9789180739047

EN GLIMT AV UNIVERSUM

Fredrik Wallgren

En glimt av universum

Utgiven av Visto förlag, Lerum, 2024 www.vistoforlag.se | info@vistoforlag.se

© Fredrik Wallgren

© Omslag: iStock.com/Kurguzova

Faktagranskare: Fredrik Wallgren

Grafisk form: Sandra Stridh, Visto förlag

Första upplagan

Tryckt i Riga, 2024

ISBN: 978-91-8073-904-7

EN GLIMT AV UNIVERSUM

Fredrik Wallgren

FÖRORD

Den som inte fascineras av universum har inte ägnat det tillräckligt mycket tanke! Det allmänna intresset för rymden kan förvisso ha påverkats negativt av vårt moderna samhälle, där de flesta bor i städer med ett överflöd av elektriskt ljus som effektivt förstör en magisk natthimmel och tar bort all känsla av närhet till stjärnorna. Likväl har vår kunskap om universum ökat enormt under det senaste århundradet, och det mesta av den kunskapen har vi fått genom att analysera ljuset från stjärnorna. Det är kunskapen att tolka informationen i ljuset som har givit oss vetenskapliga fakta om hur gammalt universum är, vad det består av och hur det har utvecklats, frågor som förr bara hade vidskepliga och religiösa svar.

Den här boken är tänkt att ge en översiktlig beskrivning av den förståelse vi har av universum idag och hur vi har kommit fram till det vi vet. Även om den övergripande beskrivningen är allmänt vedertagen så ligger en del av de områden boken adresserar i forskningens framkant och är därför fortfarande föremål för vetenskaplig debatt. Jag har försökt att hitta en balans mellan högt och lågt för att slippa krångla in mig i detaljer som riskerar att leda till felaktiga beskrivningar och samtidigt göra boken lärorik och intressant. Trots den kvarvarande risken för felaktigheter tror jag att boken skulle förlora på att inte innehålla försök till förklaringar av områden som är tekniskt komplicerade och svåra att förstå. Avsikten är att det som beskrivs i boken i allt väsentligt är samstämmigt med den allmänt vedertagna vetenskapliga synen på universum 2024.

INLEDNING

Vi vet att vi lever i ett universum som skapades för 13,8 miljarder år sedan, att det idag består av flera hundra miljarder galaxer där Vintergatan är en av dessa med upp till 400 miljarder stjärnor, och att universum hela tiden expanderar. Vi har lärt oss hur stjärnor föds och dör och hur de olika utvecklingsfaserna däremellan kan användas som grund för att klassificera och gruppera dem. Vi känner till och kan beskriva de processer som skapar universums grundämnen, och har utvecklat observations- och analys-metoder som har gjort det möjligt att se in i universums mest avlägsna delar och förstå allt fler detaljer i dess utveckling.

Inom astronomin är det framförallt relativitetsteorin och kvantmekaniken som ligger till grund för de modeller vi använder för att förstå det vi observerar. Genom den allmänna relativitetsteorin vet vi hur gravitationen påverkar både rummet och tiden omkring oss, och Einsteins formel E = mc2 säger oss att materia och energi är sinsemellan utbytbara. Kvantmekaniken förklarar hur sub-atomära transitioner1 hela tiden sker i atomernas värld och bl.a. skapar den elektromagnetiska strålningen som är den huvudsakliga källan till vår kunskap om universum. Till detta kommer mörk materia och mörk energi, som vi inte kan se, inte mäta och inte riktigt förstår. Den mörka materian och energin behövs för att komplettera bilden vi har av universum så att den blir logiskt konsistent och överensstämmande med empiriska data. Forskare tror att universum idag

1 Med sub-atomära transitioner menas växelverkan mellan atomernas beståndsdelar och deras omgivning.

består av 5 % ”vanlig” materia, 26 % mörk materia och 69 % mörk energi.

I följande kapitel ska jag försöka ge en översikt över det vi idag anser oss veta om universum, och göra det på ett så lättfattligt sätt som möjligt. Jag börjar med en genomgång av vårt ”närområde”.

VÅRT SOLSYSTEM

Förutom solen, planeterna och månarna så utgörs vårt solsystem av mindre objekt, alltifrån gaser och stoft till relativt stora ”stenblock” med diametrar på upp till hundratals kilometer. Meteorider, kometer och asteroider ingår i den här gruppen. Men framför allt är rymden stor och tom, och i vårt solsystem är himlakropparna små och långt borta från varandra.

För att visualisera hur liten del av rymden i vårt närområde som upptas av planeter och andra himlakroppar kan vi skala ner solsystemet och jämföra det med något vi är mer familjära med. Solen har en radie av ungefär sjuhundra tusen kilometer och jorden har en radie på 6,4 tusen kilometer. Avståndet mellan dem är cirka 150 miljoner kilometer. Om vi förminskar solen till en fotboll med radien 11 centimeter och placerar den i mittpunkten av en fotbollsplan med måtten 90 x 60 meter, så hamnar jorden 24 meter från mittpunkten, d.v.s. nästan ute vid en av långsidorna, och är inte större än ett litet korn med en radie på ungefär en millimeter.2 Den största planeten i solsystemet är Jupiter, och får med samma skalning en radie på drygt en centimeter och ligger drygt 120 meter från planens mittpunkt.3

2 Måtten för både fotbollen och fotbollsplanen (11-mannaplan) är tagna från internationella fotbollsförbundets (FIFA) regelverk.

3 Ett annat sätt att illustrera samma sak, men med en annan skalning, ges av Sweden Solar System (https:// www.nrm.se/fakta-om-naturen/rymden/sweden-solar-system). Där får istället Stockholm Globe Arena agera sol (med storlek och plats), och med den skalningen hamnar jorden vid Naturhistoriska museet och får en radie på 33 cm.

