Dette forsker årets astrofysikkstudenter på

Det skal handle om galakser, bakgrunnsstråling, og hvordan universet oppfører seg.

Vi har kommet litt ut i høstsemesteret, og jeg og de andre astrofysikkstudentene ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo har kommet i gang med masteroppgavene våre. Jeg har spurt mine medstudenter (vi er et usedvanlig lite kull på fire stykker) om hva de skal forske på innen astrofysikken dette studieåret og hvilke programmeringsspråk de skal bruke.

Galakser som klumper seg

På de aller største skalaene – det vil si hvis vi zoomer ut så langt vi bare kan – ser universet ut som dette:

Resultatet av en simulering av hvordan strukturer har utviklet seg i universet over tid. Bilde: The Millennium Simulation Project

Her representerer hver eneste lysprikk en galakse. Galakser vokser i formasjoner kalt «filamenter», hvor de klumper seg mer sammen noen steder enn andre og danner bånd som er knyttet sammen. Vi ønsker å forstå hva det er som får galakser til å klumpe seg sammen på akkurat den måten de gjør, for å få en bedre forståelse for hvordan universet fungerer. Styres sammenklumpingen av 1) hydrodynamiske effekter? Eller kanskje er det 2) en modifisert gravitasjonsteori som beskriver observasjonene våre best? Eller er det en kombinasjon av begge to?

Dette skal Andreas prøve å finne ut av ved å kjøre ulike simuleringer av sammenklumpingen av galakser, for å se hvordan sammenklumpingen blir påvirket av de to ulike fysiske årsakene. Vil hydrodynamiske effekter og en modifisert gravitasjonsteori lede til samme resultat? Eller vil sammenklumpingene se helt annerledes ut i de to tilfellene? Og hvis påvirkning fra de to ligner på hverandre, er det mulig å skille bidraget fra de to?

Tittelen på oppgaven: The interaction between hydrodynamics and modified gravity on cluster scales
Programmeringsspråk: Valgfritt, men fordel å bruke Python pga. eksisterende programvare. Simuleringer gjøres med RAMSES.

Variasjoner i den kosmiske bakgrunnsstrålingen

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen beskriver universet da det bare var 380 000 år gammelt, og ser slik ut:

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Figur: Planck/ESA

De ulike fargene representerer forskjellige temperaturer, hvor rødt er varmt og blått er kaldt. Selv om fargene er svært forskjellige, er temperaturforskjellene mellom de ulike fargene veldig små – vi snakker om forskjeller på noe sånt som 0,00001 grader celsius!

I kosmologien, som er studiet av universet som helhet, liker vi å anta at universet er homogent (likt over alt) og isotropt (likt i alle retninger), fordi det gjør matematikken så mye enklere. Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er veldig jevn, men ser ut til å være litt sterkere i noen retninger enn andre. Så kan den virkelig sies å være isotrop? Blir resultatene våre feil når vi regner på universet fordi de bygger på en feilaktig antagelse?

Sara skal se på den kosmiske bakgrunnsstrålingen på 12 forskjellige deler av himmelen og se etter hvor sterk variasjonen i temperaturen er på de ulike stedene. Dette er for å sjekke om antagelsen om at bakgrunnsstrålingen og universet vårt er isotropt stemmer!

Tittelen på oppgaven: Testing quadru- and octopolar asymmetry in Planck data
Programmeringsspråk: Fortran og IDL

Problemet med den kosmologiske konstanten

For å beskrive gravitasjonskreftene i universet vårt, bruker vi Einsteinligningen:

Venstre siden av ligningen beskriver krumningen av rommet, mens høyre side beskriver materie- og energiinnholdet i universet. Ligningen sier med andre ord at materie og energi påvirker geometrien til rommet. Rommer krummer seg rundt massive objekter, og dette kan tolkes som at det er et gravitasjonsfelt der.

Kurvet romtid. Bilde: Wikipedia Commons

Ligningen ovenfor danner grunnlaget for Einsteins generelle relativitetsteori, som er teorien vi bruker for å beskrive gravitasjonskreftene i universet. Denne teorien er veldig godt testet i våre lokale omgivelser, altså solsystemet vårt. Men på større skalaer hvor vi har med universets akselerasjon å gjøre, er det noe som ikke stemmer …

Symbolet Λ (den greske bokstaven lambda) i ligningen representerer den kontroversielle kosmologiske konstanten, også kjent som vakuumenergi eller mørk energi. Den bidrar til å beskrive hvordan universet vårt utvider seg med en akselerert hastighet. Men det er et problem med denne konstanten: Observasjoner og vår fysiske teori for hva dens verdi skal være, stemmer ikke overens i det hele tatt. Dette kalles kosmologisk konstant-problemet. Uoverensstemmelsen er så stor at den teoretiske verdien for den kosmologiske konstanten er blitt omtalt som «den verste teoretiske forutsigelsen i fysikkens historie».

