Forsiden

Avstander i universet Del I

2004-10-23
I denne artikkelserien vil du lese om forskjellige måter å måle avstander med og hva vi finner der ute.

Introduksjon

Astronomi har eksistert i alle kulturer vi kjenner til, dog ikke bestandig som vitenskap. I Lascaux gruven i Frankrike er det hulemalerier med hva vi tror er stjernekonstellasjoner som er 16.500 år gamle. Mayaene vendte også blikket oppover mot stjernene men det var mer av astrologiske årsaker og enn vitenskapelig nysgjerrighet. De fleste kulturene hadde en slags forståelse for bevegelsene på himmelen men grekerne var de første til å finne vitenskapelig verdi utover kalenderfunksjoner i astronomien. De var de første i historien som beregnet størrelsene til Jorden og Månen. De fant også at Jorden roterte, at Solen var større enn Jorden og at det sannsynligvis var Jorden som roterte rundt Solen (heliosentrisk) og ikke omvendt (geosentrisk). De prøvde også å måle avstanden til stjernene med noe som heter parallellakseeffekten, en geometrisk perspektiveffekt (mer om denne effekten senere i artikkelen). Kort fortalt er det snakk om en vinkel som blir mindre jo lengre unna stjernen befinner seg. Grekerne fant aldri noen parallellakse uansett hvilken stjerne de observerte. Grunnen er at stjernene er så langt unna, men grekerne kunne ikke fatte de enorme avstandene. De fortsatte derfor med den mytologiske oppfatningen av himmelen med stjerner som "hull" i en mørk hvelving.
Description_tut
På dette bildet tatt i Lascaux gruven ser vi 3 grupper av punkter. En over ryggen av oksen, en V-formet samling i fjeset og 4 punkter til venstre i bildet. Luz Antequera Congregado foreslo i sin doktoravhandling i 1992 at den første gruppen er stjernehopen Pleiadene, punktene i fjeset beskriver stjernehopen Hyadene og de siste fire punktene er Orion belte.
Det skulle ta over 2000 år før astronomien igjen ble satt på dagsorden. Det var Kopernikus som i 1543 "gjenoppdaget" at Jorden var rund. Johannes Kepler (1571 - 1630) og Tycho Brahe (1546 - 1601) bidro også til å gjeninnføre det heliosentriske verdensbilde. Saken var teoretisk sett avgjort da Galileo Galilei ved hjelp av en ny oppfinnelsen, teleskopet, så at planeten Venus hadde faser. Dette kunne kun forklares hvis den gikk i bane rundt Solen. Han så også at Jupiter, akkurat som Jorden, hadde måner. Det geosentriske verdensbildet som var rådende på den tiden forkynte at alt av himmellegemer gikk i bane rundt Jorden men her var altså flere måner i bane rundt en annen planet. Han observerte også solflekker på Solen som var et bevis mot at den var "perfekt" som var kirkens tro. Galilei ble etterhvert tvunget til å avkrefte sine egne funn og tilbrakte sine siste dager i husarrest. Galilei fikk offisiell oppreising av kirken i 1992, over 250 år etter hans død.
zapp
En datasimulering som viser universet i en skala på mangfoldige millioner lysår. De mørke områdene er 'voids', steder uten galakser, og de lyseste punktene er ekstra massive supergalaksehoper.
Det ble snart klart at Solen bare var én stjerne blant mange i det vi i dag kaller melkeveien, vår galakse. Historien gjentok seg selv og opp til tidlig 1900-tallet trodde vi melkeveien var hele universet. Edwin Hubble observerte "stjerneøyer" som han mente lå utenfor melkeveien men dette ble ikke akseptert helt uten videre. Det var en lang debatt hvorvidt de hørte til melkeveien eller om de faktisk var egne galakser. En kan kanskje kalle dette for det galaksiosentriske verdensbildet. Med kraftigere teleskop ble det tilslutt klart at melkeveien bare er en av mange galakser i universet.

I dag vet vi at galakser er samlet i grupperinger som kalles galaksehoper og disse er igjen samlet i supergalaksehoper. Ser man på universet på enda større skala vil man se at supergalaksehopene ligger som perler på en snor, kalt filamenter, som vrir seg rundt omkring i universet. Mellom filamentene er det temmelig tomt og disse områdene kalles på engelsk for "voids". Voids og filamenter kalles for "large scale structures" (storskalastrukturer) og er det største "noe" vi vet om i universet.

Kanskje vi snart får oppleve en ny revolusjon der vi finner ut at vårt univers bare er ett av mange? Det finnes flere mer eller mindre løse teorier om saken. Vi kan kanskje kalle vår oppfatning av universet i dag som det kosmosentriske verdensbilde.

