Hoppa till huvudinnehåll

Vetenskap

Fråga Kvanthopp: Varför får rymdsonderna inte soppatorsk, och vad händer när Andromedagalaxen rammar Vintergatan?

Ihminen ihmettelemässä linnunrataa

Hur kan rymdsonderna flyga år efter år utan att få slut på bränslet? Finns det intelligent liv på andra planeter? Vad händer när två galaxer kolliderar? Har universums expandering accelererat allt sedan big bang? Bland annat det här frågade ni när jag bad er skicka in frågor till kvanthopp@yle.fi.

Och som utlovat så ska veckans avsnitt av Kvanthopp ägnas åt att svara på era frågor.

Fråga Kvanthopp 2: Varför får rymdsonderna inte soppatorsk, och vad händer när Andromedagalaxen rammar Vintergatan?
Fråga Kvanthopp 2: Varför får rymdsonderna inte soppatorsk, och vad händer när Andromedagalaxen rammar Vintergatan? - Spela upp på Arenan

Tar rymdsondernas bränsle aldrig slut?

Vi börjar med en fråga som jag fick då jag var ute och talade inför levande publik – första gången på länge, vilken känsla! (Tack till Helsingfors lyceumklubb för inbjudan.) 

Det här är en fråga som jag har fått förr, i flera olika sammanhang. Jag minns att min mormor undrade samma sak en gång för länge sedan. Det tycks vara något som ganska många undrar över, så det är kanske på sin plats med en förklaring.

Alltså, frågan som en dam i publiken ställde lyder: Varifrån får rymdsonderna och de övriga rymdfarkosterna sin drivkraft så att de kan flyga år efter år. Då hade jag alltså i mitt anförande talat om Voyagersonderna, 1 och 2, som har varit på väg i 44 år nu. De sköts iväg 1977, samma år som den ursprungliga Stjärnornas krig-filmen hade premiär.

Båda Voyagertvillingarna besökte Jupiter och Saturnus, men efter det skildes deras vägar åt. Voyager 1 for och kollade in Saturnus måne Titan medan Voyager 2 tog sig en sväng förbi Uranus och Neptunus. Sedan flög de bägge ut ur solsystem, åt lite olika håll.

En teckning av voyager-rymdkapseln i rymden.
Bildtext Hur får rymdsonderna bränsle? Här en teckning av den ena Voyagersonden.

För några år sen blev Voyagersonderna de första föremål tillverkade av människohand som lämnade solsystemet helt och hållet. Voyager 1 2012 och Voyager 2 i sin tur 2018. De passerade alltså då den så kallade heliopausen, där som solvinden slutar blåsa och vindarna utifrån, från den djupa rymden, tar över.

Voyager 1, som har tillryggalagt den längsta sträckan av de två, och som är den mest avlägsna av våra rymdfarkoster, är just nu ( i september 2021) cirka 23 miljarder kilometer hemifrån. Det här motsvarar ungefär 150 gånger jordens avstånd från solen. 

Och för varje sekund som går lägger Voyager 1 ytterligare 17 kilometer mellan sig själv och jorden. Den har alltså en hastighet på mer än 61 000 kilometer i timmen. Ett passagerarplan, säg nu en Airbus A321, har en marschfart på lite under 900 kilometer i timmen. Och då kan den flyga lite drygt 6 000 kilometer innan den behöver landa för att tanka.

Det är därför som det strider mot vår intuition att rymdsonder som Voyager 1 och 2, eller Pioneer 10, eller vårt sändebud till Pluto, New Horizons, kan flyga på till synes i evighet, utan en droppe bränsle. I hastigheter tiotals gånger fortare än de snabbaste flygplanen.

För det gör de, nämligen. Flyger mer eller mindre för evigt. De kommer att fortsätta sin färd i tiotals tusen, hundratals tusen, kanske flera miljarder år. Som osaliga själar irrar de över rymdens mörka vidder. Ifall de inte skulle råka träffa någonting, eller trilla ned i en stjärna, vilket är väldigt osannolikt. 

Rymdsonden BepiColombo närmar sig planeten Merkurius. Teckning.
Bildtext Rymdsonderna kan åka för evigt, om de inte krockar med en stjärna eller någonting. Här en teckning av sonden BepiColombo nära Merkurius.

