Vi har valgt titlen på denne online publikation – Astronomi i det 21. århundrede – for at understrege, at dette er det mest fascinerende tidspunkt i historien, til at studere denne den ældste af videnskaber. Løst oversat, betyder ordet astronomi ”mønstre blandt stjernerne”, men moderne astronomi, der er den astronomi vi vil behandle i denne bog, er blevet til langt mere end at kigge på himlen og katalogisere hvad der er synligt på den. Vi vil give svar på spørgsmål som du måske spurgte dig selv om da du var barn og kiggede på himlen. Hvad er Solen og Månen lavet af? Hvor langt væk er de? Hvad er stjernerne? Hvordan virker de? Har de noget at gøre med mig? Dertil bliver spørgsmål af tilsyneladende metafysisk karakter som universets oprindelse og skæbne og beskaffenheden af tid og rum, behandlet ved en streng videnskabelig undersøgelse. De svar vi er ved at finde på disse spørgsmål, er ofte langt mere forunderlige end vore forfædre kunne have drømt om. De ændrer ikke kun vores opfattelse af kosmos, mes også opfattelsen af os selv.
Et glimt af “vores sted” i universet
De fleste af os, har en fast adresse – side, etage, gadenummer, gadenavn, by, land. Det er der postbuddet leverer vores post. Men lad os for et øjeblik udvide vores opfattelse. Vi lever også et sted i det enorme univers. Hvad er så vore ”kosmiske adresse”? Den kunne se således ud: planet, stjerne, galakse, galaksegruppe, galaksehob.
Vi bor alle på en planet kaldet Jorden, der kredser omkring en stjerne kaldet Solen, under indflydelse af tyngdekraften. Solen, er en almindelig, midaldrende stjerne, der er mere massiv og stærkere lysende end nogle stjerner, men mindre m
assiv og svagere lysende end andre stjerner. Solen er kun ekstraordinær på grund af dens betydning for os inden for vores eget Solsystem. Vores Solsystem består af otte klassiske planeter – Merkur, Venus, Jorden, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Det indeholder også mange mindre legemer som for eksempel dværgplaneter, asteroider og kometer. I august 2006, omdefinerede den Internationale Astronomiske Union (IAU) hvad astronomer mener, når de kalder noget for en planet. Under den nye definition, blev Pluto som vi alle kender som den ”niende planet” siden dens opdagelse i 1930, uden videre frataget sin planetstatus og degraderet til dværgplanet. Vi kan definere størrelsen af vores Solsystem, ved sit fjerneste planetariske legeme, en dværgplanet kaldet ”Eris”, selv om andre retmæssigt kunne inkludere sfæren af små isede legemer, der strækker sig langt længere ud end Eris’ bane omkring Solen.
Solen, ligger omtrent halvvejs fra midten i en fladtrykt samling af stjerner, gas og støv, der omtales som Mælkevejen. Vores Sol er blot én blandt omkring 300 milliarder stjerner spredt over hele galaksen og mange af disse stjerner er selv omgivet af planeter, hvilket tyder på at fremmede planetsystemer kan være reglen snarere end undtagelsen.
Mælkevejen, er medlem af en lille samling af et par dusin galakser, kaldet den Lokale Gruppe. Mælkevejen og Andromedagalaksen er de sande kæmper den Lokale Gruppe. De fleste andre medlemmer, er hvad astronomerne kalder for ”dværggalakser”. Ser man længere ud i universet, er den Lokale Gruppe en del af en langt større samling af tusindevis af galakser – en superhob – der kaldes for Virgo superhoben.
Vi kan nu definere vores ”kosmiske adresse” – Jorden, Solsystemet, Mælkevejen, den Lokale Gruppe, Virgo superhoben – som illustreret i figur 1.1. Selv denne adresse er dog ikke komplet, fordi den enorme struktur vi lige har beskrevet, kun er det lokale univers. Den del af universet som vi kan se, strækker sig langt ud over dette – en afstand som det tager lyset 13,7 milliarder år at passere – og inden for denne del af Universet, vurderes det at der er flere hundrede milliarder galakser, eller omtrent lige så mange galakser, som der er stjerner i Mælkevejen!
