Astronomi en kosmisk reise by Universitetsforlaget

Vi vet nå hvor gammelt universet er, vi har påvist at det finnes sorte hull, og vi har funnet mer enn 1000 planeter utenfor vårt eget solsystem. Men stadig dukker det opp nye spørsmål. Hva er den usynlige mørke materien? Hvordan ble månen til? Hva skjer når et solsystem blir dannet? Finnes det intelligent liv andre steder i Melkeveien? Denne boken gir en innføring i astronomi, fra vårt eget solsystem til universets ytterkant. Målgruppen er bachelorstudenter i astronomi ved universiteter og høyskoler, og den brukes blant annet som lærebok i innføringskurset i astronomi ved Universitetet i Oslo. Det kreves ingen bakgrunn i faget for å ha glede og utbytte av denne boken, og den er også er en fin innføringsbok for alle som vil lære noe om det universet vi lever i. Øystein Elgarøy er professor i astrofysikk ved Universitetet i Oslo. Han arbeider spesielt med hva som skjedde da universet var mindre enn ett sekund gammelt. Elgarøy har mottatt flere priser for fremragende forskning, og er forfatter av boken hva er KOSMOS (2008) og medforfatter i boken Naturens kode (2005).

ISBN 978-82-15-02222-2

788215 022222

Øystein Elgarøy Astronomi – en kosmisk reise

Nye observasjoner fra bakke og rom har i de siste tiårene ført astronomien nærmere svar på spørsmål vi tidligere bare kunne drømme om å svare på. Gjentatte ganger har vi sett at når tålmodig forskerinnsats har ledet til løsning på et problem, overgår svaret langt det man har kunne gjette seg til. Våre forestillinger er ofte bare bleke skygger av virkeligheten.

Øystein Elgarøy

Astronomi – en kosmisk reise

Astronomi

Astronomi Original.indd 1

21.05.14 10.05

Astronomi Original.indd 2

ďťż

07.05.14 12:26

Øystein Elgarøy

Astronomi En kosmisk reise

Universitetsforlaget

Astronomi Original.indd 3

07.05.14 12:26

© Universitetsforlaget 2014 ISBN 978-82-15-02222-2 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med rettighetshaverne er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel. Boken er utgitt med støtte fra Kunnskapsdepartementet ved Lærebokutvalget for høyere utdanning.

Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 508 Sentrum 0105 Oslo www.universitetsforlaget.no

Omslag: Sissel Tjernstad Sats: Rusaanes Bokproduksjon AS Trykk og innbinding: 07 Media AS – 07.no Boken er satt med: Adobe Garamond Pro 11,5/14 Papir: 100 g Arctic Matt

Astronomi Original.indd 4

07.05.14 12:26

Innhold

Innhold Forord. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Kapittel 1 Astronomi og astrofysikk: Hva er det?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1 Astronomi som fag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Store og små tall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3 Avstander og enheter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Noen ord om naturvitenskapelig metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5 Hvorfor astrologi ikke er vitenskap. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Kapittel 2 En veiviser til stjernehimmelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1 Koordinatsystemer: himmelens lengde- og breddegrader. . . . . . . . . . . 21 2.2 Stjernebilder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3 Stjernenavn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Stjernehimmelen endres gjennom natten og året. . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Utforsk stjernehimmelen på egen hånd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.6 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Kapittel 3 Fra Eudoksos til Ptolemaios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1 Eudoksos og planetenes bevegelser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Aristoteles og geosentrisme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Ptolemaios’ forbedringer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4 Aristarkhos – den første heliosentriker?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.5 «Landmåling» i solsystemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.6 Hipparkhos og den første stjernekatalogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Astronomi Original.indd 5