Spørsmålet denne artikkelserien vil se nærmere på er "hvordan kan astronomer måle avstander som går over hele universet?". Hvordan er det mulig å måle noe i hjørnet øverst til høyre i bildet til høyre, når vi befinner oss milliarder av lysår i hjørnet nederst til venstre? Det finnes ikke en enkelt metode man kan bruke på alle avstander. Vi kan for eksempel ikke bruke en metode beregnet på galakser til å observere avstander til planeter og stjerner.

Heldigvis finnes det er knippe metoder, hver med sin spesialitet som overlapper hverandre på vei utover i universet. Disse metodene kalles kollektivt for "avstandsstigen", eller "avstandstrappen", og i denne artikkelen skal vi gå trinn for trinn fra de nærmeste planetene til de fjerneste supernovaer.

Metodene baserer seg av og til på komplekse og vanskelige prinsipper og konsepter, jeg har derfor gjort mitt beste i å forklare metodene ved hjelp av eksempler, bilder og figurer.

God tur!

Les mer:

Soap Bubbles and Voids

Lascaux gruven

Før du leser videre bør du lese:

Forholdet mellom lysstyrke og avstand

Magnituder og størrelsesordner (lysstyrke)

Hvor langt er et lysår?"


Radar

Radar er den mest nøyaktige målemetoden men også den mest begrensede. En radar sender ut og tar i mot radiobølger (fotoner med lav frekvens). Ved å måle hvor lang tid det tar fra et signal sendes ut, reflekteres, og kommer tilbake kan den bestemme hvor langt unna den reflekterende gjenstanden befinner seg. Radar gir gode og nøyaktige resultater i daglig bruk på Jorden, men når du beveger deg utover i universet blir det verre. Selv om vi såvidt har kommet oss ut døra og snart skal begynne å myse mot planetene i solsystemet, finner vi allerede begrensningen med radar.
Article image
Verdens største radioteleskop er 305 meter i diameter og ligger i en dal i Puerto Rico.
Radiobølger beveger seg, som alle andre fotoner, med lysets hastighet. Avstanden til månen kan måles ganske nøyaktig med radar siden signalet bare bruker et sekund hver vei, men prøver vi å måle avstanden til Mars vil det allerede ta flere minutter, avhengig av hvor den befinner seg i forhold til oss. Jorden går i bane rundt Solen med en hastighet på rundt 30 kilometer i sekundet, Mars's hastighet er på rundt 24 km/s. Hvis målingen tar mer enn et par minutter må vi også regne inn planetenes bevegelse som vil komplisere målingen. Dette er riktignok ikke et stort problem da avstanden til Mars er mye større en "feilen" i målingen.

Et større problem er at at radarsignal blir svakere med tiden. Planeters evne til å reflektere synlig lys heter "albedo". En albedo på 1 betyr fullstendig refleksjon og vice versa. Albedo for Merkur, Venus, Jorden og Mars er hhv. 0.12, 0.59, 0.39 og 0.15. Vi kan ikke bruke albedo for radarsignaler men det gir et inntrykk av problematikken. Et signal på vei til Mars vil svekkes naturlig som følge av den store avstanden, kun en brøkdel blir reflektert og på vei tilbake blir signalet ytterligere svakere.

Saturn er det fjerneste objektet som er blitt målt med radar. Saturn er en gasskjempe og går i bane 1,429,400,000 km fra Solen, 10 ganger avstanden mellom Jorden og Solen. Måler du avstanden til Saturn med radar må du vente i to timer og førti minutter før signalet kommer tilbake.

Neptun er dobbelt så langt unna som Saturn. Neptun er også en gasskjempe men ikke like stor som Saturn eller Jupiter. Størrelsen og avstanden gjør at det per i dag er umulig å måle Neptun med radar, og det er nok lenge til det kommer utstyr som kan gjøre det også.

Vi har også brukt radar på Titan, en av månene til Saturn. Dette var mulig etter en oppgradering av Jordens største radar, det 305 meter store radioteleskopet i Arecibo, Puerto Rico. Signalet som ble sendt tilsvarte 1000 mikrobølgeovner, men superteleskopet måtte ha hjelp av et annet teleskop for å detektere ekkoet.

Les mer:

Radarbilder av planeter



Objekt Målt fra Avstand i km
Tiden lyset bruker
[timer:minutter:sekunder]
MånenJorden384.40300:00:01
MerkurSolen57.910.00000:03:01
VenusSolen108.208.93000:06:00
MarsSolen227.936.64000:12:39
JupiterSolen778.412.01000:43:14
SaturnSolen1.426.725.40001:19:16