Universums mörka hemlighet

Transkript

1 Universums mörka hemlighet En kort presentation av neutrinoastronomin av Sverker Johansson Neutrinoastronomi, vad är det, och vad ska det vara bra för? Astronomi har vi väl alla ett visst begrepp om, stjärnor och sådant, men neutrinon hör man kanske inte talas om så ofta. Trots att det faktiskt finns alldeles fullt av neutriner här omkring oss, och i oss, gör de inte så mycket väsen av sig. Sagan om neutrinon började på 30-talet, när fysiker höll på att försöka ta reda på hur radioaktivitet fungerade. Det finns ju flera olika typer av radioaktivitet; de vanligaste kallas för alfa, beta, och gamma (α, β, γ, de tre första bokstäverna i grekiska alfabetet). Alfa- och gammastrålningen ställde inte till några större bekymmer för forskarna, men betastrålningen envisades med att krångla. Den bröt mot en av fysikens mest grundläggande lagar, eller åtminstone såg det så ut. Energiprincipen, att energin alltid bevaras och varken kan förbrukas eller nyskapas, är en av naturvetenskapens hörnpelare -- men i betasönderfall tycktes det försvinna energi, utan att någon kunde komma på vart den tog vägen. Så fysikerna stod inför valet att antingen släppa energiprincipen, och därmed rycka undan mattan under fötterna på praktiskt taget all modern fysik, eller hitta något sätt att bortförklara energibristen. Fysiker är ju inte mer än människor, så det senare alternativet kändes betydligt trevligare. Sagt och gjort hittade Wolfgang Pauli på en ny partikel, som antogs bildas vid betasönderfall, och som kunde bära med sig den borttappade energin. Hittat på nya partiklar har man gjort förr, och senare med, men finessen med neutrinon är att den är praktiskt taget osynlig, och nästan hopplös att detektera, och därför kunde smita iväg utan att märkas. Den här fantasipartikeln döptes till neutrino. Men det var långt ifrån alla som trodde på detta egendomliga påfund -- en partikel som inte syns, och inte går att mäta med något instrument, hur kan man tro på något sådant?? Det tog många år att få folk att acceptera neutrinon, och när det slutligen skedde var det genom att man kom på ett sätt att se den. Den är nämligen bara nästan osynlig -- normalt går en neutrino rakt igenom vad som helst, går utan vidare rakt genom Jordens medelpunkt -- men om en neutrino kan bildas i samband med betasönderfall, så kan den också reagera med en atomkärna i en process som enklast kan beskrivas som baklänges betasönderfall; atomkärnan fångar upp neutrinon i stället för att sända ut den. Men detta är ytterst sällsynt, händer bara en gång på många biljoner att neutrinon träffar kärnan på exakt rätt sätt för att få baklängesreaktionen. Fysiker höll länge på och letade efter detta baklängessönderfall, utan att hitta något. Det var inte förrän 1959, tjugosex år efter att den uppfunnits, som den osynliga blev sedd första gången, och därmed accepterades som en "riktig" partikel. Neutrinon finns, och hela fysikvärlden drog en lättnadens suck -- energin bevarades även i betasönderfall.

2 Men vad har dessa betasönderfall och konstigheter med astronomi att göra? En astronom är, enkelt uttryckt, någon som vill försöka lista ut vad som finns ute i rymden. Detta kan göras på två sätt: Åka dit och titta. Se vad som kommer hit däruppifrån. Den förstnämnda metoden är ju egentligen den pålitligaste, men för allt utom de närmaste planeterna är den uppenbart opraktisk. Därför får den pragmatiske astronomen lugnt sitta ner och ta emot vad som råkar komma hit från rymden. Men vad är det då som kommer hit? Ganska mycket faktiskt, betydligt mer än vi i vardagslag märker. Grovt kan man dela in det som faller ner från himlen i två kategorier: 1. Strålning - Ljus, förstås - Radio & mikrovågor - Röntgen & gammastrålning - Gravitationsstrålning, om den nu finns Materia - Grus och sten -- "stjärnfall" - "Kosmisk strålning", vilket egentligen är partiklar, mest protoner, atomkärnor, och elektroner. - Neutriner Strålningen, framförallt ljus, men även radiovågor, är det astronomer traditionellt använt sig mest av, men på senare år, med nya instrument, har man systematiskt börjat studera även t.ex. gammastrålning, vilket har givit oss mycket ny kunskap om universum. Men... med så mycket annat inkommande utifrån rymden, varför ska man besvära sig med neutrinon, som är så besvärlig och osynlig?? Kan vi verkligen lära oss något från neutrinoastronomin som inte hade gått att få fram på enklare sätt med någon annan metod? Jo, det kan vi faktiskt... Just därför att neutrinon är så "osynlig", och knappast reagerar alls med vanlig materia, så kan man vara säker på att en neutrino som kommer hit har färdats raka vägen från källan, utan att störas i sin bana av något hinder på vägen. Detta är unikt för neutrinon - - all annan strålning och materia som kan komma hit påverkas av vad som finns mellan oss och det vi tittar på. Ljus, och annan strålning, stoppas om det finns för mycket materia i vägen - vissa delar av Vintergatans centrum kan vi inte alls se, därför att det finns mörka moln i rymden som skymmer. Samma sak händer med den kosmiska strålningen, och dessutom störs den av de magnetfält som finns ute i rymden -- en proton som kommer hit har antagligen inte alls gått raka vägen, utan hållit på länge och snurrat runt i Vintergatans magnetfält, så att vi inte alls kan veta var den ursprungligen kom ifrån. En neutrino går rakt genom molnen, utan att märka att de finns, och påverkas inte heller magnetiskt. Även om neutriner är svåra att se, så är de intressanta för astronomin, därför att om vi lyckas se neutriner från rymden så ger det oss en ostörd bild, även av sådant som inte alls är åtkomligt med vanliga astronomiska metoder.

3

4 Hur ska då ett neutrinoteleskop se ut? För att överhuvudtaget märka att en neutrino passerat, så måste man ha en enorm tur -- den där en-gång-på-biljonen-chansen att en neutrino ska krocka med en atomkärna och sätta igång ett baklängessönderfall måste slå in. Men chansen att få till det rätt ökar ju fler atomkärnor man har i sitt teleskop, och ju fler neutriner som passerar genom teleskopet -- alltså ska teleskopet vara så stort som möjligt. Vad som behövs för att se de neutriner vi förväntar oss ska komma från rymden är ett teleskop på ungefär en kubikkilometer (en miljard ton)! Teleskopet ska kunna detektera en neutrinokollision var som helst i denna kubikkilometer, som alltså behöver vara fylld med strålningsmätare av något slag. Men med vanliga strålningsmätare i sådana mängder blir prislappen lite väl astronomisk -- vi behöver en billigare metod. Den bästa vi känner till heter Cherenkovljus. Cherenkoveffekten har sitt ursprung i Einsteins relativitetsteori, som ju säger att ingenting kan färdas snabbare än ljuset. Men Einsteins hastighetsgräns gäller bara ljushastigheten i vakuum ( km/s) -- i luft eller vatten eller annan materia går ljuset långsammare. I vatten t.ex. är hastigheten bara km/s, och här är det faktiskt tillåtet för materiella partiklar att färdas fortare än ljusets hastighet i vattnet, så länge de håller sig under ljushastigheten i vakuum. Vad den gode Cherenkov kom på var att en elektriskt laddad partikel som på så sätt färdas fortare än den lokala ljushastigheten ger ifrån sig en "ljusbang", på precis samma sätt som ett överljudsplan (som flyger fortare än ljudets hastighet) ger ifrån sig en ljudbang. Denna ljusbang kan enkelt detekteras med en ljusmätare, på åtskilliga meters håll om vattnet är någorlunda klart. I stället för att fylla en kubikkilometer med dyra strålningsmätare, kan ett enkelt och billigt neutrinoteleskop byggas genom att fylla kubikkilometern med ett ganska grovmaskigt nät av förhållandevis billiga ljusmätare. Det enda man därutöver behöver är en kubikkilometer av ett genomskinligt material med "lagom" ljushastighet. Några tänkbara alternativ: Glas: skulle i och för sig fungera bra -- men var hittar man en kilometerstor glasbit? Diamant: skulle fungera utmärkt -- men inte ens fysiker har sådana forskningsanslag. Vatten: finns det gott om, men sällan tillräckligt rent och tillräckligt mörkt. Is: lika bra som vatten -- men var hitta en kilometerstor iskub... jo, Antarktis! Inlandsisen på Antarktis är helt perfekt för ett neutrinoteleskop -- tre kilometer tjock is, ren och fin och genomskinlig, bara man kommer ner under det allra översta skiktet. Där tänker vi bygga vårt teleskop, mitt under Sydpolen. AMANDA -- Antarctic Muon And Neutrino Detector Array. Vi är en grupp forskare, från tre olika universitet i USA (Berkeley, Irvine, Madison), samt från Stockholm, Uppsala, och sist men inte minst Jönköping, som tillsammans tänker bygga neutrinoteleskopet AMANDA. Bilden visar hur det är tänkt att se ut -- kablar med ett antal ljusmätare hängande sänks ner i hål borrade i isen till ungefär en kilometers djup. Idag finns ett hål med några få mätare, som installerades på prov för