07.05.14 12:26

Innhold

Kapittel 4 Astronomi i middelalderen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1 Praktisk astronomi: høytider og kalendre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2 Astronomi i middelalderens Europa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3 Astronomi i den muslimske verden i middelalderen. . . . . . . . . . . . . . 47 4.4 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Kapittel 5 Det heliosentriske verdensbildet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.1 En kort historie om en bok det tok lang tid å skrive. . . . . . . . . . . . . . 50 5.2 Tvileren Tycho med neseprotesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Galileo Galileis oppdagelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.4 Johannes Keplers radikale steg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.5 Newton: en mann med tyngde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.6 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Kapittel 6 Fysikken i astrofysikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.1 Mekanikk: krefter og bevegelse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.2 Termodynamikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.3 Elektrisitet og magnetisme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.4 Elektromagnetiske bølger og stråling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.5 Optikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.6 Relativitetsteori. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.7 Kjerne- og partikkelfysikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.8 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Kapittel 7 Teleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.1 Refraktorer og reflektorer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2 Hvilke egenskaper bør et teleskop ha?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3 Hvorfor har vi ikke store teleskoper i Norge? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.4 Hvordan vi kan lure atmosfæren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.5 Detektorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.6 Radioteleskop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.7 Teleskoper for infrarødt lys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.8 Teleskoper for ultrafiolett stråling og røntgenstråling . . . . . . . . . . . . . 100 7.9 Gammateleskop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.10 Fremtidige observatorier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.11 Amatørastronomi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.12 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Astronomi Original.indd 6

07.05.14 12:26

Innhold

Kapittel 8 Solsystemet: de indre planetene og månen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.1 Merkur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.2 Venus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.3 Jorden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.4 Månen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.5 Mars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.6 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Kapittel 9 Gassplanetene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.1 Jupiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.2 Saturn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 9.3 Uranus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.4 Neptun. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.5 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Kapittel 10 Rusk og rask i solsystemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 10.1 Asteroidebeltet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 10.2 Kuiper-beltet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 10.3 Oort-skyen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 10.4 Kometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 10.5 Meteoroider, meteorer og meteoritter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 10.6 Bør vi være redde?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.7 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Kapittel 11 Solen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 11.1 Oversikt over solens struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 11.2 Fusjon i solens kjerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 11.3 Energitransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 11.4 Modeller for solen og det solare nøytrinoproblemet . . . . . . . . . . . . . . 153 11.5 Solflekker og andre mønstre i fotosfæren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 11.6 Flares og andre utbrudd på solen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 11.7 Solens globale magnetfelt og solsyklusen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 11.8 Solvinden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 11.9 Koronaoppvarmingsproblemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 11.9 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Astronomi Original.indd 7

07.05.14 12:26

Innhold

Kapittel 12 Dannelsen av solsystemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 12.1 Hva må en teori for dannelsen forklare?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 12.2 Kollapsmodellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 12.3 Hvorfor har vi to typer planeter?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 12.4 Spinnproblemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 12.5 Asteroider og kometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 12.6 Uregelmessigheter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 12.7 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Kapittel 13 Livet til stjernene fra vugge til grav. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 13.1 Avstander. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 13.2 Tilsynelatende og absolutt størrelsesklasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.3 Klassifikasjon av stjernespektra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 13.4 Hertzsprung-Russell-diagrammet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 13.5 Stjernene på hovedserien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 13.6 Veien til hovedserien: hvordan stjerner dannes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 13.7 Livet etter hovedserien: røde kjemper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 13.8 Den videre utviklingen for stjerner som veier mindre enn 8 solmasser. . 180 13.9 Videre utvikling for stjerner som veier mer enn 8 ganger solens masse: kjernekollapssupernova. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 13.10 Nøytronstjerner og pulsarer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 13.11 Sorte hull. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 13.12 Gammaglimt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 13.13 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Kapittel 14 Eksoplaneter og jakten på liv. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 14.1 Hva skal vi lete etter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 14.2 Den beboelige sonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 14.3 Eksoplaneter: Hvordan finner man dem?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 14.4 Karakteristiske trekk ved eksoplanetene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 14.6 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Kapittel 15 Melkeveien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 15.1 Oversikt over Melkeveiens struktur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 15.2 Dannelsen av Melkeveien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 15.3 Hvordan kan vi kartlegge strukturen til Melkeveien? . . . . . . . . . . . . . 210