Proxima Centauri, solens närmaste granne, som i verkligheten ligger på knappt 4,4 ljusårs4 avstånd skulle med samma skalning hamna 6 400 kilometer bort, d.v.s. på ett avstånd motsvarande det till ekvatorn om fotbollsplanen låg i Stockholm.5

Voyager 1 och 2

1977 sänder USA upp två rymdsonder med ett par veckors mellanrum, Voyager 1 och 2, för att fotografera de yttersta planeterna i vårt solsystem på nära håll – Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus. Den sista närbilden på Neptunus tas i augusti 1989, och därefter fortsätter sonderna ut i rymden men behåller radiokontakten med jorden. I februari 1990 riktas kameran på Voyager 1 en sista gång mot jorden och tar bilden i figur 1. Då har Voyager 1 varit på väg i tolv år, och befinner sig sex miljarder kilometer från jorden. På det avståndet tar det omkring 5,5 timmar för den elektromagnetiska signalen som förmedlar bilden att med ljusets hastighet nå jorden. Med samma skalning som i exemplet med fotbollsplanen, där solen är stor som en fotboll, hamnar Voyager 1 nästan 1 kilometer från fotbollsplanens mittpunkt när bilden av jorden tas.

Sedan bilderna togs har bägge sonderna fortsatt sin färd ut ur solsystemet och fortsätter att samla in data som skickas vidare till jorden, vilket beräknas kunna fortsätta till åtminstone 2024 då den kärnreaktor som finns ombord har tappat så mycket av sin effekt att kommunikationen mellan sonderna och jorden inte längre kan upprätthållas. Avståndet till jorden har idag ökat till 24 miljarder kilometer och framför dem ligger nu den interstellära rymden.6 Sonderna färdas med sextiofyra tusen kilometer i timmen och med den hastigheten kommer det att ta drygt sjuttio tusen år att komma

4 Ett ljusår är ett avståndsmått – den sträcka som ljuset färdas på ett år vilket är ungefär 9 500 miljarder kilometer.

5 Avståndet rakt söderut från Stockholm till ekvatorn, där den går söder om Sahara i Afrika, är cirka 6 200 km.

6 D.v.s. rymden mellan stjärnorna.

fram till Proxima Centauri (om kursen är den rätta). Voyager 1 är idag det mest avlägsna mänskligt tillverkade föremålet i rymden, och det första att ha tagit sig utanför solsystemet.

Figur 1: Pale Blue Dot kallas bilden av jorden tagen från Voyager 1 på ett avstånd av sex miljarder kilometer (6 000 000 000 kilometer). Jorden syns som en blek prick, mindre än en pixel, knappt halvvägs upp från nederkanten på bildens högra sida. De vertikala slöjorna i bilden kommer av solljus som reflekteras i optiken på kameran. Bilden används med tillstånd från NASA/JPL.

SOLEN

Det är solens storlek, mätt i dess totala massa, som skapar det gravitationstryck inne i centrum som startar och underhåller de kärnreaktioner som ger den dess energi. Den kärna där kärnreaktionerna sker utgör 2–3 procent av solens totala volym och har ett gravitationstryck som är ungefär 10 miljarder gånger större än atmosfärstrycket på jordytan. Materian här består i huvudsak av väte i plasma-form, d.v.s. vätejoner och fria elektroner, med en temperatur på omkring 16 miljoner grader. I kärnan slås vätejoner samman till heliumkärnor genom den s.k. proton-proton-1-kedjan (pp1) som först beskrevs av tysken Hans Bethe och som gav honom Nobelpriset i fysik 1967. Processen är exoterm7 vilket innebär att den också skapar energi i form av värme och elektromagnetisk strålning, i detta fall gammastrålning med en kort, energirik våglängd, och underhåller därför sig själv när den väl kommit igång. I pp1-kedjan frisläpps också elektroner, och en mycket liten och svårdetekterad partikel som kallas neutrino skapas och skickas ut som partikelstrålning. Neutrino-strålningen har kunnat mätas från jorden, och är ett av de starkare bevisen för att pp1-kedjan faktiskt är den huvudsakliga kärnreaktionen i solen (mer om detta senare).8

7 I exoterma reaktioner skapas energi som en del av kärnreaktionen, till skillnad mot en endoterm reaktion som hela tiden kräver energitillskott för att fortgå.

8 Att räkna antalet detekterade neutriner per tidsenhet är ett sätt att ganska exakt bestämma temperaturen i solens centrum.

EN GLIMT AV UNIVERSUM

är en beskrivning av vårt universum och dess utveckling från the Big Bang. Boken svarar på frågor om hur universum har uppstått, hur våra stjärnor och galaxer har skapats och hur de grundämnen som finns i universum idag har bildats.

De huvudsakliga observationsmetoder som har lett fram till vår förståelse av universum beskrivs också, där informationen som finns kodad i ljuset från stjärnorna spelar en mycket central roll.

Avsikten är att boken ska fungera som en introduktion till astronomi och förklara fysikaliska processer i universum på ett lättillgängligt sätt, så att du, utan att ha djupare förkunskaper inom astronomi eller fysik, kan ta del av universums fantastiska utveckling.

Fredrik Wallgren är civilingenjör med en teknisk licentiat-examen inom strömningsmekanik från Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Efter forskarutbildningen växlade han över till Ericsson där han huvudsakligen arbetade med produktledning och försäljning av radioaccess-system. Intresset för, och tiden att ägna åt, astronomi kom inte förrän 2021 då han började studera astronomi vid Stockholms Universitet. Hans vana att presentera och förklara naturvetenskap och teknik kommer väl till pass i hans bok om universum.

www.vistoforlag.se