Denne uoverensstemmelsen er ett av flere problemer i astrofysikken som har ført til at folk arbeider med såkalte modifiserte gravitasjonsteorier, som handler om å endre litt på Einsteinligningen for å se om resultatet da stemmer bedre med det vi observerer. Men alle endringer vi finner på å gjøre, må ikke påvirke resultatet på vår lokale skala hvor vi vet at teorien stemmer – kun på stor skala.

Peder skal se på en metode der han erstatter den kosmologiske konstanten med et vektorfelt som vil oppleves som en ny «kraft» (i likhet med gravitasjon), for å se om dette kan gi en bedre overensstemmelse mellom teori og observasjoner!

Tittelen på oppgaven: Vector fields screening in modified gravity
Programmeringsspråk: Valgfritt

Melkeveiens alder

Rhenium-isotopen Re-187 blir dannet gjennom en hel spesiell kjernefysisk prosess kalt r-prosessen (r står for rapid). Dette er en prosess som krever massevis av nøytroner og som for eksempel kan foregå i kollapsende supernovaer eller når nøytronstjerner kolliderer med hverandre. Ved å måle mengden Re-187 i Melkeveien, kan vi estimere alderen til galaksen vår. Akkurat hvordan alderen til Melkeveien henger sammen med mengden Re-187, vet jeg ikke, for Marie som skulle jobbe med denne oppgaven, endte med å starte på doktorgrad i stedet (hun har en master i fysikk fra før).

Men skulle hun ha jobbet med dette prosjektet, hadde det gått ut på å undersøke usikkerheten i alderen til Melkeveien som måles på denne måten, ved å se på hvordan andre faktorer spiller inn på målingene. Kanskje dette prosjekt er en mulighet for neste års masterstudenter? 😉

Tittelen på oppgaven: Uncertainty estimation for Re-Os cosmochronology
Programmeringsspråk: Sannsynligvis Fortran eller Python

Melkeveien observert fra vår plass på innsiden av den. Trykk på bildet for å komme til et innlegg jeg har skrevet om det. Bilde: ESO

Hvor mye lyser galaksen?

Til slutt er det min oppgave! Den har jeg jo allerede skrevet om, men her kommer en litt mer kortfattet versjon.

Aktive galakser er galakser hvor kjernen lyser innmari sterkt. Vi tror at de fleste galakser i universet har et supermassivt sort hull i kjernen, og at det er aktiviteten til det supermassive sorte hullet som får det til å lyse.

Siden aktive galakser lyser så sterkt, kan de ses over enorme avstander. Ettersom vi ser tilbake i tid når vi ser utover i universet, betyr det at aktive galakser lar oss se enda lenger tilbake i tid enn «vanlige» galakser. Det er fortsatt mange ubesvarte spørsmål rundt forholdet mellom supermassive sorte hullet og galaksen det «bor» i, og vi er derfor interessert i å se dem så tidlig som mulig i universets historie for å lære mer. Vi er spesielt interessert i å måle massen til de supermassive sorte hullene som skjuler seg i de aktive galaksene ved ulike avstander.

For å estimere massen til sorte hull, må vi måle lysstyrken til galaksekjernen. Problemet er at når vi prøver å måle lyset fra kjernen, vil det være litt «lysforurensning» fra galaksen som ligger rundt, og det vil gi oss feil estimat av massen til det sorte hullet. Så vi må finne en måte å få renset vekk dette lyset på. Frem til nå har man brukt Hubbleteleskopet ved å ta høyoppløste bilder og gjøre beregninger utifra dette. Men Hubbleteleskopet nærmer seg slutten av sin fantastiske levetid, og vi må finne andre metoder (hvis de finnes!).

Jeg skal sjekke om vi kan bruke eksisterende programvarer for å regne ut galaksebidraget. Da trenger vi kun å ta ett lysspektrum av hele galaksen, som er mye enklere og billigere enn å ta høyoppløste bilder. Det kan se slik ut:

Et gjennomsnittlig lysspektrum for kvasarer, som er en bestemt type aktiv galakse.

Det viser rett og slett hvor sterkt galaksen lyser i hver eneste bølgelengde. Programvarene jeg skal se på vil forsøke å «lese» lysspekteret og dele det opp i ulike komponenter basert på teorier vi har for hvorfor spektre ser ut som de gjør. Dette skal jeg gjøre en statistisk studie av ved å lage en database med kunstige lysspektre hvor jeg vet akkurat hva jeg putter inn, og dermed akkurat hva programvarene bør gi ut. Så får vi se om de klarer det!

Tittelen på oppgaven: Establishing the host galaxy contribution to spectroscopic data of the nuclear emission
Programmeringsspråk: IDL

* * *

Det blir utrolig spennende å se hva vi har kommet frem til når studieåret er omme! Jeg får skrive om det også, når vi har kommet så langt 😉

Hovedbilde: Pexels

Relaterte innlegg

Legg inn en kommentar

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.