Astronomi Original.indd 8

07.05.14 12:26

Innhold

15.4 Det sorte hullet i sentrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 15.5 Mørk materie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 15.6 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Kapittel 16 Galakser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 16.1 Oppdagelsen av at det finnes mange galakser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 16.2 Ulike typer galakser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 16.3 Fysiske egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 16.4 Hvordan oppstår spiralarmene? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 16.5 Grupper, hoper og superhoper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 16.6 Mørk materie i galaksehoper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 16.7 Galakseutvikling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 16.8 Universets ekspansjon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 16.9 Aktive galaksekjerner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 16.10 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Kapittel 17 Kosmologi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 17.1 Det kosmologiske prinsipp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 17.2 Tyngdekraften dominerer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 17.3 Einsteins universmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 17.4 Hubbles lov og universets ekspansjon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 17.5 Hubbles lov og universets alder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 17.6 Big Bang mot Steady State. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 17.7 Oppdagelsen av den kosmiske bakgrunnsstrålingen . . . . . . . . . . . . . . 238 17.8 Universets historie ifølge Big Bang: en kort oversikt. . . . . . . . . . . . . . 240 17.9 Hvor kommer grunnstoffene fra? Nukleosyntese i Big Bang og i stjerner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 17.10 Inflasjonsfasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 17.11 Inflasjon, bakgrunnsstråling og strukturdannelse . . . . . . . . . . . . . . . . 247 17.12 Mørk energi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 17.13 Hva er den mørke materien?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 17.14 Til sist ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 17.15 Oppsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Litteratur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Ordliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Personregister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Figurkreditering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Stikkord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

Astronomi Original.indd 9

07.05.14 12:26

Astronomi Original.indd 10

ďťż

07.05.14 12:26

Forord

Forord Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo har i flere årtier tilbudt et innføringskurs i astronomi og astrofysikk for studenter uten spesielle forkunnskaper. Det finnes et stort utvalg av engelskspråklige lærebøker på dette nivået, men mange studenter har etterlyst en lærebok på norsk. Astronomi – en kosmisk reise ble skrevet som et svar på denne etterlysningen. Innføringskurs i astronomi tilbys ved flere andre læresteder i Norge, og jeg håper at boken kan komme til nytte ved flere av disse. Den som ikke lar seg avskrekke av ligningene i boken, vil forhåpentligvis finne at den også er en brukbar populærvitenskapelig innføring i astronomi. Derfor håper og tror jeg at denne boken vil finne lesere også utenfor universiteter og høyskoler. På bokens nettside under www.nettressurser.no er det lagt ut linker til aktuelle astronominettsteder, oppdatert informasjon og lysark fra forelesninger i kurset. Jeg vil takke Universitetsforlaget for at de er villige til å satse på denne læreboken. Markedet for realfagsbøker på norsk er ikke stort, men etter min mening er det viktig å forsøke å beholde et norsk fagspråk også på dette området. Jeg er glad for at det finnes et forlag som deler dette synet. Uten en dyktig redaktør ville dette prosjektet strandet på min tvil og min hang til å utsette oppgaver. Eli Valheim fortjener en stor takk for å ha loset boken i havn. Takk fortjener også fagkonsulentene Tarald Peersen, Carl Angell og Jostein Riiser Kristiansen. Deres grundige kommentarer har bidratt til å forbedre boken på flere punkter, og hindret mange feil fra å komme på trykk. Alle feil og mangler som gjenstår i boken er selvsagt ene og alene gjenspeilinger av mine egne. Jeg håper at det er færre av dem i boken enn i forfatteren. Denne boken har vært et personlig prosjekt. Ikke bare fordi jeg elsker faget mitt, men også fordi sist gang innføringskurset i astronomi hadde en norsk lærebok, var min avdøde far en av forfatterne. Mange gode minner om ham har dukket opp under skrivingen. Det finnes glede og skjønnhet også utenfor astronomien. Jeg vil takke Maya Golda for å minne meg om dette. Denne boken er spesielt til henne. Oslo, april 2014 Øystein Elgarøy

Astronomi Original.indd 11

07.05.14 12:26

Astronomi Original.indd 12

ďťż

07.05.14 12:26

Astronomi og astrofysikk: Hva er det?