Universets skala
En af de første konceptuelle forhindringer vi står over for, når vi begynder at tænke på Universet, er dets blotte størrelse. Hvis en bakke er stor, er et bjerg virkelig stort. Hvis et bjerg er virkelig stort, så er Jorden enorm. Men hvordan fortsætter vi herfra? Vi løber hurtigt tør for superlativer i forhold til omfanget af Universet i forhold til vores egen lille menneskelige erfaring. En teknik, der kan hjælpe os med at udvikle en sans for størrelsen af ting i Universet, er ved at bevæge os fra at tale om afstand til at tale om tid i stedet. Hvis du kører ud af en vej med 60 km/t (kilometer i timen), så er 1 kilometer, den afstand du tilbagelægger på et minut. 60 kilometer er afstanden du tilbagelægger på en time. 600 kilometer er afstanden du tilbagelægger på 10 timer. For at få en fornemmelse for forskellen i størrelse mellem 600 kilometer og 1 kilometer, kan du tænke på forskellen mellem 10 timer og et enkelt minut.
Vi kan gøre det samme i astronomi, men hastigheden af en bil på landevejen, er alt for langsom til at være nyttig her. I stedet bruger vi den største hastighed i Universet – lysets hastighed. Lyset bevæger sig med 300.000 kilometer i sekundet (km/s). Ved denne hastighed, kan lys kredse en omgang om Jorden (en afstand på 40.000 km) på knap 1/7 sekund, eller omkring det samme tidsrum det tager dig at knipse med fingrene. Størrelsen på Jorden er altså den samme som et knips med fingrene! Fælg samme tankegang i figur 1.2, som vi bevæger os udad i Universet. Denne figur fremhæves som en ”Visuel analogi”. Den visuelle analogis mærkater, der gør analogier mellem astronomiske fænomener og hverdagsobjekter mere konkrete. Det næste vi møder er Månen, omkring 384.000 km væk, eller en smule over 11/4 sekunder hvis man bevæger sig med lysets hastighed. Fortsætter vi, finder vi at Solen ved denne hastighed er 81/3 minutter væk, eller længden på en forhastet frokostpause. Passage fra den eneside af Neptuns bane omkring Solen (den yderste klassiske planet), til den anden, er knapt 8,3 timer. Lad os tænke over dette et øjeblik. Afstanden af Neptuns bane i forhold til omkredsen af Jorden, er som at sammenligne en god nats søvn med et enkelt knips med fingrene.
At krydse Neptuns bane tager 8,3 timer, men vores rejse dog lige begyndt. Det tager os lidt over fire år, at tilbagelægge afstanden fra Jorden til den nærmeste stjerne (der ikke er Solen), eller lige så lang tid som en mellem lang universitetsuddannelse tager. På dette tidspunkt, kan vores analogi ved rejsetiden af lys dog ikke længere bringe astronomiske afstande ned til en menneskelig skala. Det tager lys omkring 100.000 år, at rejse på tværs af vores galakse – omkring det samme tidsrum som det moderne menneske (Homo sapiens) har eksisteret på Jorden. For at nå den nærmeste store galakse uden for vores egen, tager det lyset et par millioner år – den tid der er gået, siden vores forfædre australopithecus opstod. At nå grænsen for det nuværende observérbare univers, tager det lyset 13,7 milliarder år – det er alderen på Universet eller omkring tre gange Jordens alder.
Kig på denne sammenligning igen. Størrelsen på Jorden sammenlignet med størrelsen på Universet, er som et enkelt knips med fingrene sammenlignet med tre gange den tid der er gået siden Solen og Jorden blev dannet! Det er værd at tænke over, næste gang du kigger op på den stjernefyldte sommerhimmel.
