Vindue mod det ekstreme univers
GLAST satelliten skal til at åbne et uudforsket område af det elektromagnetiske spektrum – faktisk lige det område, hvor tegn på mørkt stof og andre mystiske fænomener kan vise sig
William B. Atwood, Peter F. Michelson & Steven Ritz*
Overtrædelser af Speciel Relativitet
I foråret 2008 vil forskerne åbne dramatisk nye udsigter til universet. NASA planlægger opsendelsen af Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST) for at udforske eksotiske miljøer som supermassive sorte huller og neutronstjerner, som frembringer enorm kraft i højenergi gammastråler. Omkring på samme tid vil Large Hadron Collider (LHC) på CERN, det europæiske laboratorium for partikelfysik nær Geneve, begynde at give en enestående udsigt til naturens fundamentale byggesten og deres vekselvirkninger på de mindste afstande. GLAST kan undersøge nogle af de samme mikroskopiske fænomener som LHC gør og vise os hvordan disse processer virker i deres naturlige kosmiske omgivelser. Så spændende og revolutionære tider er sjældne i videnskaben. Gamma stråler er elektromagnetisk stråling i den højeste ende, eller korteste bølgelængde, af det elektromagnetiske spektrum. Gamma-stråle fotoner er enormt meget mere energirige end optisk lys eller selv røntgen stråler og hver af dem bærer så megen energi, at det er muligt at omdanne noget af den energi til stofpartikler gennem processer, som antydes af Albert Einsteins berømte E = mc2 forhold. Den overraskende rige og varierende gamma-stråle himmel er meget anderledes end den, vi oplever med vores øjne. Den tilsyneladende stille nattehimmel bliver til en stor kedel af supermassive sorte huller, der slynger stof ud i rummet med næsten lysets hastighed, massive stjerneeksplosioner og deres svagt skinnende efterglød, hypertætte neutronstjerner med kæmpemæssige magnetiske felter og galaksens højenergiglød fra kollisioner af ladede partikler kendt som kosmiske stråler. Kosmiske gamma stråler kunne også komme fra annihilation af de eksotiske partikler, der udgør det mystiske mørke stof. LHC søger at skabe disse partikler i laboratoriet. Muligheden for gamma-stråle astronomi blev forudset af den afdøde fysiker Philip Morrison (også tidlige skribent i Scientific American) i et frugtbart papir fra 1958. Han bemærkede, at optisk lys, inklusiv stjernelys, faktisk er genbehandlet udståling, der kun indirekte er forbundet med sin oprindelige kilde, sædvanligvis kerneprocesser og processer inde i kernen, der finder sted ved meget højere energier. Faktisk er gamma-stråle udståling meget nærmere ved de underliggende astrofysiske processers energi. Den identificerer i sig selv steder med ekstreme fysiske forhold og bærer direkte information om, hvad der hænder der. Gamma stråler har normalt intet besvær med at krydse det meste af det synlige univers - milliarder af lysår - men de plasker på vor atmosfære. Når de gør det, omdanner de deres energi til byger af partikler med lavere energi. For gamma stråler med den allerhøjeste energi - over ca. 100 milliarder elektronvolt (GeV), for at bruge partikelfysikernes standard energienheder - er signalet fra de atmosfæriske partikelbyger stort nok til at kunne modtages af særligt konstruerede, jordbaserede observatorier. Men under denne energiskala skal forskerne opsende specielle teleskoper i rummet. Som ved de fleste astrofysiske undersøgelser påvirker rigdommen af gamma-stråle udsendelser forskningen begge veje: den ene forskers signal er en andens uønskede baggrundstøj. Når forskerne jager vidnesbyrd om nye fænomener, skal de først udelukke almindelige astrofysiske tolkninger af data. Med denne advarsel kan fysikkens dybe spørgsmål i øjeblikket kun besvares af astrofysiske observationer af den slags GLAST snart vil udføre.