Kapittel 1

Astronomi og astrofysikk: Hva er det? I dette kapittelet skal du lære: – – – – –

hva astronomer studerer om avstander i universet hva som skiller astronomi fra astrofysikk litt om vitenskapelig metode om forskjellene mellom astronomi og astrologi

Astronomer og astrofysikere er svært privilegerte mennesker, og ikke bare i den betydningen at de fleste har en god levestandard og bor i relativt fredelige og demokratiske samfunn. De får i tillegg jobbe med noen av de største og mest grunnleggende spørsmålene menneskene har: Hvor kommer universet fra? Hvor stort er det? Finnes det liv andre steder der ute? I tillegg har verdensrommet en umiddelbar estetisk appell, eller for å si det enklere: Astronomer får se på mange pene bilder. Hva driver astronomer med? Ut over at de studerer stjernehimmelen, tror jeg mange ikke helt vet hva astronomer jobber med. Og hva er forskjellen mellom en astronom og en astrofysiker?

1.1 Astronomi som fag Det er sjelden en dårlig idé å søke i Store norske leksikon når man leter etter svar. Er spørsmålet «Hva er astronomi?», finner man svaret «Vitenskapen om himmellegemene og verdensrommet». Astronomer studerer med andre ord ting som måner, planeter, stjerner, galakser og galaksehoper. I tillegg interesserer de seg for rommet mellom dem, og alt som finnes der av mindre legemer, gass og støv. Det er et ganske stort felt å dekke, og det er nærmest selvsagt at ingen enkelt astronom kan være ekspert på hele feltet. Vi blir stadig mer spesialisert. Noe som kan virke forvirrende er at betegnelsen astrofysikk ofte brukes synonymt

Astronomi Original.indd 13

07.05.14 12:26

Kapittel 1

med astronomi. Ifølge Store norske leksikon er astrofysikk en gren av astronomien, den grenen som «behandler himmellegemenes og den interstellare materiens fysiske og kjemiske natur og de enkelte himmellegemenes opprinnelse, utvikling og slektskap». Svært få er konsekvente i å skille mellom astronomi og astrofysikk på denne måten, og i praksis brukes ordene om hverandre. Jeg mener at skillet mellom astronomi og astrofysikk gir mest mening i fagets historie. Astrofysikk ble først mulig da den vitenskapelige revolusjonen kom på 16- og 1700-tallet. Før dette hadde man ikke grunnlag for å studere «himmellegemenes natur». Johannes Kepler, hvis liv og virke vi skal bli bedre kjent med senere i boken, omtales av og til som den første astrofysikeren ved at han ikke bare beskrev planetbanene, men også forsøkte å si noe om deres årsaker. I dag er det i praksis ikke noe skarpt skille mellom astronomi og astrofysikk lenger. I denne boken vil jeg bruke ordene om hverandre når jeg omtaler fag og personer i perioden etter Kepler.

1.2 Store og små tall I astronomien må vi stadig vekk håndtere både veldig store tall og veldig små tall. For eksempel er massen til en typisk stor galaksehop en million milliarder ganger solens masse, eller omtrent 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kg Det er lett å se at det er upraktisk å skrive tall med så mange siffer i sin fulle lengde. En bedre måte å angi massen til en galaksehop på er 2 x 1045 kg. Det første tallet angir det første sifferet, og notasjonen «x 1045» betyr at det skal etterfølges av 45 nuller. «45» betyr at 10 skal ganges med seg selv 45 ganger, og da ender vi opp med et ett-tall med 45 nuller bak. Vi skjønner dette fordi 101 = 10 102 = 10 x 10 = 100 103 = 10 x 10 x 10 = 1000 104 = 10 x 10 x 10 x 10 = 10 000 osv. Et nytt eksempel: Den store greske matematikeren Arkimedes oppfant sitt eget system for å skrive store tall, og i boken Sandregneren brukte han det til å regne ut antall sandkorn som ville få plass i universet. I vår notasjon er tallet han kom frem til

Astronomi Original.indd 14

07.05.14 12:26

Astronomi og astrofysikk: Hva er det?