Vad är det som driver dem? Har Voyagertvillingarna och de övriga rymdsonderna något superbatteri som ger dem sin drivkraft? Så löd alltså frågan jag fick. Nå jo, alltså, de har ju batterier, så kallade radioisotopgeneratorer eller RTG-generatorer. Kalla dem atombatterier om du vill. Voyagertvillingarna har tre stycken RTG-generatorer som producerade 470 watt vid tiden för starten. 

Men rymdsondernas kraftkällor ger inte någon framåtdrivande kraft, de är bara till för att driva instrumenten ombord. Och de tar slut relativt fort, de räcker i några årtionden. Voyagertvillingarna kommer att ha tömt sina batterier rätt så snart, något tag under de följande fem åren. Då kommer de att tystna för evigt.

Men det betyder ju inte att Voyagersonderna kommer att stanna upp. De kommer inte att göra som morfars gamla aktersnurra då bränslet tog slut och man fick ro hem. Rymdsonderna bara kör på vidare ut över de kosmiska gapen.

I rymden funkar det lite annorlunda än i Barösund 1977. Och här kommer vi alltså till det egentliga svaret på frågan. Ett föremål som skjuts iväg ut i rymden, som en rymdsond, eller ett föremål som redan finns där, som en meteorit, rullar inte längs en väg, så att säga. De rör sig genom rymdens vakuum. 

Ett flygplan i luften fotograferat underifrån.
Bildtext Ett flygplan måste kämpa mot luftmotståndet för att röra sig framåt.

Ett flygplan eller en bil måste kämpa mot luftmotståndet när de färdas från punkt A till punkt B. Motståndet från luften och rullmotståndet från hjulen resulterar i friktion. Det får bilen, eller flygplanet, att sakta in, och till slut stannar de (eller trillar från skyn, i flygplanets fall), om man inte förser dem med framåtdrivande kraft. 

Rymdsonder, däremot, de har inget luftmotstånd och ingen friktion att kämpa mot. De behöver inte heller kämpa mot jordens tyngdkraft. Det finns inget “ned” dit de kan falla. De behöver i princip bara förses med framåtdrivande kraft en gång, när de lämnar jorden. De behöver uppnå en viss hastighet kallad flykthastigheten, alltså den hastighet som behövs för att man ska kunna ta sig bort från en himlakropp utan att dras tillbaka av gravitationen. Jordens flykthastighet är ca 11 km/s (39 300 km/h). 

Sedan är det evigheten nästa, liksom.

Men för en rymdsond som siktar på att lämna solsystemet räcker det här ännu inte. Också solen har en viss flykthastighet som avtar med avståndet från solen. Här vid jordens omloppsbana krävs det en flykthastighet på 42,1 km/sek för att skaka av sig bojorna från solens gravitation.

Det här låter som ruskigt mycket, och det är det ju, men är man smart så utnyttjar man jordens egen hastighet. Jorden kretsar ju kring solen med en hastighet på 29,8 kilometer i sekunden. Och en rymdsond som skjuts iväg i jordens färdriktning har så att säga den hastigheten på kontot redan från början. Så det är inte så himla mycket som behöver skjutas till för att rymdsonden ska få ihop nog med fart för att flyga ut ur solsystemet.

Om att kasta rymdsonder med slunga

Ett favoritknep som Nasa & c:o också brukar använda är att utnyttja de övriga planeterna som gravitationsslungor. Jätteplaneten Jupiter till exempel, den är en prima slunga. Rymdsonden styrs alltså in på en bana som för den nära Jupiter. När den svänger förbi Jupiter “lånar” sonden lite av Jupiters enorma rörelse-energi för att öka sin egen fart. Jupiter slungar helt bokstavligen sonden ut i rymden, och vidare ut ur solsystemet. Pluto-sonden New Horizons utnyttjade också det här, även om den faktiskt från början gavs tillräckligt med hastighet för att kunna fly från solsystemet också utan någon gravitationsslunga. 

Men vare sig New Horizons eller Voyagertvillingarna rör sig fort nog för att kunna fly från själva galaxen, vår hemgalax Vintergatan. De kommer alltså att fortsätta irra mellan stjärnorna här i de yttre regionerna av galaxen. Där kommer de att tillbringa resten av sin existens - i princip minst lika länge som solen ännu lyser, fem miljarder år eller så. Planlöst kretsar de runt Vintergatans centrum tillsammans med solen och de andra stjärnorna. Om 230 miljoner år eller så kommer Voyagersonderna att ha fullbordat ett varv runt Vintergatans centrum. Ett galaktiskt år, med andra ord. 