ÅBNING AF VINDUET
Fra EGRET til GLAST til FERMI Når det drejer sig om at studere universet ved høje energier, kræver de videnskabelige spørgsmål og eksperimentelle teknikker både partikelfysikeres og astronomers ekspertise. Konvergensen af disse traditionelt distinkte discipliner er en af de vigtige tendenser i de fysiske videnskaber i de sidste to årtier [se "When Fields Collide," af David Kaiser; Scientific American, juni], [Når felter kolliderer]. Vi tre er vidnesbyrd om det. Atwood og Ritz har baggrunde i pertikelfysik og Michelson er astrofysiker og medlem af det hold, der udviklede Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET), som fløj på NASAs sidste store gamma-stråle satellit, Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Det primære instrument på GLAST, Large Area Telescope, skylder sin oprindelse til et seminar Michelson gav på Department of Energy's Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i 1991. Under efterfølgende diskussioner, som Michelson og Atwood havde med medlemmer af SLAC's nyligt dannede partikel astrofysik gruppe, ledet af Elliot Bloom, lagde Atwood grunden til LAT konstruktionen. Han foreslog tilpasning af silicium-baserede partikel detektorer, hvis udvikling blev drevet af Superconducting Super Collider projektet til brug i gamma-stråle teleskoper. Selv om collider projektet døde, lever dets teknologi videre i GLAST. Et andet instrument på GLAST observatoriet, Burst Monitor, udviklet af et hold ledet af Charles Meegan fra NASA Marshall Space Flight Center, overvåger himlen efter udbrud af stråling i energibåndet under det, der dækkes af Large Area Telescope. GLAST projektet trækker på ekspertisen og indsatsen fra forskere, ingeniører og teknikere i U.S.A., Frankrig, Tyskland, Italien, Japan og Sverige. Sammenlignet med EGRET vil Large Area Telescope indsamle mere end 100 gange antallet af gamma stråler. Dets synsfelt kan sammenlignes med det menneskelige øje og det ser omkring 20 procent af himlen ad gangen. På to kredsløb omkring Jorden, som tager omkring tre timer, vil GLAST dække hele himlen. Denne evne er især vigtig for at finde flygtige kilder, der var en egenskab ved den gamma-stråle himmel EGRET observerede. I løbet af få dage vil GLAST opnå den samme kildefølsomhed, som EGRET var år om at nå. Large Area Telescope og Burst Monitor dækker tilsammen en faktor på mere end 10 millioner i energi tværs over det elektromagnetiske spektrum.
ET TELESKOP UDEN LINSER
Med et så stort spring i evner vil GLAST bringe vigtige nye indsigter i supermassive sorte huller og neutronstjerner, som frembringer enorm kraft i gamma stråler. Den vil forbedre EGRET's arbejde enormt, da EGRET ikke kunne identificere to trediedele af de gammakilder, den detekterede. Satelliten finder måske også signaturen af fænomener udover partikelfysikkens Standard Model og giver en afprøvning af Standard Modellens processer i ekstreme omgivelser. Her er en liste over nogle af de eksotiske muligheder. (GLAST er omdøbt FERMI, o.a.)
Siden 1930'erne har astronomer vidst, at der er mere i universet end man kan se med det blotte øje. Galakser, der bevæger sig rundt inde i hobe af galakser, og stjerner, der bevæger sig rundt inde i galakserne, flytter hurtigere, end det synlige stofs masse indebærer, hvilket viser, at en enorm mængde usynligt stof trækker i dem. Fysikerne har imidlertid erkendt, at udvidelser af Standard Modellen måske kan give svar på, hvad dette stof er. Den mest populære af disse udvidelser involverer en hypotetisk side af naturen, der kaldes supersymmetri. Det er et af de vigtigste mål for LHC at lede efter den (se "The Dawn of Physics beyond the Standard Model," af Gordon Kane; Scientific American, juni 2003). Supersymmetrisk mørkt stof partikler er ikke virkelig mørke. Skønt de måske ikke vekselvirker særlig meget med almindeligt stof og lys, menes de at have den interessante egenskab, at de er deres egne antipartikler. Så nårsomhelst to af disse partikler mødes, annihilerer de og omdanner deres store masser til energirige partikler - inkluderende gamma stråler. Tricket vil være, at skelne denne stråling fra lignende udstrålinger fra andre kilder. Man ved så lidt om mørkt stof, at vurderinger af intensiteten og energien af dets gamma output strækker sig over et enormt område.