1063 sandkorn, det vil si 10 ganget med seg selv 63 ganger, et ett-tall etterfulgt av 63 nuller. Vi treffer også på veldig små tall i studiet av kosmos. For eksempel er det som skjer i atomene og atomkjernene høyst relevant for å forstå det som foregår inne i stjerner. Og i atomkjernenes verden er avstandene svært små: Diameteren til en hydrogenkjerne er 0,00 000 000 000 000 175 meter. Vi kan lage et system for å skrive veldig små tall basert på systemet for veldig store. Vi merker oss at 1/101 = 1/10 = 0,1 1/102 = 1/(10 x 10) = 1/100 = 0,01 1/103 = 1/(10 x 10 x 10) = 1/1000 = 0,001 1/104 = 1/(10 x 10 x 10 x 10) = 1/10 000 = 0,0001 osv. Deretter bestemmer vi oss for å skrive brøkene over som 1/101 = 10-1 1/102 = 10-2 1/103 = 10-3 1/104 = 10-4 osv. Et 10-tall opphøyd i et negativt tall, for eksempel -15, betyr derfor at vi skriver ned 15 nuller, setter komma etter det første, og så avslutter vi med ett-tall. Diameteren til hydrogenkjernen kan vi derfor skrive som 1,75 x 0,000 000 000 000 001 meter = 1,75 x 10-15 m. For fullstendighetens skyld merker vi oss at vi med notasjonen vi har innført kan skrive 1 = 10/10 = 101/101=101 x 10-1 = 101-1 = 100, slik at 100 er lik 1.

1.3 Avstander og enheter Astronomiske avstander er nettopp det: astronomiske. For hjerner som våre som er tilpasset liv der avstander på noen meter er de mest relevante, er det umulig å ha noen

Astronomi Original.indd 15

07.05.14 12:26

Kapittel 1

intuitiv forståelse av hvor fjerne stjernene er. Til og med avstandene i solsystemet er vanskelig nok å fatte. Men vi kan forsøke å venne oss til de enorme skalaene i universet, og vi kan, ved å bruke mer fornuftige enheter for avstand enn meter og kilometer, gjøre dem mer håndterbare. I tillegg kan vi forsøke å finne gode sammenligninger for å gjøre dimensjonene mer forståelige. Først litt om enheter. Vi starter i vårt eget solsystem. Enheten som astronomer bruker her kalles, litt uoriginalt, for en astronomisk enhet (astronomical unit, forkortes som oftest til AU, selv om den Internasjonale astronomiske unionen (IAU) anbefaler forkortelsen au). I 2012 bestemte IAU at følgende definisjon skal brukes: 1 astronomisk enhet = 149 597 870 700 meter. Dette svarer røft til jordens avstand fra solen, og tidligere var 1 AU definert med utgangspunkt i jordens bane. Men jordens avstand fra solen varierer, så for praktiske formål er det greiest å definere enheten som et fast antall meter. I eksempler og oppgaver i denne boken vil imidlertid jordens avstand fra solen settes lik 1 AU, og 1 AU settes lik 150 millioner kilometer. Dette blir nøyaktig nok for våre formål. Fordelen med å bruke AU som enhet i solsystemet er at avstandene ikke blir veldig store måltall. Målt i meter er for eksempel Neptun omtrent 4,5 milliarder kilometer fra solen. I astronomiske enheter er avstanden det mer håndterlige tallet 30,1 AU. Beveger vi oss ut til stjernene, blir selv 1 AU en for puslete enhet. Den nærmeste stjernen utenfor solsystemet heter Proxima Centauri, og den befinner seg omtrent 265 000 AU unna. Diameteren til Melkeveien er 10 milliarder AU, og avstanden til den nærmeste, store galaksen, Andromeda-galaksen, er 160 milliarder AU. For å unngå slike store måltall kan man bruke enhetene lysår og parsec. Et lysår er, navnet til tross, ikke en tid, men en avstand. Det er definert som avstanden lys som beveger seg gjennom tomt rom tilbakelegger i løpet av 365,25 dager (et såkalt juliansk år), det vil si omtrent 9,46 x 1012 km. Målt i lysår er avstanden til Proxima Centauri 4,2 lysår, og avstanden til Andromeda-galaksen er 2,5 millioner lysår. I kapittel 13 skal vi se på den såkalte parallaksemetoden for å bestemme avstander til stjerner. Vi kommer da til å se at denne gjør det naturlig å innføre en ny avstandsenhet: parsec (forkortelse: pc). I vitenskapelige artikler er det denne avstandsenheten astronomer bruker. Sammenhengen mellom parsec og lysår er grei: 1 pc tilsvarer omtrent 3,26 lysår. Avstanden til Proxima Centauri kan derfor også uttrykkes som 1,3 pc, og Andromeda-galaksen befinner seg nesten 767 000 pc unna oss. For å illustrere de voldsomme dimensjonene av det som bare er vårt nærmeste nabolag i kosmos, kan vi lage en skalamodell. Vi starter med å krympe solen til den blir på størrelse med en fotball, og så skalerer vi ned alle andre lengder med den samme faktoren. Vi plasserer solen i midtsirkelen på Lerkendal stadion i Trondheim. Jorden blir da en liten prikk på cirka 1 millimeter, plassert 24 meter unna, et sted mellom midtsirkelen og 16-meteren. Neptun blir en litt større prikk på nesten 4 millimeter, og skal plasseres 707 meter unna, inne på Gløshaugen et sted. Hvor skal vi plassere den nærmeste stjernen, Proxima Centauri? Denne stjernen,