Universets oprindelse og udvikling
Under søgen efter viden om universet og hvordan det virker, er moderne astronomi og fysik gentagne gange kommet ansigt-til-ansigt, med en række ældgamle spørgsmål, der længe ansås for kun at være filosoffernes domæne. Figur 1.3 viser en rejsende, der hæver himlens slør, for at se hvad der ligger bag det. Ligesom denne fiktive rejsende, så filosofferne gennem tiderne på universet og så det som værende fjernt og anderledes fra Jorden – frakoblet vores jordiske eksistens. Når moderne astronomer ser på universet, ser de i stedet et netværk af igangværende processer, som vi er en del af. Astronomi begynder ved at kigge ud på universet, men den udadvendte observation forvandles i stigende grad til indadvendt observation, i det vi lærer at forstå, at vores egen eksistens er en konsekvens af de samme processer vi observerer i universet.
Studiet af den kemiske udvikling i universet er et sådan tilfælde. Teori og observation fortæller, at universet blev skabt i ”The Big Bang” for omkring 13,7 milliarder år siden. Som et resultat af både observation og teoretisk arbejde, forstår vi nu, at de eneste kemiske grundstoffer der fandtes i det tidlige univers, var hydrogen og helium, samt ganske små mængder af lithium, beryllium og bor. Vi lever dog på en planet, hvis kerne hovedsageligt består af jern og nikkel, omgivet af en kappe bestående af sten som indeholder store mængder silicium og forskellige andre grundstoffer. Vores kroppe er opbygget af kulstof, nitrogen, oxygen, natrium, phosphor og et væld af andre kemiske grundstoffer. Hvis disse grundstoffer der udgør Jorden og vores kroppe, ikke var til stede i det tidlige univers, hvor kommer de så fra?
Svaret på dette spørgsmål, ligger inde i stjernerne. Kernefusionsreaktioner foregår dybt inde i stjernernes indre og kombinerer atomer som for eksempel brint og danner derved tungere atomer. Derved opnår stjernerne at opfylde alkymisternes uopnåelige drøm – at omdanne et grundstof til et andet. Når en stjerne udtømmer sit nukleare brændstof og nærmer sig slutningen af sin levetid, mister den ofte meget af sin masse – herunder nogle af de nye atomer dannet i dens indre – ved eksplosion ud i det omgivne rum. Vi vil senere se nærmere på stjernernes liv og død. Her er det nok at bemærke, at Solen og Solsystemet er dannet af en sky af interstellar gas og støv, som var blevet ”forurenet” af de kemiske efterladenskaber fra tidligere generationer af stjerner. Denne kemiske arv, leverer byggestenene til de interessante kemiske processer, der sker omkring os – kemiske processer som for eksempel livet. Figur 1.4 symboliserer dette intime forhold mellem verden omkring os og vores arv fra stjernerne. Prøv at se dig omkring. Atomerne, der udgør alt hvad du ser, blev dannet i hjertet af stjerner. Poeter siger engang i mellem, at vi er ”børn af stjernestøv”, men det er ikke bare poesi, det er en bogstavelig sandhed.
Som mennesker, har vi længe spekuleret på vores oprindelse. Hvem eller hvad er ansvarlig for vores eksistens? Hvordan blev himlen og Jorden skabt? I den moderne verden, er primitive skabelsesmyter stort set afløst af videnskabelige forklaringer[1]. Hvornår og hvordan begyndte Universet? Hvilke kombinationer af begivenheder – nogle sandsynlige og andre meget mindre sandsynlige – har ført til vores eksistens som tænkende, levende væsner, der lever på en lille klippeplanet som kredser om en typisk midaldrende stjerne? Var dette en unik hændelse, eller er der andre som os spredt rundt om i galaksen? Vi vil se på tilblivelsen af jordbaseret liv, men vi vil også undersøge mulighederne for liv andre steder i og uden for vores Solsystem – et emne kaldet astrobiologi. For at livet kan eksistere omkring andre stjerner i galaksen, skal der være livsopretholdende planeter til at støtte det. Vi vil se på opdagelsen af planeter og hvordan de kan sammenlignes med planeterne i vores eget solsystem.