#57: Guldår inom kosmologin: Ett personligt perspektiv

Av Ariel Goobar

I början på 1990 talet rådde stor optimism bland teoretiska partikelfysiker och kosmologer: Man var äntligen på väg att förstå universums begynnelse och innehåll. De banbrytande observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden som gjordes med COBE-satelliten hade resulterat i detektionen av små skillnader i strålningsintensitet i olika riktningar. Dessa gav en unik bild av de förhållanden som rådde i universum några hundra tusen år efter Big Bang. Själv hade jag precis kommit till Lawrence Berkeley Laboratory (LBL) när George Smoot höll det historiska seminariet där COBE-mätningarna presenterades. Upphetsningen visste inga gränser. Vid LBL ingick jag i supernovagruppen som då leddes av Richard Muller och George Smoot. Kosmologiprojektet som jag kom att arbeta med leddes av Carl Pennypacker och Saul Perlmutter.

Små temperaturvariationer i den kosmiska bakgrundsstrålningen uppmätta av COBE-satelliten. Bild: NASA/COBE.

Vid tiden fanns det vissa astronomer som hävdade att Typ Ia-supernovor (SNIa), som både lyser väldigt starkt och alltid förefaller ha en bestämd intensitet, kunde användas för att bestämma kosmologiska avstånd. LBL-projektet gick ut på att göra en precisionsmätning av universums expansionshistoria för att på så sätt ”väga” universums innehåll. Den enkla principen är att ju större kosmisk masstäthet desto större inbromsning av expansionen. Det rådde dock stor skepsis bland många astronomer. Dels hade ingen lyckats hitta en supernovaexplosion som var tillräckligt långt bort för att uppnå målet, dels rådde det olika meningar om supernovorna verkligen var tillförlitliga standardljuskällor. Supernovagruppen på LBL var under stor press att visa att man gjorde framsteg: en internutredning där man bjudit in områdets auktoriteter hade inte ställt sig särskilt positiv till den forskningen som bedrevs. Under tumultet som följde gjorde LBL-ledningen en omorganisation av gruppen och Saul Perlmutter blev den nya gruppledaren.

En bild från Berkeley 1992 med de då unga forskarna Ariel Goobar, Carl Pennypacker och Saul Perlmutter. Foto: Ariel Goobar.

Mot alla odds hittade vårt team under våren 1992 SNIa-kandidater med Isaac Newton-teleskopet på La Palma. För flera av dessa fanns det en rimlig chans att de hade tillräckligt stor rödförskjutning för att kunna användas för att mäta universums masstäthet. Det blev till slut Saul och jag som med stor vånda valde kandidaten på vilken vi skulle komma att satsa hela vår (och andras!) teleskoptid. Supernovan, som kom att benämnas SN1992bi, gjorde oss inte besvikna: efter ett tiotal misslyckade försök (dåligt väder, jordbävningar, trasiga instrument med mera) fick vi ett förlösande fax från Cambridgeastronomen Richard Ellis som lyckats få ett spektrum av supernovans värdgalax som visade att rödförskjutningen var z=0,458. Världsrekord!

Kritiken blev nu något mildare och vi fick utökad teleskoptid. Detta möjliggjorde upptäckten av avlägsna supernovor i en allt snabbare takt. Hela 42 stycken blev det fram till och med 1998. Under tiden blev vi uppmärksammade på en publikation som hävdade att Einsteins ökända kosmologiska konstant, inte kunde försummas. Einstein hade infört konstanten på fel grunder 1917 i ett försök att förklara att vi kunde leva i ett statiskt universum. Einstein sägs ha kallat  ”hans livs största blunder”, och bland teoretiska fysiker var den extremt impopulär, då den svarade mot ett orimligt värde om man gjorde en kvantmekanisk tolkning, den så kallade vakuumenergin.  

Under flera månader klurade Saul och jag på vad det skulle betyda för våra mätningar om nu den kosmologiska konstanten inte var noll. Vid första anblicken betydde det att vi hade ett stort problem: massan hos galaxerna skulle få universum att sakta ner expansionen, emedan konstanten skulle få motsatta effekt. Hur skulle vi då kunna tolka mätningarna när det fanns två tänkbara ”drivkrafter” som dessutom hade motsatt inverkan på expansionen?