Astronomi Original.indd 16

07.05.14 12:26

Astronomi og astrofysikk: Hva er det?

som nå er litt mindre enn en bordtennisball, må plasseres hele 6400 kilometer unna, for eksempel i New York! Vår nabogalakse, Andromeda, havner enda lenger unna: Et sted mellom planetene Uranus og Neptun (i det virkelige solsystemet!). Diameteren til galaksen i krympet versjon blir større enn avstanden mellom jorden og solen. Universet er stort, og stort sett tomt. Fysiske avstander i verdensrommet kan ikke måles direkte fra jordens overflate. Det vi kan måle, er vinkelavstander på himmelkulen. Astronomer måler vinkler i grader, der en sirkel utgjør 360 grader. Men i stedet for å dele opp 1 grad i tidels og hundredels grader, deler de 1 grad opp i 60 bueminutter, og ett bueminutt i 60 buesekunder.

1.4 Noen ord om naturvitenskapelig metode Astronomi og astrofysikk er naturvitenskaper. De har imidlertid en historisk forbindelse til astrologi, som ingen i dag vil regne som en vitenskap. Hva er det som gjør astronomi til en vitenskap og astrologi til i beste fall tull og tøys? Det finnes ikke noe udiskutabelt sett av kriterier man kan gripe til for å avgjøre om en aktivitet kan kalles vitenskapelig eller ikke. Men hvis vi ser på hvordan astronomer og astrofysikere arbeider, eller hvordan de streber etter å arbeide, kan vi se noen karakteristiske trekk. Den beste sammenfatningen av disse ble gitt av fysikeren Richard Feynman i en serie foredrag han holdt ved Cornell i 1964, utgitt i bokform med tittelen The Character of Physical Law. Når en astrofysiker står overfor et fenomen som skal forklares, er det første hun eller han gjør å gjette på en forklaring. Gjetningen, eller hypotesen som det heter på fint, er sjelden tatt ut av løse luften, men det er uansett bare en gjetning. I første omgang kan ideen være vag, men for at den skal være verdt å gå videre med, må den kunne gjøres presis og uttrykkes i et matematisk språk som gjør det mulig å beregne konsekvensene av gjetningen: Hvis gjetningen er riktig, hva forventer vi å observere? Når konsekvensene er etablert, må de sammenlignes med observasjoner. Dette er det avgjørende punktet. Dersom konsekvensene av gjetningen ikke stemmer med observasjonene, er gjetningen gal. Den må enten forkastes fullstendig, eller omarbeides i lys av observasjonene. Om konsekvensene skulle vise seg å stemme med observasjonene, viser imidlertid dette ikke at gjetningen er riktig, bare at den ikke kan forkastes ennå. Man kan aldri bevise at en gjetning er riktig, bare at den foreløpig ikke er gal! Et eksempel: Isaac Newton ønsket å forklare at planetene beveget seg i elliptiske baner rundt solen. Han gjettet på at det var tyngdekraften som sto bak, og basert på hva han visste om månens bane rundt jorden, gjettet han på det matematiske uttrykket for tyngdekraften mellom to masser. Deretter beregnet han konsekvensene. Han viste at gravitasjonsloven virkelig førte til ellipsebaner for planetene, men han regnet også ut en hel rekke nye konsekvenser som kunne sammenlignes med observasjoner. Alt så ut til å stemme. I flere generasjoner etter Newton ble gjetningen hans testet i stadig flere sammenhenger, og med stadig økende nøyaktighet. Det var rimelig å anta at gravitasjonsloven var riktig inntil videre. Allikevel viste det seg til slutt at den ikke var helt riktig. Den var ikke i stand til å