I de tydeligste tilfælde resulterer annihilationen i blot to gamma-stråle fotoner, hvis energi er lig med massen af det sorte stofs partikler, som nu menes at være omkring nogle få hundrede GeV. Denne situation er mørkt stof versionen af den distinkte 511 kilo-elektronvolt (keV) gammaer, der produceres, når elektroner og deres antistof partnere, positroner, annihilerer. Når astronomer ser gammaer på 511 keV, ved de, at positroner må være involverede. Hvis astronomer på samme måde ser for mange gammaer med energi i 100-GeV området, vil de vide, at mørkt stof må være involveret. Selv om tolkningen af et sådant signal ville være utvivlsom, er chancen, for at den ville være stærk nok til at observere, meget lille. Det meste af den energi, der frigives ved mørkt stof annihilation, ville dukke op over et bredt energiområde. Uheldigvis ville dette signal sidde ovenpå den meget mere udbredte gamma stråling, som produceres, når kosmiske stråler kolliderer med interstellar gas og strålingsfelter. I dette tilfælde ville det, at se mørkt stof signalet, svare til at anstrenge sig for at se stjerner i skinnet fra byens lys. Heldigvis burde gammaer fra mørkt stof have et andet spektrum og befolke himlen i et distinkt mønster. De burde f.eks. klumpe sammen i galaksers centrum. Disse kendetegn vil hjælpe ved deres detektion. GLAST's data vil passe pænt med samtidige partikelfysik målinger. LHC frembringer måske nye partikler, måler deres masse og bestemmer, hvor stærkt de vekselvirker med andre partikler. Disse partikler vil være kandidater til mørkt stof. GLAST kan så bestemme, hvilken rolle disse nyligt fundne partikler spiller i universet som helhed. Alle sådanne partikler vil undslippe fra acceleratoren for hurtigt til, at fysikerne kan finde ud af, om de er stabile, så GLAST's data vil være afgørende for at bestemme, om partiklerne kan leve længe nok til at tjene som mørkt stof. GLAST vil også passe sammen med indsatsen for at detektere det mørke stof direkte, når det strømmer gennem vor planet [se "The Search for Dark Matter," af David B. Cline; Scientific American, marts 2003] [Eftersøgningen af mørkt stof].
Speciel relativitet og kvantemekanik, den moderne fysiks teoretiske støttepiller, har været forbundne på dybe måder, men indarbejdelsen af generel relativitet - og derfor gravitationens kraft - forbliver et igangværende arbejde. En bemærkelsesværdig forudsigelse dukkede op i 1970'erne, da Stephen Hawking fra University of Cambridge og hans kolleger sluttede, at kombinationen af gravitation med kvantefluktuationer i energi ville betyde, at sorte huller er ustabile. Disse legemer skulle udstråle partikler, hvis energi ville stige, når hullet krymper og føre til en løbsk reaktion og med tiden en dramatisk eksplosion [se "Quantum Black Holes," af Bernard J. Carr og Steven B. Giddings; Scientific American, maj 2005].
HVAD ER STOFFET?
Denne proces er for langsom til at påvirke store sorte huller bemærkelsesværdigt, men hvis forholdene var de rette i det tidlige univers til at lave sorte huller, kunne nogle være små nok til at eksplodere idag. Skønt de allermindste allerede ville være fordampet, ville dem med en masse på 1012 kilogram - svarende til en lille asteroide - vare omkring 14 milliarder år. Hvis så små sorte huller blev produceret (og det er fair at sige, at mange af vore kolleger er skeptiske), har GLAST således en mulighed for at observere en proces, der på en dyb måde forbinder kvantemekanik og gravitation.
Bestræbelser på at udvikle sådanne teorier har ledt nogle fysikere til at postulere, at vort tredimensionale univers er indesluttet i et rum med yderligere dimensioner. I visse versioner af disse teorier ser vi ikke de ekstra dimensioner, fordi stof og ikke gravitationelle kræfter som elektromagnetisme er begrænsede til vort tredimensionale rumfang. Gravitationen står imidlertid ikke overfor en sådan indskrænkning. Graviton partiklerne, der transmitterer gravitationen, kan have fætre, kaldet Kaluza-Klein gravitoner, der udbreder sig gennem et højere dimensioneret rumfang. Hvis disse dimensioner er tilstrækkeligt store i størrelse, vil de ændre gravitationens adfærd på måder, som GLAST (og måske ogsÅ LHC) kan detektere. [se "The Universe's Unseen Dimensions," af Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos og George Dvali; Scientific American, august 2000] [Universets usete dimensioner]. For eksempel kunne supernova eksplosioner pumpe noget af deres energi ind i disse eksotiske gravitoner, som derefter ville henfalde til andre partikler, navnlig gamma stråler. EGRET ledte efter sådanne virkninger og så ingen, hvilket førte fysikerne til at konkludere, at ikke mere end omkring 1 procent af supernova energien kunne ende i Kaluza-Klein gravitoner. GLAST vil se mange flere sådanne objekter med meget større følsomhed og, i det mindste, udelukke versioner af disse ekstra-dimensionelle teorier.