De kommer som sagt aldrig att lämna vår hemgalax, men det betyder inte att de inte kommer att få se en annan galax på nära håll: Andromedagalaxen är ju på väg hitåt, och kommer att kollidera med Vintergatan om cirka 4,5 miljarder år. 

kuva linnunradasta
Bildtext Voyager-sonderna kommer inte att lämna Vintergatan.

Kan galaxer krocka?

Det här anknyter faktiskt till nästa fråga som Mikael Albrecht har skickat in. 

En kollision mellan två galaxer låter ju som en väldig kataklysm, men hur dramatiskt är det egentligen för någon som observerar det hela från en planet i någondera galaxen? Det är ju frågan om en långsam process där civilisationer hinner födas, blomstra och dö innan allt är klart. Men om vi antar att vår civilisation är tillräckligt långlivad för att avnjuta hela skådespelet, och solen har brinntid kvar för att hålla oss varma, så har vi en chans att överleva?

Kommer vårt solsystem bli tilldelat en ny plats i den kombinerade galaxen men i övrigt är någorlunda oberört? Stjärnhimlen kommer att se konstig ut och astrologerna får göra upp nya horoskop, men annars går livet vidare.

Hur kommer det att gå för oss? Döden eller nya horoskop?

Bra fråga, tack för den. Galaxer som krockar är inte riktigt som frontalkolliderande bussar. Det är mera som två glesa myggsvärmar som flyger in i varandra.

Stjärnorna i våra respektive galaxer, Vintergatan och Andromeda, sitter väldigt glest. Den som mot förmodan fortfarande bor här i vårt solsystem när galaxerna kolliderar - solen närmar sig slutet av sitt liv vid det här laget - kommer knappast att uppleva någonting desto mer dramatiskt.

Andromedagalaxen
Bildtext Stjärnorna i Andromedagalaxen sitter glest.

Utsiktenfrån jorden kommer att skifta utseende, självklart. Vintergatans spiralstruktur kommer att förvridas och rubbas, sannolikt ganska dramatiskt.

Men det kommer att ske så långsamt att den som eventuellt observerar det hela från vårt solsystems horisont, inte hinner märka någon skillnad, åtminstone inte på den tidsskala som vi människor utgår från. Ett människoliv är inte mycket till måttstock i de här sammanhangen.

Men beträffande det här med stjärnhimlen: den förändras ju i alla fall med tiden, också om inga andra galaxer kommer farande på kollisionskurs.

Stjärnorna ser ut att stå stilla, men de rör hela tiden på sig i förhållande till varandra medan de och solen färdas runt Vintergatans centrum. Återigen, som myggor i en stor, gles myggsvärm. Hastigheterna kan uppgå till tiotals eller hundratals kilometer i sekunden. Men på grund av rymdens enorma avstånd ser ut för oss som att stjärnorna står stilla. 

Men det gör de alltså inte. En stjärnas rörelse i förhållande till vår synlinje kallas egenrörelse. På 2000 år, till exempel, kommer en typisk stjärna att ha rört sig över himlen med ungefär en halv grad. Det motsvarar månens bredd på himlen.

Vi behöver inte vänta tills Andromedagalaxen krockar med oss för att stjärnhimlen ska förändras till oigenkännlighet. Våra bekanta stjärnbilder kommer att ha bytt skepnad totalt på bara några tusen år. Så horoskopmakarna får se till att hålla sina kartor uppdaterade. 

Stjärnbilden Orion.
Bildtext Våra bekanta stjärnbilder byter sakta skepnad. Här stjärnbilden Orion.

Faktum är att de borde ha gjort det redan: zodiaken med sina tolv stjärntecken ritades först upp av de gamla babylonierna för sisådär 3 500 år sedan. Och mycket har alltså hunnit hända i skyn sedan dess. Men nåja, att spå framtiden ur stjärnorna är nu ungefär lika exakt som att spå den ur frukostflingorna. 

Men som sagt, det kan vi förutspå med 100 procents säkerhet, att Andromedagalaxen är på kollisionskurs med oss, och att den kommer att ramma oss om fyra och en halv miljarder år.

Men vem som än skulle råka bo här kring den tiden kommer hur som helst att ha större problem att tänka på då. Solen blir hela tiden hetare, dess utstrålning ökar med cirka tio procent för varje miljard år som går.

Om fyra miljarder år är solen så het att allt vatten på jorden kommer att ha kokat bort för länge sedan, och själva jordskorpan kommer att smälta och bli till kokande lava.