Astronomi Original.indd 17

07.05.14 12:26

Kapittel 1

forklare en liten variasjon i banen til Merkur. Det ble først mulig med Einsteins nye gravitasjonsteori i 1915. Newtons teori er fremdeles en god tilnærming i de fleste sammenhenger, men vi vet nå at den ikke er fullstendig riktig. Og selv om Einsteins teori er en bedre gjetning, og derfor brukes inntil den er vist å være gal, kan det ikke utelukkes at det i fremtiden vil dukke opp nye observasjoner som viser at heller ikke Einstein hadde helt rett.

1.5 Hvorfor astrologi ikke er vitenskap Den sikreste måten å fornærme en astronom på, er å blande sammen astronomi og astrologi. Selvsagt er det forståelig at noen kan gå i surr, for ordene ligner på hverandre. I tillegg er det en nær historisk forbindelse mellom astronomi og astrologi, og storheter som Galilei og Kepler hadde som en del av jobben sin å utarbeide horoskoper for sine arbeidsgivere, selv om de ikke nødvendigvis trodde så mye på produktene de leverte. Hvis store navn i astronomiens historie levde greit med å tilbringe i hvert fall deler av tiden sin med astrologi, hvorfor er astronomer i dag så hårsåre? La oss først gjøre det klart hva astrologi er. La meg igjen gå til Store norske leksikon for en definisjon: Astrologi, studiet av ekte eller forestilte forbindelser mellom himmellegemene og jorden. I snevrere forstand er det vanlig å definere astrologi som kunsten å spå om fremtidige hendelser og skjebner ut fra stjernenes stilling. Grunntanken er at hele universet utgjør en helhet hvor alle enkeltdelene virker inn på hverandre, og derfor har også makrokosmos (stjerner og planeter) en stor innflytelse på mikrokosmos (mennesket). Hovedoppgaven til en astrolog er å tolke disse påvirkningene ved hjelp av et horoskop som viser himmellegemenes posisjon på et gitt tidspunkt og ut fra et bestemt ståsted, og derigjennom lage et bilde av menneskets personlighet, talenter, ressurser og muligheter. Astrologien varierer i form, for noen er den en strengt deterministisk filosofi, mens den for andre er en form for psykologi som ser symbolske overensstemmelser mellom universet og mennesket.

Denne teksten antyder at hva astrologi faktisk sier om virkeligheten, kan oppfattes forskjellig av ulike mennesker. For noen er det virkelig en form for personlighetsdiagnostikk og spådomskunst, for andre er det mer som et eget psykologisk språk. Dersom forbindelsene mellom univers og menneske bare er symbolske, sier astrologi ikke noe nytt om virkeligheten, den er bare et språk som man enten liker eller ikke liker. Det kan kalles mye rart, men ikke vitenskap. I den deterministiske forståelsen av astrologien kan den se ut som en vitenskap. Man antar at det er forbindelser mellom himmellegemene og jorden, og man utarbeider forutsigelser i form av horoskoper basert på denne antagelsen. Forutsigelsene er ikke alltid spådommer. De kan også være personlighetsbeskrivelser basert på himmellegemenes posisjoner ved fødselsøyeblikket. Men uansett utarbeides det konkrete, etterprøvbare påstander om virkeligheten. Det svikter imidlertid i det neste steget, når forutsigelsene skal sjekkes mot virkelig-