4. Overtrædelser af speciel relativitet En hjørnesten i speciel relativitet er, at lysets hastighed i et vakuum er uafhængig af bølgelængde. Højenergi (kort bølgelængde) og lavenergi (lang bølgelængde) fotoner burde alle bevæge sig med samme hastighed. Denne bestandighed er en manifestation af et dybt princip kaldet Lorentz invarians (uforanderlighed, o.a.), det matematiske udtryk for Einsteins princip, at fysikkens love er de samme for alle observatører, der bevæger sig med konstant hastighed. Men holder dette princip virkelig? I en kvanteteori for gravitation ville det måske ikke. Universets form på små skalaer kan måske fluktuere og højenergi fotoner ville være mere følsomme for disse forstyrrelser end fotoner med lavere energi. En analogi er, at en barnevogn med små hjul er mere følsom overfor belægningens form end en lastbil med store dæk. Når højenergi fotonerne bevæger sig gennem forstyrrelserne, ville de skulle rejse en forholdsmæssig længere eller kortere afstand, hvilket ville forlænge eller forkorte turen gennem universet [se "The Search for Relativity Violations," af Alan Kostelecky; Scientific American, september 2004]. Den bedste måde at måle meget små forskelle i hastighed er at holde et meget langt væddeløb: jo længere væddeløbet er, jo større bliver forskellen i ankomsttider ved mållinien. Naturen udfører netop et sådant væddeløb hver gang et gamma-stråle udbrud går igang. Udbruddet udløser pulser af fotoner med forskellige energier; fotonerne kan rejse milliarder af lysår for at nå os.
ER RUMTIDEN SOM SKUM?
EGRET detekterede kun seks udbrud indenfor dens synsfelt og kun en håndfuld fotoner for hvert udbrud. GLAST vil med sikkerhed opsamle mange flere. Den vil være i stand til at søge efter tidsforskelle i ankomsten af høj- og lavenergi gamma stråler fra udbrud i et område af afstande fra os. Nogle modeller forudsiger forskelle på 10 millisekunder eller mere, som kan opløses af GLAST. Hvis satelliten detekterer en forskel, vil fysikerne først skulle udelukke mere konventionelle astrofysiske forklaringer, som virkninger inde i selve de stjerner, der er i udbrud. En prøve vil være, hvorvidt tidsforskellen vokser støt med kosmisk afstand; hvis den gør, vil det så tvivl om de fleste konventionelle forklaringer. En anden prøve vil være, hvorvidt den samme tidsforskel hænder for gamma stråler fra objekter af forskellige typer, ikke blot gamma-stråle udbrud men også det blændende lys frembragt af supermassive sorte huller.
5. Stof under ekstreme forhold At forstå de ovennævnte fænomener ville kræve nye fysiklove. Men forskerne kæmper med bare at anvende de love vi allerede har og her vil GLAST også blive meget vigtig. For eksempel synes supermassive sorte huller at være almindelige i galaksers centrum og er dybt forbundet med fødselen og udviklingen af deres værtsgalakse. Når det sorte hul i galaksens centrum vokser ved tilvækst af omgivende gas, kan galaksens kerne tænde og blive til en aktiv galaktisk kerne (AGN). AGN'er er en af hovedkilderne til gamma stråler i universet. Disse sorte huller afgiver ikke gamma stråling direkte. I stedet udløser de kraftige stråler af energirige partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed og så kolliderer med fotoner med lavere energi og løfter disse fotoner til gamma-stråle energier. Astrofysikere mener strålerne dukker frem langs et roterende sort huls spindakse og drives ved at udtrække hullets rotationsenergi. Energioutput i gamma stråler alene kan være op til samme størrelse som energioutput fra alle stjernerne i vor galakse tværs over hele det elektromagnetiske spektrum. Hurtigt roterende neutronstjerner er kun en tak ned fra sorte huller på skalaen over eksotiske kosmiske objekter. Nogle af disse objekters magnetfelter er blandt de stærkeste kendt i naturen og de er hjertet i systemer, der kan accelerere ladede partikler til energier, der langt overskrider, hvad LHC kan klare [se "Magnetars," af Chryssa Kouveliotou, Robert C. Duncan og Christpher Thompson; Scientific American, februar 2003]. Usædvanlige partikel reaktioner kan foregå nær overfladen af disse objekter og gamma stråler giver den bedste måde at undersøge dem pÅ. CGRO detekterede gamma stråling fra seks unge neutronstjerner i Mælkevej galaksen. Baseret på de bedste opdaterede teoretiske modeller forventer vi, at GLAST vil detektere måske 10 gange så mange eller flere. Et af de største mysterier i astrofysik i de sidste årtier er gamma-stråle udbruds natur; de er meget korte glimt af højenergi stråling, der kommer fra tilfældige retninger på himlen og kun dukker op en gang for aldrig at blive set igen [se "The Brightest Explosions in the Universe," af Neil Gehrels, Luigi Piro og Peter J.T. Leonard; Scientific American, december 2002]. I de senere år har astronomerne gjort enorme fremskridt i at afsløre kilderne til disse kosmiske eksplosioner. De synes at opstå enten under fødslen af sorte huller i kernen af døende massive stjerner eller fra sammensmeltningen af binære neutronstjerner eller sorte huller. Faktisk kan begge mekanismer være i gang for forskellige klasser af udbrud. GLAST er enestående udstyret til at løse disse mysterier. Der sker en ekstraordinær ting ved høje energier: lys kan vekselvirke med lys. Ved lave energier passerer to lysstråler lige gennem hinanden uden at bemærke det, men ved høje energier gør kvantevirkninger dem mere snaksalige. Når gamma stråler f.eks. passerer gennem rummet, vekselvirker de med stjernelys og frembringer elektron-positron par. De optiske fotoner virker derved som en dis, gammaer skal passere igennem og gør derved universet uigennemsigtigt for gamma stråler med høj energi fra kilder på store afstande. GLAST kan måle eller indskrænke, hvor meget optisk og ultraviolet lys der må fylde rummet ved at måle gamma spektret fra et stort antal aktive galakser. Fra mængden af lys kan den derefter fastslå hvordan stjernedannelsens hastighed har varieret med den kosmiske tid [se "The Cosmic Reality Check," af Gynther Hasinger og Roberto Gilli; Scientific American, marts 2002].
Historisk har store spring i måleevne ofte afsløret uventede egenskaber ved naturen. For eksempel observerede CGRO et meget mærkeligt fænomen i 1994. Femoghalvfjers minutter efter et gamma-stråle udbruds begyndelse detekterede satelliten en ensom gamma foton med en vældig stor energi pÅ 18 GeV, den energirigeste gamma, der nogensinde er set fra et udbrud. Teoretikere har lige siden spekuleret på, hvad denne hændelse siger om udbruddenes fysik. Hvem ved, hvad den kommende æra med opdagelser vil bringe? Kun baseret på ekstrapolation fra tidligere generationer af rumbaserede gamma-stråle observatorier vil GLAST med sikkerhed løse mange af nutidens presserende spørgsmål om højenergi universet, men ingen ved, hvad man ellers vil se gennem det vindue, den åbner.
The Edge of Infinity: Supermassive Black Holes in the Universe. Fulvio Melia. Cambridge University Press, 2003.
Very High Energy Gamma-Ray Astronomy. Trevor C. Weekes. Taylor and Francis, 2003.
Dark Cosmos: In Search of Our Universe’s Missing Mass and Energy. Dan Hooper. Harper Collins, 2006.
The First GLAST Symposium Proceedings. Redigeret af Steven Ritz, Peter Michelson og Charles A. Meegan. AIP Conference Proceedings, Vol. 921: august 2007.
Mere information om GLAST kan findes på missionens Web sted: http://www.nasa.gov/glast
* William B. Atwood, Peter F. Michelson og Steven Ritz er del af det store, internationale hold forskere, ingeniører og teknikere, der gør GLAST til en realitet. Atwood, som i øjeblikket er professor på University of California, Santa Cruz, har arbejdet på talrige partikelfysik eksperimenter, inkluderende SLAC eksperimentet, der tilskrives at have opdaget kvarker. Han bygger også violiner, mere end 50 instrumenter bærer hans mærke. Michelson er professor på Stanford University og hovedundersøger for GLAST Large Area Telescope. Han startede sin videnskabelige karriere med at studere superledning og vendte sin interesse mod astrofysik efter at have udviklet instrumenter til detektion af gravitationsbølger. Ritz er astrofysiker på NASA Goddard Space Flight Center og professor ved University of Maryland og GLAST projektforsker. Han komponerer også musik.
Fra Window on the Universe, Scientific American december 2007, siderne 28-35.
7. januar, 2009.
|
||||||||||||||||||||||||||||
