Årets nobelpris i fysikk tildelt astrofysikere

Av Erik Tronstad

Nobelprisen i fysikk for 2002 er tildelt Riccardo Giacconi (født 1931) med én halvdel, mens Raymond Davis jr. (født 1914) og Masatoshi Koshiba (født 1926) deler den andre halvdelen. Giacconi - som er født i Italia, men nå er amerikansk statsborger - fikk prisen for sin pionerinnsats innen røntgenastronomi. Davis (USA) og Koshiba (Japan) fikk prisen for sin pionerinnsats innen nøytrinoastronomi.

Røntgenbilde av Solen tatt av den japanske Yohkoh-satellitten, og kodet med falske farger. Mørke områder er de som i synlig lys fremtrer best, og som har en temperatur på rundt 6000 °C. Den «lave» temperaturen der gjør at områdene sender ut lite røntgenstråling, og her fremstår som mørke. Lyse partier er aktive områder i koronaen, der temperaturene er oppe i flere millioner grader. (ISAS, Yohkoh-prosjektet, SXT-gruppen)

Sammen med avdøde Bruno Rossi (som røntgensatellitten Rossi X-ray Timing Explorer er oppkalt etter) oppdaget Giacconi i 1962 den første røntgenkilden utenfor Solsystemet. Etter to mislykkede oppskytinger av forskningsraketter, den første i 1960 og den andre i 1961, lyktes gruppen til Giacconi omsider på det tredje forsøket, 19. juni 1962. Da ble en forskningsrakett av type Aerobee 150 skutt opp fra White Sands i New Mexico, USA til 224 km høyde. Instrumenter i raketten observerte røntgenstråling fra kilden som nå kalles Sco X-1, og som er en dobbeltkilde. Dessuten oppdaget man gjennom observasjoner fra denne raketten det som er en diffus bakgrunn av røntgenstråling fra alle kanter av Universet. Senere observasjoner har vist at denne strålingen har sitt opphav i enkeltkilder.

Giacconi var også en drivkraft bak den første røntgensatellitten, NASAs Uhuru, som ble skutt opp 12. oktober 1970. Den foretok en grov kartlegging av astronomiske røntgenkilder.

En etterfølger til Uhuru, High Energy Astrophysical Observatory 1 (HEAO 1), ble skutt opp 12. august 1977. HEAO 1, med en annen røntgenpioner, Herbert Friedman ved Naval Research Laboratory som leder, oppdaget langt flere røngtekilder enn Uhuru. Med HEAO 1 greide man også å posisjonsbestemme flere røntgenkilder så godt at de kunne identifiseres med kilder man hadde observert i synlig lys (optisk).

Etter HEAO 1 ble HEAO 2 skutt opp 12. november 1978. For HEAO 2 var Giacconi leder for både selve satellittprosjektet og vitenskapelig leder. HEAO 2, som senere ble omøpt til Einstein X-ray Observatory, var en stor vitenskapelig suksess. Instrumentene om bord var tusen ganger mer følsomme enn de Uhuru hadde hatt, og kunne registrere røntgenkilder som var én million ganger svakere enn Sco X-1, den første kilden Giacconi var med på å finne i 1962.

Røntgenbilde av Krabbetåken laget på grunnlag av observasjoner med Chandra X-ray Observatory og kodet med falske farger. Den innerste ringen har en diameter på omkring ett lysår. Bildet gir et inntrykk av de svært dynamiske forholdene rundt pulsaren i Krabbetåken, Pulsaren er det lysende objektet i midten av ringen. (NASA/CXC/ASU/J. Hester, et. al.)

Disse satellittene er blitt etterfulgt av mange andre røntgensatellitter. En av dem er Chandra X-ray Observatory. (Se artikkelen Røntgenastronomi med Chandra i Nytt om Romfart nummer 110, 1999, sidene 26-31.) Alt i 1976, mens Einstein X-ray Observatory ennå var under bygging, foreslo Giacconi og andre et enda større røntgenobservatorium, som de betegnet Advanced X-ray Astrophysics Facility (AXAF). Gjennom flere endringer er AXAF blitt til det som i dag er Chandra X-ray Observatory. Der leder for øvrig Giacconi et av observasjonsprogrammene.

De siste 20 årene har Giacconi hatt fremtredende lederstillinger. Han ble i 1981 den første lederen for Space Telescope Science Institute i Maryland, USA, instituttet som har det vitenskapelige ansvaret for Hubble-romteleskopet. Der sluttet han i 1993 for å lede European Southern Observatory (ESO), som har hovedkvarter utenfor München i Tyskland. Fra ESO flyttet han senere over til å lede Associated Universitites Inc. i USA. Fra 1982 var han samtidig professor i fysikk ved Johns Hopkins University, en stilling han fortsatt har.

Giacconi og Rossis pioneroppskytinger tidlig i 1960-årene ga opphav til den grenen av astronomien som betegnes røntgenastronomi. I dag er dette et stort fagfelt innen astronomi. Røntgenobservasjoner har gitt helt fundamental viten innen mange områder av astronomi, som for eksempel prosesser rundt svarte hull, nøytronstjerner, dobbeltstjernesystemer, galakser og kvasarer.