Astronomi Original.indd 18

12.05.14 12:19

Astronomi og astrofysikk: Hva er det?

heten. Astrologien har ingen tradisjon for systematisk sammenligning av forutsigelser med fakta. Det er ingen tegn til at hypoteser forkastes eller revideres for å oppnå bedre samsvar mellom teori og virkelighet. I en studie publisert i det anerkjente tidsskriftet «Nature» i 1985 undersøkte Shawn Carlson hvor treffsikre astrologers fødselshoroskoper er. Testen besto grovt sett i at astrologer ble gitt fødselsdata for en person sammen med tre sett av resultater fra en mye brukt personlighetstest. De skulle så velge ut den personlighetstesten som best matchet fødselshoroskopet for personen. På forhånd hadde de sagt at de ventet å treffe i halvparten av tilfellene eller mer. Resultatene viste imidlertid at de bare traff i en tredjedel av tilfellene, akkurat som man skulle forvente ved ren gjetning. Å sette opp et horoskop er med andre ord bare en arbeidskrevende metode for tipping. Resultatene til Carlson førte ikke til noen endringer i astrologisk metode. Den manglende evnen til å revidere hypotesene i lys av nye data viser seg klarest ved at selve grunnlaget for astrologien, forestillingen om at himmellegemene har direkte innvirkning på jordiske hendelser, ikke kan forsvares. Den eneste muligheten de kunne ha til å gjøre dette, ville ha vært via tyngdekrefter. Månen og solen er årsak til tidevann, og skal du regne nøyaktig på jordens bane, må du også ta hensyn til kreftene fra andre planeter som Venus og Mars. Men tyngdekreftene fra himmellegemene spiller ingen rolle for hvert enkelt menneske. De drukner i mengden av alle de andre kreftene vi er utsatt for. Det finnes rett og slett ingen grunner til å tro at himmellegemene kan påvirke personlige egenskaper og daglige hendelser. Astrologi er altså enten for vagt til å kunne kalles en vitenskap, eller grunnlagt på forestillinger som burde ha vært forkastet for lenge siden. Resten av denne boken skal handle om vitenskapene astronomi og astrofysikk.

Oppsummering ▶▶ Astronomi er vitenskapen om verdensrommet og himmellegemene. ▶▶ I denne boken brukes ordet astrofysikk om aktiviteter der man forsøker å forstå og forklare universet og objektene i det ved hjelp av fysikkens lover. ▶▶ Et av kjennetegnene ved aktiviteter som kan kalles vitenskap, er at hypoteser forkastes eller revideres etter sammenligning med virkeligheten. ▶▶ Selv om astronomi og astrologi deler historiske røtter, er ikke astrologi en vitenskap. Det skyldes både fravær av systematisk testing av hypoteser, og et utgangspunkt som vi vet er galt.

Oppgaver 1 Skriv følgende tall som et desimaltall mellom 1 og 10 ganget med en potens av 10 : 150, 230 000, 595 231, 392 349 031. 2 Skriv ut følgende tall: 1,3 x 109, 2,91 x 105, 7,3423 x 104, 3,2348 x 103. 3 Skriv følgende tall som et desimaltall mellom 1 og 10 ganget med en negativ potens av 10 : 0,0001, 0,00000542, 0,93, 0,0000007321, 0,02348.

Astronomi Original.indd 19

07.05.14 12:26

Kapittel 1

4 Skriv ut følgende tall: 1,1 x 10-4, 8,329 x 10-9, 3,14159 x 10-5, 9,5 x 10-7, 5,392485729 x 10-3. 5 Finn ditt horoskop for dagen i to forskjellige aviser eller på to ulike nettsteder (et Google-søk på «gratis horoskop» gir nok av valgmuligheter). Hvor godt stemmer de overens? Er språket konkret og presist? Kunne teksten passe på en vilkårlig dag? Eller en hvilken som helst person?

Astronomi Original.indd 20

07.05.14 12:26

ISBN 978-82-15-02222-2

788215 022222

Øystein Elgarøy Astronomi – en kosmisk reise

Øystein Elgarøy

Astronomi – en kosmisk reise