5 att se om tekniken fungerade, och det gjorde den helt enligt förväntningarna. I år tänker vi göra tre hål till, och sedan flera efter hand som vi får anslag, tills vi är uppe i den där kubikkilometern. Men redan med tre hål ska det gå att använda teleskopet, om än med lägre effektivitet -- de starkaste neutrinokällorna ska vi kunna se redan nästa år. Det är ingen tillfällighet att neutrinon i bilden är ritad i en bana underifrån, upp genom Jorden -- detta är antagligen det första teleskopet i historien avsett att riktas nedåt, rakt ner i marken. Neutrinon går ju rakt genom Jorden, men det finns det ingenting annat som gör, och därför kan vi vara ganska säkra på att det som kommer nerifrån är en neutrino. Sydpolen Sydpolen ca 1 km kabel ner i isen ljusmätare Neutrino kollision med atomkärna Neutrino som gått genom Jorden Vilka frågor kan neutrinoastronomin besvara? Har universum ett slut? Vad händer i solens inre? Hur kan s.k. kvasarer lysa som miljarder solar? Varifrån kommer den kosmiska strålningen? Vad... Var... Hur... Listan kunde göras mycket längre... Och sist men inte minst: har naturen några överraskningar i beredskap åt oss på detta jungfruliga forskningsfält? Universums undergång Vårt universum expanderar i snabb takt idag, efter att ha startat i en stor explosion för kanske miljarder år sedan. Men hur ser framtiden ut? Kommer det alltid att fortsätta expandera, eller kommer expansionen att bromsas upp. och vad händer då? Det enda vi känner till som skulle kunna stoppa expansionen är tyngdkraften -- om universum innehåller tillräckligt mycket massa (eller mera exakt uttryckt har tillräckligt

