I går ettermiddag var Camilla og jeg inne i en bokhandel (sjokk!) da vi hørte på radioen at George Smooth og en person til hadde fått Nobelprisen i Fysikk for 2006. vi ble straks interesserte, for George Smooth er et kjent navn for oss begge. Han har skrevet boken "Rynker i tiden", som handler om bakgrunnstrålingen i universet. For å forklare dette nærmere må jeg gå tilbake til begynnelsen.

Det er i dag vanlig å anta at universet begynte med et såkalt Big Bang. Teorien går i grove trekk ut på at absolutt alt fantes i ett lite punkt uten utstrekning, som plutselig og (kanskje) uten forvarsel begynte å utvide seg. Det viktigste å få med seg her er at man ikke tenker seg at materie ble spredd utover i rommet, men snarere at hele universet økte i størrelse, og at rommet ble til etter hvert som det utvidet seg. Det finnes massevis av sammenligninger man kan bruke for å illustrere dette. Personlig liker jeg best ballong-lignelsen. Hvis du blåser opp en ballong med prikker på, blir det lengre og lengre mellom prikkene, men det skyldes ikke at prikkene flytter seg, men at rommet (overflaten på ballongen) utvider seg.

På 40-tallet og utover var det to modeller for universets opprinnelse som rådet. Den ene var Big Bang-modellen, og den andre var Steady State, som i grove trekk går ut på at universet alltid har vært der, og at det ikke endrer størrelse. En av konsekvensene av Big Bang-modellen er at hele universet burde være fylt med stråling. Denne strålingen er en etterlevning fra den gangen universet ikke var gjennomsiktig. Når universet var tilstrekkelig varmt forelå materien som frie elektroner, protoner og nøytroner, og stråling kan ikke bevege seg langt i et slikt medium uten å bli konstant absobert og re-emittert av elektroner og protoner. På ett eller annet tidspunkt ble imidertid universet kaldere, og elektroner og protoner slo seg sammen og dannet hydrogen, og universet ble gjennomsiktig. Den strålingen som fantes da dette skjedde finnes fortsatt, og den er jevnt fordelt overalt.

Dette skjedde ca 300000 år etter Big Bang, og temperaturen i universet var omtrent 3000 grader på den tiden. Det som er skikkelig fascinerende med stråling fra varme ting er at den ofte har en karakter som gjør det mulig å bestemme temperaturen til det som sender ut strålingen. Det er for eksempel slik vi vet hvor varm sola er. På samme måte hadde bakgrunnstrålingen opprinnelig samme karakter som strålingen fra et hvilket som helst legeme med en temperatur på 3000 grader. Universet har imidlertid utvidet seg siden da, og på samme måte som det blir lengre mellom prikkene på ballongen kan man si at det blir lengre mellom bølgetoppene i strålingen, og skarpe hoder regnet ut at strålingen i dag burde ha samme karakter som strålingen fra et legeme på 2,7 K.

Digresjon for de som driver med foto: Det er denne temperaturen det er snakk om når man snakker om fargetemperatur. Sola er ca 6000 grader kelvin på overflaten, og følgelig sier man at sollys har en fargetemperatur på 6000 K. En vanlig glødelampe er mye kaldere, og har en fargetemperatur på 3700 eller noe slikt, som er den temperaturen glødetråden holder. Kaldere gjenstander sender ut stråling med lengre bølgelengde enn varme gjenstander, og som vi vet har rødt lys lengre bølgelengder enn blått lys. Derfor ser alt så rødt ut om du tar bilder i lys fra en glødelampe uten å kompensere.

I 1964 var det to radioingeniører på Bell Laberatories som stod og klødde seg i hodet. De hadde en gigantisk antenne, og de fikk inn et støy de ikke kunne skjønne hvor kom fra. De hadde vasket antennen ren for duemøkk, og ellers sjekket alt de kunne komme på, men støyen var der uansett, med en bølgelengde som tilsvarte en temperatur rundt 2,5-3 grader. De tok en telefon til sitt lokale universitet, som sendte en gjeng fysikere, og 14 år senere fikk de to ingeniørene Nobelprisen i Fysikk. De hadde nemlig oppdaget den kosmiske bakgrunnstrålingen.

Det finnes naturligvis bøttevis med spørsmål omkring livet, universet og alt. Ett av dem er "Hvorfor har materien samlet seg i klumper?". Hvis alt begynte i ett punkt med uendelig tetthet, og har utvidet seg derfra, er det ingen spesiell grunn til å anta at materien skulle klumpe seg sammen, men heller være jevnt fordelt som en tynn gass i hele universet. Det har den imidlertid gjort. Vi sitter for eksempel på en slik klump selv. Da er det naturlig å spørre seg hvorfor dette skjedde, og når det skjedde.