Voyagertvillingarna, rymdsonderna som jag berättade om, de kommer däremot att kunna observera kollisionen mellan Vintergatan och Andromeda utan desto större risk. De kommer bara inte att kunna berätta om det för någon.

De har tystnat för evigheter sedan, stumma observatörer, sandblästrade och luggslitna till oigenkännlighet av det interstellära dammet.

Men våra röster och vår musik, tillsammans med många andra ljud från jorden, kommer att leva kvar på de gyllene LP-skivorna som Voyagersonderna bär med sig på sin vandring utan slut. Huruvida någon hittar dem och lyssnar på dem, det är sedan en helt annan fråga, som jag inte kan svara på. 

Finns det liv på andra planeter?

Ja, det är för övrigt en fråga som jag har fått från flera olika lyssnare under årens lopp, nu senast från Petra i Vanda: tror jag att det finns liv på andra planeter? Kort svar: ja, det tror jag. Inte nödvändigtvis på andra planeter här i vårt solsystem, men på exoplaneter, planeter i andra solsystem. Livets uppkomst är sannolikt mer eller mindre en oundviklighet, så länge förhållandena är ens någorlunda ditåt, vilket de helt säkert är på otaliga planeter i universum. 

Area 51 Alien Center skylt
Bildtext Utomjordiskt liv behöver inte se ut som på den här skylten i Area 51 i USA.

Med andra ord, jo. Det finns nästan säkert liv någon annanstans i universum. Det är jag långt ifrån ensam om att tro. Finns det intelligent liv, det är sedan en helt annan femma, men sannolikt är svaret också där ja.

Det här enligt de flesta experter som jag har hört uttala sig. Men kommer vi någonsin att få kontakt med någon utomjordisk civilisation, där skulle jag kanske inte hålla andan i väntan på att så sker. 

Galaxerna är som enorma höstackar, och jo, det finns antagligen flera nålar i var och en av dem, men de ligger högst troligen så glest utspridda att det inte gör så stor skillnad om det finns en nål eller om det finns tio. Vi är hur som helst ensamma, i praktiken. Men vi kan i alla fall njuta av utsikten under en stjärnklar höstnatt, och fantisera om vad allt som döljer sig där ute.

Har världsalltet expanderat ända sedan Big bang?

Nästa fråga kommer från Johan. Han skriver så här i sitt mejl till kvanthopp@yle.fi: 

Enligt teorin om alltings uppkomst började allt med big bang.

Världsalltet expanderade med en ofantlig hastighet under universums första sekund. Du talade om det i Kvanthopp i somras.

Fråga 1. Är denna första sekund relaterad till vår tid eller till den tid då explosionen hände?

Fråga 2. Har universums expandering accelererat allt sedan Bing Bang?

Tack för frågorna, Johan. Sekunden jag snackade om där var alltså universums första sekund, bokstavligen. Sekunden direkt efter big bang. För cirka 13,7 miljarder år sedan. Det var en spännande sekund som brukar delas in i flera epoker. Först av dem var den så kallade Planckepoken, som följs av den storförenade epoken, som i sin tur följs av den elektrosvaga epoken. Och det är här det som du undrade om i fråga två äger rum.

Fråga två var alltså att “har universum expanderat med en accelererande takt allt sedan big bang”? Låt oss säga så här. Universum har expanderat hela tiden, och en stor del av tiden har farten accelererat. Men accelerationens takt har bara inte varit helt jämn.

En vanlig liknelse som brukar användas för att illustrera universums expansion är att baka bröd med russin i degen. När bröddegen jäser rör sig russinen (=galaxerna och galaxklustren) alla bortåt från varandra i takt med att hela brödet (=rymden) expanderar.

Bagarna på Aroma Bageri bakar bröd
Bildtext Man kan likna rymdens expansion vid en deg som jäser.

Men det finns alltså perioder då universums deg har svällt extra snabbt. Den första av de här perioderna inträffade alltså under den elektrosvaga epoken. Den ägde rum i början av universums första sekund, en bråkdels bråkdels bråkdels sekund (från 10–36 till 10–23 sekunder) efter Big bang. 

Det är nu som den starka växelverkan skiljs åt från universums två andra grundkrafter, den svaga växelverkan och elektromagnetismen. Men den elektrosvaga epoken är alltså också tiden då universum genomgår en våldsam och exponentiell expansion, eller inflation, som man brukar tala om i det här sammanhanget. 