Giacconi, Rossi og Friedmann regnes som de tre store pionerene innen røntgenastronomi. Både Rossi og Friedman er døde.

Nøytrinoer er elementærpartikler som produseres i mange prosesser som involverer atomkjerner, blant dem fusjonsprosessene i Solens indre. Nøytrinoer vekselvirker nesten ikke med materie, og er derfor svært vanskelige å observere.

En fordel med at de vekselvirker dårlig med materie, er at nøytrinoer som produseres i kjernereaksjoner i Solens sentrum, lett flyr rett gjennom Solens øvre lag og ut fra Solen. Fotoner (lyspartikler) som produseres der inne, bruker opptil én million år på å nå soloverflaten. Årsaken er at de stadig kolliderer med andre partikler der inne og «virrer hit og dit», før de omsider kommer til overflaten. Nøytrinoer bruker til sammenlikning bare et par sekunder opp til soloverflaten.

Mens lyset vi nå ser fra Solen, ble produsert for opptil én million år siden, så ble nøytrinoene som i dette øyeblikk raser gjennom oss, produsert for bare litt over 8 minutter siden. Nøytrinoer beveger seg med hastigheter nær opptil lyshastigheten, og bruker derfor bare noe over 8 minutter på de 150 millioner kilometer fra Solen og hit.

Nøytrinobilde av Solen, kodet med falske farger. Det er laget ved at man over 500 døgn registrerte nøytrinoer fra Solen ved Super Kamiokande. Bildet dekker et stort område av himmelen, hele 90° x 90°, med Solen i sentrum. Jo lysere farge, jo flere nøytrioner ble registrert fra den retningen. (R. Svoboda og K. Gordon (LSU))

Davis begynte alt i 1950-årene å arbeide med observasjoner av nøytrinoer, i fysikkeksperimenter. Han kom da på ideen om å prøve å observere nøytrinoer fra Solen. For det formålet bygde han, sammen med andre, en stor tank fylt med 600 tonn væske dypt nede i en nedlagt gullgruve i Lead, Syd-Dakota. Prinsippet bak observatoriet var at et og annet nøytrino fra Solen ville vekselvirke med kloratomer i væsken og omdanne dem til argonatomer. Davis konstruerte svært avansert teknisk utstyr for å registrere de få argonatomene som ble produsert.

I 1967 stod observatoriet ferdig og Davis kunne begynne å «samle på» nøytrinoer. Observasjonene hans viste seg snart å stemme dårlig med teoretiske beregninger av hvor mange nøytrinoer han burde observere. Denne uoverensstemmelsen var i mange år kjent som «solnøytrinoproblemet».

Nøytrinoer kommer i tre forskjellige utgaver eller typer. Davis' observatorium kunne bare registrere én av dem. En mulig forklaring på uoverensstemmelsen var at nøytrinoer rett og slett byttet type underveis fra Solen til Jorden. Det ville i så fall stemme bra med at Davis observerte omtrent bare én tredel av det antallet nøytrinoer beregninger tilsa han burde «se».

Mens Davis var i gang med sine observasjoner, bygde Koshiba og kolleger av ham et annet nøytrinoobservatorium, kalt Kamiokande. Det var plassert en gruve i Japan og bestod av en enorm tank fylt med vann. Når nøytrinoer raste gjennom tanken, reagerte noen av dem med atomkjerner i vannet. Små lysglimt ble da produsert, og registrert med meget følsomt utstyr.

Koshiba gjorde observasjoner som bekreftet resultatene til Davis.

En viktig forskjell mellom observasjonene til Davis og Koshiba var at Koshiba kunne registrere nøyaktig når en reaksjon skjedde og retningen nøytrinoet kom inn med. Dermed ble det for første gang mulig å påvise at nøytrinoene faktisk kom fra Solen, noe man inntil da bare hadde antatt.

Supernovaresten etter SN1982A fotografert med Hubble-romteleskopet og fargekodet. Mest fremstående er tre ringer av lysende gass. Selve supernovaresten er midt i bildet. SN1987A er den første, og hittil eneste, supernovaen det er registrert nøytrinoer fra. (Dr. Christopher Burrows, ESA/STScI og NASA)

For å øke følsomheten på observasjonene, bygde Koshiba et enda større observatorium, Super Kamiokande. Observasjoner gjort der viste at nøytrinoer faktisk kan svinge mellom de tre grunntypene, et fenomen som kalles nøytrinosvingninger. Dette forklarer også hvorfor Davis ikke observerte så mange nøytrinoer som teoretiske beregninger opprinnelig tilsa.

Kamiokande var for øvrig ett av to observatorier som observerte nøytrinoer fra supernovaen SN1987A, som ble synlig i Den store magellanske sky i februar 1987. Dette var helt unike observasjoner, som aldri før var gjort, og bekreftet viktige deler av teorier omkring supernovaer.

Du kan lese mer om SN1987A i artikkelen Nærmeste supernova på 383 år i Nytt om Romfart nummer 62, 1987, sidene 58-60, 62. Vi har tidligere berørt solnøytrinoproblemet i artikkelen Nærmer solnøytrinoproblemet seg en løsning? i Nytt om Romfart nummer 77, 1991, sidene 25-26.