Til projektoversigt

Eksploderende stjerner og gigantiske sorte huller i Universet

Semper Ardens forskningsprojekt | 02/05/2016

NOT ved solopgang. Foto: Jens Jessen-Hansen.

Danske forskere er i front, når det kommer til astronomiske observationer og studier af kosmiske eksplosioner. Det skyldes ikke mindst deres adgang til det Nordiske Optiske Teleskop på La Palma. Teleskopet er blevet støttet af Carlsbergfondet, som nu har finansieret en iværksættelse af en spektrograf, der skal gøre os klogere på nogle af universets største gåder.

Gennem de seneste 15-20 år er sorte huller forvandlet fra teoretisk kuriositet til at være en veletableret del af universets inventarliste og et centralt forskningsemne i moderne astrofysik. Sorte huller (se faktaboks) er objekter i rummet, hvori stoffet er sammenpresset til en så ekstremt tæthed, at selv lyset ikke kan slippe bort fra overfladen. Vi kender sorte huller i en passiv tilstand fra vores egen Mælkevej; men mange sorte huller er faktisk aktive. Aktive galaksekerner (se faktaboks) er så ekstreme, at det nemt kan lyde som det rene science fiction. Men de er afledt af hårde videnskabelige fakta. Fakta, der i høj grad er påvist af danske astronomer.

Gammaglimt – fødslen af sorte huller

Gammastråling kan ikke ses fra jordoverfladen, men bliver absorberet i atmosfæren. Af denne grund blev gammaglimt først opdaget sidst i 1960erne under den kolde krig, hvor det Amerikanske militær opsendte gammastrålingsfølsomme satellitter for at kunne registrere ulovlige atombombeprøvesprængninger.

Gammaglimt er korte glimt af gammastråling, der kommer fra alle steder på himlen.

Professor ved Niels Bohr Instituttet Johan Fynbo forklarer, hvad der er sket med forståelsen af gammaglimt siden koldkrigstiden:" I mange år var årsagen til gammaglimt et komplet mysterium, men siden 1997 er vi blevet meget klogere. Vi ved nu, at de fleste gammaglimt skyldes fænomener, der ledsager meget tunge stjerners død. Formodentlig dannes gammaglimtene i såkaldte jets, der udsendes i forbindelse med dannelsen af sorte huller i de døende stjerners dødskramper. På grund af deres ekstreme energiudladninger kan gammaglimt ses til ufattelige afstande. Nogle af de fjerneste objekter, vi har observeret, er gammaglimt."

Danske astronomer er blandt de mest aktive i verden i studiet af gammaglimt. De påviste for godt 10 år siden, at gammaglimt stammer fra ekstreme supernovaer. Nøglen til at forstå gammaglimtenes natur ligger primært i spektroskopisk observation (se faktaboks) af eftergløden ved de meget kortvarige gammaglimt. Eftergløden udsender lys i et meget bredt spektrum fra röntgenstråling til radiobølger, og specielt fra spektre i det optiske og nære infrarøde område kan man uddrage et væld af informationer om både gammaglimtene selv og de galakser, hvori de eksploderede.

"Ved hjælp af gammaglimt kan vi studere galakser selv på uhyre store afstande – faktisk tilbage til de første galakser, der blev dannet efter Big Bang"

Supermassive sorte huller og aktive galaksekerner

De senere års studier af nære galakser har påvist, at der i kernen af alle galakser – også i vor egen galakse Mælkevejen - findes sorte huller med størrelsesordenen 1-1000 millioner gange Solens masse. Undertiden bliver disse sorte huller ”aktive”. Det sker, når der falder materiale ned i dem. Der er også fundet en korrelation mellem de sorte huller og galaksernes masser - større galakser har større sorte huller. Det tyder på en forbindelse mellem de to komponenters dannelse og udvikling. De fysiske mekanismer i vekselvirkningen mellem galakse og sort hul er stadig ikke detaljeret forstået; men observationer af variationer i kernernes lysstyrke og spektrallinjer kan udnyttes til at kortlægge geometrien omkring det sorte hul. Hertil kræves lange serier spektre dækkende både det optiske og nær-infrarøde område.

NOT Transient Explorer

Motiveret i disse projekter har forskere ved Niels Bohr Instituttet med støtte fra Carlsbergfondet iværksat et design af et nyt instrument, kaldet NOT Transient Explorer (NTE), der skal optimere det Nordiske Optiske Teleskop (NOT). Via NOT har astronomer fra Danmark, Sverige, Island, Norge og Finland siden 1989 kunnet foretaget regulære astronomiske observationer på den Kanariske ø La Palma, der er et af de bedste steder i verden til at udføre astronomiske undersøgelser.

Nordisk Optisk Teleskop (NOT) på observatoriet på La Palma. © The Nordic Optical Telescope Scientific Association.

Det videnskabelige formål er nu at udstyre NOT med ét enkelt instrument, der til enhver tid kan indsamle optimale data for pludseligt opståede fænomener. NTE vil derfor kunne optage såvel spektre (’NTE-spec’) som billeder (’NTE-ima’).