Hvis dette skjedde før universet ble gjennomsiktig er det naturlig å anta at man vil kunne finne igjen dette som små variasjoner i den kosmiske bakgrunnstrålingen, som ellers er helt lik i alle retninger. George Smooth har lenge drevet med forskning på akkurat dette her, og sendt opp ballonger og styr, men forsøk som dette er det alltid best å gjøre med satelitt, for å komme utenfor atmosfæren.

John Mather, den andre fyren som fikk nobelprisen i år, jobbet (og jobber fortsatt) for NASA, og var prosjektleder eller noe slikt for en satelitt som skulle undersøke bakgrunnstrålingen nærmere, og her fikk George Smooth og gjengen hans plass til sitt instrument. Sattelitten COBE (Cosmic Background Explorer) hadde to hovedoppgaver. Den første var å sjekke om spekteret til bakgrunnstrålingen faktisk hadde den fasongen og den temperaturen man ventet, og den andre var å lete etter små variasjoner i temperaturen.

Det å lete etter små variasjoner er tricky greier. Hvis du for eksempel (jeg har tatt på meg spanderbuksene i dag, og spanderer eksempler i alle retninger) har to lodd, som begge veier temmelig nøyaktig 100 gram, er det ganske vanskelig å avgjøre hvilket som er tyngst ved å veie dem en etter en på en vekt. Hvis du derimot kan bruke en gammeldags vippe-vekt, og veie dem mot hverandre, er det mye enklere. Du kan imidlertid aldri være helt sikker på om vekten er nøyaktig. Kanskje er den ene skålen litt tyngre enn den andre, eller noe slikt. Derfor er det alltid best å bytte loddene om på loddene og veie en gang til.

Nøyaktig slik fungerte også instrumentet til Smooth. Det hadde tre par av to antenner, så tok man først en måling, hvorpå man snudde hele oppsatsen 180 grader, slik at parene av antenner kontrollmålte hverandres respektive områder.

Det var mye frem og tilbake før COBE ble skutt opp. Opprinnelig skulle den skytes opp med en romferge i -87 eller -88, men etter at Challenger eksploderte i 1986 ble romfergene satt på bakkene i flere år, og det så stygt ut for COBE. Dette kan du imidlertid lese mer om i boken Wrinkles in Time. Fin bok. Anbefales. For oss holder det å si at satelitten ble skutt opp i 1989, og den fungerte fint. Etter at den hadde vært i drift i 9 minutter hadde man bekreftet at spekteret til bakgrunnstrålingen hadde den fasongen det burde ha. Det tok noen lengre tid å lete etter de små variasjonene, men etter ni måneder med målinger, og sikkert like lenge med signalbehandling og regning, prensenterte de resultatene i 1992. Man hadde funnet små variasjoner i strålingen, som indikerer at det fantes variasjoner i massetettheten i universet allerede 300000 år etter Big Bang. Disse resultatene har senere blitt bekreftet og forbedret av andre forsøk, blant annet WMAP, som var en satelitt mann sendte opp bare for noen få år siden.

Artig teknisk detalj:
Den delen av COBE som målte fasongen på spekteret til bakgrunnstrålingen kunne bare ta målinger i noen måneder før den sluttet å funke. Hvorfor?

Jo, det skyldes at når man skal måle temperaturer på 2,7 K bør ikke instrumentet man måler med være varmere enn dette. For å komme ned på så lave temperaturer må man bruke flytende helium. Flytende helium har et kokepunkt som ved lave trykk ligger bare bittelitt over 0 K. Problemet er naturligvis at helium som koker nødvendigvis må fordampe og forsvinne. Dette slipper man ikke unna. Legger man på lokk for å hindre heliumen i å fordampe vil trykket øke, og da stiger temperaturen, så da er det ikke noe poeng. Helium er ikke et magisk stoff som spiser energi, det eneste det kan gjøre er å holde sattelitten kald ved at det tar med seg energien når det fordamper. Derfor kunne COBE bare fungere så lenge den hadde helium, og dette forsvant etter noen få måneder.

Dette er forresten et problem for mange satelitter som utfører fancy forsøk. Gravity Probe B for eksempel. Det var imidlertid ikke et problem for den delen av COBE som målte små forskjeller i temperaturen, formodentlig på grunn av det jeg sa om vekten tidligere.

Uansett, George Smooth og John Mather er altså årets nobelprisvinnere. Calcuttagutta gratulerer.

-Tor Nordam