6 hög densitet) skulle detta hejda expansionen. Ett mått på universums täthet fås om man lägger ihop vad alla kända stjärnor och andra himlakroppar väger. Den summan blir dock för liten, och om all materia verkligen finns i stjärnor och liknande kommer universum att expandera utan gräns. Det finns dock goda skäl att tro att det finns mer materia i universum än vad som är uppenbart för ögat, och denna "mörka materia" skulle kunna räcka för att få universum att sluta expandera och i stället kollapsa. Det finns ett otal olika teorier för vad denna mörka materia skulle kunna bestå, allt från svarta hål till tunga (just det!) neutriner. Flera av dessa teorier har konsekvenser för neutrinoflödet genom Jorden, och skulle kunna prövas med hjälp av ett neutrinoteleskop. Solens inre angelägenheter Solen lär ju få sin energi från fusion av väte till helium, inne i solens kärna. Detta är dock svårt att studera direkt, det ljus vi får från solen kommer från dess yta, långt från händelsernas centrum. Men en biprodukt från fusionen är ett stort antal neutriner, som fritt strömmar ut från solens inre och kommer direkt hit. Det allra första neutrinoastronomiexperimentet startade kring 1970 i USA i ett försök att observera dessa neutriner från solens fusion. Experimentet fungerade, såtillvida att man såg ett neutrinoflöde -- men det kom inte alls lika många neutriner som det enligt teorin borde göra. Flera nya experiment pågår, men problemen kvarstår -- antingen är det något skumt på gång inne i solen, eller så händer det neutrinerna något på vägen hit. Vårt teleskop kan dock inte direkt se solneutrinerna, vi är mer inriktade på neutriner med högre energi, men vi kan kanske ändå bidra med en del ledtrådar genom att testa om en neutrino verkligen går helt opåverkad genom Jorden -- om vi ser att en liten bråkdel av dem störs på vägen kan detta förklara dem som saknas från solen. Kvasarer En kvasar är det ljusstarkaste objekt vi känner till i universum -- skiner lika starkt som miljarder solar (tur att alla kvasarer finns på betryggande avstånd!) -- och astronomerna är ännu inte helt säkra på var de får all energi ifrån. Den ledande teorin talar om ett svart hål i kvasarens centrum, som suger åt sig all omgivande materia. När materian accelereras in i hålet skickar den ut mycket kraftig strålning, vilket skulle förklara kvasarernas uppträdande. En förutsägelse från den här teorin är att neutriner med mycket hög energi ska flöda ut från kvasarerna -- dessa skulle vi enkelt kunna observera, om teorin stämmer. Kosmisk strålning Den vanliga kosmiska strålningen består huvudsakligen av protoner (vätekärnor). En del kommer från solen, men mycket kommer också från okända källor i yttre rymden. Protonerna, som ju är laddade partiklar, har störts så mycket i sina banor av magnetfält i rymden att det inte går att spåra dem tillbaka till källan. Det finns några olika teorier för hur och var de skulle produceras; det intressanta för oss är att flera av dessa teorier förutsäger att det kommer neutriner från samma källor.

7 Neutrinoastronomi igår, idag, och i framtiden Neutrinoastronomi har hittills bara bestått i specialbyggda instrument för att mäta solneutrinoflödet, som inte är användbara till något annat. Idén att bygga ett neutrinoteleskop för andra typer av neutrinokällor väcktes på allvar inte förrän 1987, när en supernova exploderade i Lilla Magellanska molnet. Denna supernova sände ut en skur av neutriner, som uppfångades "av misstag" i en serie instrument byggda för ett helt annat ändamål (jakt på protonsönderfall). Detta bevisade att mätbara mängder neutriner faktiskt kommer hit från världsrymden emellanåt. Flera projekt drogs igång, i större eller mindre skala, men alla befinner sig ännu på planerings- eller prototypstadiet. Vårt projekt har för närvarande mycket goda chanser att bli det första fungerande neutrinoteleskopet i full skala, när vi kommer igång i början av Sedan får vi se... kanske det visar sig att alla teorier om neutriner från kosmos var fel, och vi ser ingenting, och då lär det inte bli fler neutrinoteleskop -- eller så hittar vi den mörka materian eller något annat i Nobelprisklass, och då har vi grundlagt en ny och fruktbar gren av astronomin. Det är det som är spännande med att ge sig in på ett nytt och dynamiskt område, ingen vet vart forskningen ska leda.