"Med NTE virkeliggør vi en drøm, jeg har haft i mere end ti år omkring det ideelle instrument til observationer af kosmiske eksplosioner som gammaglimt og supernovaer. Med NTE vil vi have en permanent instrumentkonfigurering på det Nordisk Optiske Teleskop med kombinationen af NTE og fiberspektrografen FIES. Dermed vil vi altid med kort varsel kunne observere en ny kilde på himlen. Det er helt unikt."

Teknikken bag NTE

NTE-spec har som forbillede X-shooter spektrografen på teleskopet ESOs 8m Very Large Telescope, som delvis er bygget med støtte fra Carlsbergfondet. Det er en højeffektiv enkelt-objekt spektrograf (se faktaboks), der dækker hele spektralområdet fra det ultraviolette (ca. 320 nm) til det nær-infrarøde (ca. 1800 nm). Den spektrale opløsning er R = λ /Δλ = 4000 – det ideelle kompromis mellem effektivitet og den informationsmængde, der kan uddrages. NTE-ima indeholder optiske og nær-infrarøde kameraer, så der kan observeres simultant i et felt på 5′x5′ i begge spektralområder. Spektrografen FIES med høj opløsning og stabilitet er samtidig konstant tilkoblet via en optisk fiber.

Illustration af instrumentdesignet for NTE

Lyset kommer ind i instrumentet fra teleskopets Cassegrain-fokus øverst (strålerne er markeret med gult). Lyset kan enten sendes til de to imagers (den visuelle imager vist med blåt øverst til venstre og den nær-infrarøde imager med brunt foroven til højre). Begge imagers har filterhjul med plads til mange filtre, så man kun sjældent har behov for at skulle skifte filtre. Lyset kan også sendes igennem den atmosfæriske dispersions korrektør i midten, gennem en spalte ned til de to spektrograf-arme (visuel og nær-infrarød) lokaliseret i den cirkulære struktur forneden.  

NOT vil herefter til enhver tid kunne optage såvel billeder som spektre med medium og høj opløsning i hele området fra ultraviolet til nær-infrarødt og blive en unik facilitet på verdensplan til studier af transiente kilder.

”Med NOT og NTE har dansk astronomi både værktøjet og erfaringen til at holde sig forrest i forskningsfronten på sine mest vitale felter”
NOTs tidligere direktør Johannes Andersen.

NTE projektet befinder sig pt. i sidste del af designfasen, og konstruktionen forventes at blive påbegyndt i løbet af 2016, så instrumentet kan være på teleskopet i 2018.

FAKTA:

Carlsbergfondets betydning for Johan Fynbos karriere

Johan Peter Uldall Fynbo er professor mso ved Dark kosmologicenteret ved Niels Bohr Instituttet i København. I 1999 var han den første dansker, der observerede med det Europæiske SydObservatoriums (ESOs) dengang helt nye Very Large Telescope (VLT), som Carlsbergfondet spillede en afhørende rolle for at sikre dansk deltagelse i. I 2000-2002 arbejdede han som forskningsfellow ved ESOs hovedkvarter i Garching, Tyskland. Finansieret af Carlsbergfondet vendte han i 2002 tilbage til Danmark på grund af en bevilling til støtte af dansk brug af VLT. I 2004 blev han ansat som lektor på Niels Bohr Instituttet, hvor han i 2005 var med til at starte Dark Kosmologicenteret. I 2011 påbegyndtes NTE projektet med en bevilling fra Carlsbergfondet.  

Hvad er sorte huller?

Vi kender i dag mindst to typer sorte huller: Den ene type har masser på 5-10 gange Solens og dannes, når meget tunge stjerner løber tør for kernebrændsel. Herefter kollapser stjernens kerne og danner et sort hul, mens resten af stjernen slynges ud i en voldsom, såkaldt supernova-eksplosion – i visse tilfælde ledsaget af et gammaglimt. Den anden type sort hul findes i centrum af de fleste galakser og er gigantiske, med masser der måles i millioner eller endog milliarder solmasser.

Hvad er aktive galaksekerner?

Aktive galaksekerner er nogle af de mest lysstærke objekter, vi kender. De befinder sig meget langt væk i andre galakser end vores egen. En aktiv galaksekerne består af et kæmpestort sort hul (undertiden med masser på mere end en milliard solmasser) med en omkringliggende skive af gas, der gradvist falder ind i det sorte hul. Det sorte hul kan ikke selv udsende noget lys, men gasskiven bliver opvarmet på grund af gnidning mellem de gaspartikler, der er på vej ind i det sorte hul. Gassen i skiven begynder at lyse, fordi den bliver så varm. Aktive galaksekerner lyser ofte stærkere end det samlede lys af alle stjernerne i deres værtsgalakse.

Hvad er spektroskopi?

Man kan bruge en spektrograf til at opdele lyset i dets spektrum, så man kan se alle farverne bredt ud - ligesom ved en regnbue. I en rigtig regnbue er det regndråberne, der virker som spektrograf.

Astronomer bruger spektre til at bestemme, hvad himmellegemerne består af. Forskellige grundstoffer absorberer eller lyser ved forskellige energier, og derved giver de anledning til absorptions- eller emissionslinjer i spektret. Astronomer kan så sammenligne med linjer, de ser fra grundstoffer på Jorden, og dermed se, hvilke stoffer der er i himmellegemerne. Ydermere indeholder spektre information om rødforskydning af objekterne.