Kosmologiska avstånd har mätts med hjälp av Typ Ia-supernovor (datapunkterna) visar att endast modeller där universums expansion accelererar ger en bra beskrivning av observationerna. Den bästa modellen, där energitätheten nu domineras av en kosmologisk konstant pekar på att Big Bang inträffade för 13,8 miljarder år sedan. Bild: Ariel Goobar.

Efter en del klurande kom vi fram till att vi faktiskt borde både kunna väga universum och mäta värdet på Einsteins kosmologiska konstant om vi valde rätt strategi med våra supernovaobservationer. Nyckeln var att utnyttja vetskapen om hur de olika energidensiteterna ändras med kosmisk tid, vilket vi publicerade i en artikel 1995.

Vi fick faktiskt rätt. Mätningarna som publicerades mellan 1998 och 1999 kom att förändra den rådande uppfattningen om universums innehåll: den repulsiva komponenten dominerar den kosmiska sammansättningen och universums expansion accelererar!

Saul Perlmutter under sin Nobelprisföreläsning i Aula Magna 2011. Foto: Wikimedia commons/ Holger Motzkau.

Genombrottet ledde till att Saul Perlmutter belönades med Nobelpriset i fysik 2011, tillsammans med Brian Schmidt och Adam Riess. Schmidt och Riess hade gjort oberoende avståndsmätningar av supernovor och kom fram till samma överraskande resultat. Einstein hade inte haft helt fel trots allt!? Det råder idag viss tvekan om det verkligen handlar om vakuumenergin som svarar mot den kosmologiska konstanten eller om det är ett ännu mer mystiskt fenomen som har kommit att kallas ”mörk energi”. Jakten på förklaringen till vad det är som orsakar universums acceleration fortsätter!

En kommentar till “#57: Guldår inom kosmologin: Ett personligt perspektiv”

  1. Tack Ariel för den mycket personliga betraktelsen om hur supernova-kosmologin såg ut i ett tidigt skede. Jag skulle vilja koppla till det inlägg jag tidigare skrev här på bloggen om svensk kosmologi under 100 år. http://100.astronomiska.se/22-kosmologin-1919-2019/
    Där menade jag att den svenska astronomiska kosmologiforskningen inte var särskilt utvecklad under större delen av 1900-talet. Det var kanske ingen slump att Ariel kom från partikelfysik och inte astronomi när han gjorde sin postdok borta i Kalifornien. Astropartikelfysiken började intressera sig för rymden, delvis kanske eftersom planerna för den stora acceleratorn SSC lades på is. Själv kom jag in i den andra gruppen av supernova-kosmologer – High-z SN team, när jag jobbade som doktorand i Munchen i slutet av 1990-talet. Hemma i Stockholm sysslades mest med andra slags supernovor, utan den kosmologiska kopplingen.
    High-z gruppen, och SCP där Ariel alltså medverkade, kämpade länge om att bli först med att mäta universums utvidgningstakt. High-z medlemmen Bob Kirshner har skrivit om striden i sin bok The extravagant Universe. https://fof.se/tidning/2003/5/artikel/bokanmalan-besatt-av-supernovor
    Själv smålog jag åt de sofistikerade rallarsvingarna boken utdelar till den konkurrerande SCP gruppen, men jag tror fortfarande inte Ariel roas av den historieskrivningen. Hursomhelst införlivades alltså supernovaresultaten snart i den nya standardkosmologin, fyllt av mörk energi, som snart cementerades med resultat från den kosmiska bakgrundsstrålningen. Detta blev, som jag beskrev i mitt tidigare blogginlägg, en startpunkt för ökat kosmologiintresse, inte minst i Sverige, men också generellt en starkare koppling mellan Fysik och Astronomi. En upptäckt som inte bara ändrade vår världsbild, men också ritade om forskningskartan för svenska astronomer. Stora internationella forskargrupper är numera en naturlig del av dagens astronomiforskning.
    Supernovakosmologerna blev så småningom sams. Om inte förr, så åtminstone i och med det gemensamma Nobelpriset i Fysik som tilldelades ledarna för de båda grupperna 2011. Ariel och jag ordnade ett gemensamt seminarium och en middag på restaurant Junibacken för båda supernovagrupperna när de besökte Stockholm i samband med Nobelfestligheterna. Det var första gången de träffades allihop. En tur med sagotåget i Astrid Lindgrens sagoland ingick också.

Lämna ett svar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *