiskt stoftkorn, och $$\rho_{stoft}\sim 2\times 10^{3}\textrm{ kg m}^{-3}$$. Antalet stoftkorn i Vintergatan är då $$N_{stoft}=\frac{M_{stoft}}{m_{stoft}}\sim 2\times 10^{55}$$. Ganksa många! Om vi approximerar Vintergatan som en cylinder med en tjocklek (höjd) på $$H\sim 10^{3}$$ ljusår, och en radie $$R\sim 5\times 10^{4}$$ ljusår så finns det i snitt $$n_{stoft}=\frac{N_{stoft}}{\pi R^{2}H}\sim 3\times 10^{-6}\textrm{ m}^{-3}$$. Detta motsvarar en stoftpartikel per ~ 70 kubikmeter. Det riktiga svaret är $$n_{stoft}\sim 10^{-6}\textrm{ m}^{-3}$$. För en liknande uppskattning från interstellär extinktion, se http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept05/Li/paper.pdf.
  10. Ljus (i vissa våglängder) färdas i snitt en sträcka $$\frac{1}{n_{stoft}\pi a^{2}}\sim 3\times 10^{3}$$ ljusår.

 

Hur stort är egentligen Universum?

Hur stort är egentligen Universum?

Som barn undrar man ofta hur stort Universum faktiskt är. Fortsätter det för alltid i alla tänkbara riktningar? Våra hjärnor har, förståeligt nog, svårt att hantera oändligheten. Allt i vårt vardagliga liv, inklusive riktigt stora objekt som hela vår planet, är ju av ändlig storlek. Så kanske det känns lättare att hantera tanken av ett Universum av ändlig storlek. Men om Universum är av ändlig storlek måste det väl finnas någon sorts “gräns”? Men vad finns bortom den gränsen? Mer rymd och flera stjärnor? Det ointuitiva slår tillbaka med kraft.

Men i naturvetenskapen — inte minst i astrofysiken — tvingas vi lämna våra intuitioner tidigt. Hur hela Universum fungerar styrs inte av våra egna känslomässiga och intuitiva krav. Så frågan om Universums storlek måste besvaras genom att jämföra olika modeller med observationer av Universum. De modeller som inte stämmer överens med observationer slänger man iväg.

Innan år 1917 fanns det dock inga utförliga modeller av hela Universum att slänga iväg eller behålla. Kosmologin — studerandet av Universum i helhet baserat på väl förankrade fysiska principer — var ännu inte utvecklad. Einstein hade bara några år tidigare utvecklat sin nya teori om gravitation, hans allmänna relativitetsteori. Enligt den nya teorin om gravitation så kröks rum och tid (rumtid) av materia och energi! Ett massivt objekt, t.ex. en stjärna, kröker rumtiden mer än ett lättare objekt, exempelvis en planet. I den krökta rumtiden runt ett massivt objekt kan mindre massiva objekt gå i omloppsbana, likt en pingisboll som går i ”omloppsbana” runt den krökta ytan på en trampolin skapad av ett bowlingklot.

Vad som hände år 1917 var att Einstein använde sig utav sin allmänna relativitetsteori för att formulera en modell som beskriver Universum i sin helhet, och inte bara enskilda objekt inom Universum. I Einsteins modell av Universum så är Universum inte oändligt stort. Märkligt nog tillåter den nya teorin om gravitationen ett Universum av ändlig storlek! Men hur går det till egentligen? Finns det någon ”gräns” i hans modell eller vadå? Fantastiskt nog så är svaret nej! Materia kan, som tidigare nämndes, kröka rumtiden. Finns det tillräckligt med materia så kan man få hela Universum så krökt att det bildar något av en tredimensionell sfär. Vad det betyder är att om man bestämmer sig för att färdas i någon riktning tillräckligt länge så kommer man eventuellt tillbaka till den plats man började från! I det här fallet är Universum extremt stort, men ändå av ändlig storlek och innehåller ett ändligt antal stjärnor (idén om andra galaxer hade ännu inte accepterats).

Det fanns dock ett problem. Enligt Einsteins ekvationer så är ett statiskt Universum ostabilt. Antagligen börjar det expandera eller implodera till en punkt. Istället för att acceptera det så introducerade Einstein något som han kallade för en ”kosmologisk konstant” (och vad vi nu ofta kallar för den mörka energin). Den kosmologiska konstanten vill få Universum att expandera, medans gravitationen mellan stjärnor vill få Universum att implodera. De två effekterna tar ut varandra i Einsteins modell, och vi får ett statiskt Universum med oändlig ålder. Det visade sig senare1 också att detta också är ostabilt eftersom den minsta förflyttningen av materian ger en obalans som får Universum att antingen expandera eller implodera.  Dessutom började astronomer på det sena 20-talet att upptäcka att galaxer åker ifrån oss i alla riktningar. Universum expanderar alltså. Det hade alltså visat sig vara så att Einsteins stillsamma Universum inte beskrev verkligheten. Den allmänna relativitetsteorin hade ju dock förutsagt att Universum antagligen bör expandera eller implodera, vilket det nu fanns bevis för. 

Det nya beviset för ett Universum som växer och är dynamiskt gav upphov till födseln av modern kosmologi. Man härledde entusiastiskt modeller som kunde beskriva Universum. Allt från modeller där Universum cykliskt genomgår expansion och kontraktion till modeller där Universum expanderar snabbare och snabbare, eller olika snabbt i olika riktningar. Man började också lägga mycket tid på att försöka ”väga” Universum. Genom att bestämma galaxhopars massor kunde man försöka uppskatta Universums storlek. Ett Universum fyllt med relativt lite materia är oändligt stort — oändligt mycket större än det vi kan se med våra bästa teleskop. Faktum är att våra bästa teleskop bara kan fånga ljus som haft tid att nå våra teleskop. Det kanske låter självklart. Men det betyder att om Universum är av ändlig ålder så kommer vi också observera en ändlig del av ett antingen ändligt eller oändligt stort Universum. Detta är förklaringen till varför stjärnhimlen är relativt mörk och inte bländande ljus (ofta kallad Olbers paradox). Ifall Universum är extremt mycket större än den ”lilla” del vi kan se, och vi hade möjligheten att se så långt vore natthimlen så tätt befolkad av stjärnor och galaxer att vi inte skulle ha mycket av en ”natt” kvar. 

Eftersom vi bara kan observera en liten (eller stor?) del av Universum i sin helhet kan vi inte vara säkra på om det vi ser här är representativt av Universum i sin helhet. Det är av samma anledning man inte kan komma till slutsatsen att Jorden är platt eftersom Jorden verkar vara platt lokalt. Men vi antar att den del av Universum vi kan observera med våra teleskop är relativt typisk. Och med det antagandet och vårt ”vägande” av materia och energi i Universum kan vi komma fram till att Universum i sin helhet är mycket större än den del vi kan se med våra bästa teleskop. De senaste mätningarna av Planckteleskopet tyder på att Universum är väldigt ”platt” till hög precision. Vad som menas med det är att Universum ligger väldigt nära ett gränsfall där det å ena sidan är sfäriskt och av ändlig storlek, och å andra sidan har negativ krökning (likt en sadel) och är av oändlig storlek. 

Den slutsats vi kan dra från det är bara att Universum är ofattbart stort — tillräckligt stort att man i de flesta kosmologiska beräkningarna kan anta att Universum är oändligt stort. Om man använder sig utav de uppmätta parametrarna från Planck med mera så bör Universum ha en omkrets på minst sisådär ~ 1 000 miljarder ljusår (vilket kan jämföras med det synliga Universum som har en radie på ~ 46 miljarder ljusår)!2 Så även om Universum är av ändlig storlek finns det ingen anledning att få klaustrofobiska tankar. Frågan om vad som finns bortom vår horisont, och hur stort Universum faktiskt är, är dock fortfarande obesvarat. Inom den teoretiska kosmologin finns det exempelvis misstankar om att vi lever i ett ”Multiversum”, där vårt ”Universum” bara är en bubbla — paradoxalt nog en oändligt stor bubbla i ett oändligt stort hav av oändligt många sådana bubblor (huvudvärk, någon?) — av flera.  Denna idé är fortfarande relativt spekulativ även om den bygger på en ganska accepterad teori om det tidiga Universum (inflation). Man vill testa detta genom att söka efter ”blåmärken” i den kosmiska bakgrundsstrålningen från det tidiga Universum.3 Att hitta ett eller flera ”blåmärken” skulle tyda på en eller flera kollisioner med andra universa. Det skulle betyda att vi skulle behöva förstora vårt perspektiv ytterligare, vilket har vart en generell trend sen början av den moderna vetenskapen. 

Intressanta tider ligger framför oss med stora potentiella upptäckter som sätter vår planet och våra oroligheter i ett större och rikare perspektiv. Just nu kan vi inte sätta ett nummer — som troligen är så stort att det att vi har svårt att jämföra det med något konkret — på Universums storlek. Vi får just nu nöja oss med att Universum är en enorm plats.

Foto: NASA

Källor:

  1. Eddington, A. (1930). On the instability of Einstein’s spherical world, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (90), 668-678.
  2. Från Friedmann-ekvationen i kosmologin kan man härleda (se t.ex. Kenyon, I. (1990) General Relativity, Oxford University Press) en omkrets lika med 2πc/(H(- Ωk)1/2). Använder vi det värde för Ωk som ger mest krökning, 100Ωk = – 0.10 – 0.65 = – 0.75, samt ett värde på Hubblekonstanten H0 på ungefär ~ 68 km s-1 Mpc-1 = 2.2 x 10-18 s-1, så ger det oss en omkrets på ungefär ~ 1 043 miljarder ljusår. Värdena kan hittas här: http://arxiv.org/abs/1303.5076.
  3. Se exempelvis Aguirre, A. & Kozaczuk, J. (2013). Multiple cosmic collisions and the microwave background spectrum, Physical Review D (87). Preprint kan läsas här: http://arxiv.org/abs/1206.5038.