Själva rymden blir i det här skedet våldsamt uppblåst som den snabbaste brödjäsning du kan föreställa dig. Den här mega-jäsningen pågår mellan 10^−33 och 10^−32 sekunder efter Big Bang (mellan 0,0000000000000000000000000000000001 sekunder och 0,000000000000000000000000000000001 sekunder efter big bang - den senare siffran har en nolla mindre). Då utvidgas universum med en faktor på tio upphöjt till 26, eventuellt mycket mera. Efter det här bromsar utvidgningen in lika fort som den accelererade.

Tio upphöjt till 26, det motsvarar en bröddeg som jäser från storleken av en nanometer, eller halva bredden av en dna-molekyl, till en jättedeg som är närmare elva ljusår tvärs över. Elva ljusår, det är lite mer än 62 triljoner kilometer. 62 med 18 nollor efter.

Den bisarrt, fullkomligt komiskt snabba jäsningen av den kosmiska bulldegen får universums temperatur att krascha från obegripligt heta 10^27 (en kvadriljard) Kelvin till bara aningen mindre absurt galet heta 10^22 (tio triljarder) Kelvin. 

Gravitationen lade i backväxeln

Den här så kallade inflationsteorin om universums tidiga superutvidgning dök först upp under det sena sjuttiotalet. Pionjären här var den amerikanska fysikern och kosmologen Alan Guth. I ett nötskal ska inflationsfasen ha gått till så att gravitationen lade i backväxeln, liksom. Den blev repellerande, frånstötande, under en superkort tid. 

Och följden blev alltså att allting i universum, inklusive själva rymden, flög isär. Som den våldsammaste kosmiska nysning du kan föreställa dig, upphöjt till tusen, under ett försvinnande kort ögonblick. Inflationsfasen, med andra ord. 

Att en sådan här hyperbrutal jäsning av universums deg har ägt rum går att läsa ur den kosmiska bakgrundsstrålningen, och det faktum att den är väldigt slät. Variationerna i bakgrundsstrålningens densitet är väldigt små. Vi snackar om avvikelser på maximalt 1/10 000 från medelvärdet.

Det här tyder helt konkret på att allting i universum har varit i kontakt med allt annat i ett mycket tidigt skede. Och att alltsammans med ens blåstes upp hiskeligt mycket. 

Också de riktigt storskaliga strukturerna i universum pekar mot det här, sättet som galaxer, galaxhopar, superhopar är fördelade. Den där glittrande spindelväven som tycks spänna över vidderna när man zoomar ut riktigt ordentligt. Det mönstret kommer från pyttesmå variationer i det allra tidigaste universum. Pyttesmå variationer i universums bulldeg när hela universum bokstavligen var mindre än ett russin.

Men frågan som Johan ställde var alltså att har universum utvidgats i en accelererande takt allt sedan big bang? Universum har alltså fortsatt expandera också efter att den inledande inflationsfasen tog slut. Men expansionstakten tycks ha börjat accelerera märkbart för ungefär fyra miljarder år sedan. Och farten ökar hela tiden, galaxerna flyger ifrån varandra i en allt snabbare takt.

Schema över universums expansion sedan big bang.
Bildtext Universums utveckling och expansion sedan big bang. Den så kallade inflationsfasen inträffade direkt efter big bang, och sedan, för cirka fyra miljarder års sedan, började universums utvidgning accelerera igen.

Det här kom som en stor överraskning för forskarna, det allmänna antagandet var nämligen att utvidgningen snarare skulle bromsa in med tiden. Kanske rentav vända om helt.

Den accelererande utvidgningen antas ha att göra med det där mystiska någonting som forskarna kallar mörk energi. Den mörka energin tros utgöra uppemot 70 procent av universums totala massa, den fungerar som en sorts motkraft till gravitationen. Albert Einstein talade om den kosmologiska konstanten, eller lambda. 

Vad det här i slutänden kommer att innebära för universums öde, kan du höra mer om i Kvanthopps avsnitt som har rubriken Big Rip - när universum sliter sig självt i stycken. Det finns på Yle Arenan. Men vi kan ju tillägga här att ingen av oss kommer att finnas här sen när universum möter sitt öde, vilket det än blir.

Det blev ganska rymdtungt i veckans Kvanthopp, men det blir helt säkert fler frågeavsnitt på andra teman, så skicka gärna in frågor om allt mellan himmel och jord till kvanthopp@yle.fi.

Mer om ämnet på Yle Arenan

Diskussion om artikeln