Teleskoper og observatorier

Når du kigger op på nattehimlen med dine egne øjne, ser du kun en meget lille del af universet. Selv på en helt mørk nat kan du højst se nogle få tusinde stjerner, men der er mange flere derude. Vores galakse alene indeholder flere hundrede milliarder stjerner, og der er flere hundrede milliarder galakser i universet, alle med deres egne stjerner, planeter, gas, mørkt stof, og sorte huller. 

Klart det meste af universet kan altså ikke ses fra Jorden med det blotte øje. Alligevel har mennesker i tusinder af år studeret himlen og forsøgt at forstå, hvad der gemmer sig derude.

I dag hjælper teleskoper og observatorier os med at se langt længere ud i universet, end vores øjne nogensinde kunne. Med moderne instrumenter kan vi observere galakser, milliarder af lysår væk, studere planeter omkring andre stjerner og endda undersøge, hvordan universet så ud kort efter det blev dannet. Teleskoper fungerer derfor som vores vinduer til kosmos – og jo større og mere avanceret de bliver, desto mere kan vi lære om universet omkring os.

De første observatorier

Mennesker begyndte at observere nattehimlen længe før teleskopet blev opfundet. Allerede i oldtiden brugte mange civilisationer himlen som et vigtigt redskab til at forstå verden omkring dem.

I Babylon, Egypten og Kina studerede astronomer stjernernes bevægelser for at kunne forudsige årstidernes skiften. Disse observationer var afgørende for landbrug, navigation og kalenderberegning. Når stjernerne ændrede position på himlen i løbet af året, kunne man for eksempel afgøre, hvornår det var tid til at så eller høste.

Flere steder byggede man også strukturer, som fungerede som primitive observatorier. Nogle af disse bestod af sten eller bygninger, der var orienteret efter Solens eller bestemte stjerners positioner. Stonehenge i England er et af de mest kendte eksempler. Her står store sten placeret på en måde, så de markerer solens position ved blandt andet sommersolhverv.

I Mellemamerika byggede mayaerne avancerede templer og observatorier, hvorfra de fulgte planeternes bevægelser. De udviklede kalendere baseret på præcise observationer af Solen, Månen og planeten Venus. Mange af disse tidlige observationer lagde grundlaget for den astronomi, vi kender i dag.

Myter på nattehimlen

Når mennesker gennem historien har kigget op på stjernerne, har de ikke kun forsøgt at måle og forstå dem. De har også fortalt historier om det, de så.

De mønstre, som stjernerne danner på himlen, kalder vi stjernebilleder. Mange af de navne, vi stadig bruger i dag, stammer fra græsk og romersk mytologi. Stjernebilledet Orion forestiller for eksempel en jæger fra græsk mytologi, mens Cassiopeia repræsenterer en dronning, der ifølge myten blev placeret på himlen som straf for sin stolthed.

Andre kulturer har deres egne historier om stjernerne. I kinesisk astronomi findes der for eksempel helt andre stjernebilleder end dem, vi bruger i Vesten. Australske aboriginere fortæller historier om mønstre i Mælkevejens mørke støvskyer i stedet for de lysende stjerner.

Planeterne har også fået deres navne fra mytologien. Mars er opkaldt efter den romerske krigsgud, Jupiter efter gudernes konge, og Saturn efter en titan fra romersk mytologi. Selv i moderne astronomi lever disse gamle historier videre i de navne, vi giver til himmellegemer. 

Danske pionerer

Danmark har spillet en vigtig rolle i astronomiens historie.
I slutningen af 1500-tallet byggede Tycho Brahe et af verdens dengang mest avancerede observatorier på øen Hven i Øresund. Observatoriet hed Uranienborg og fungerede både som forskningscenter, laboratorium og bolig for de astronomer, der arbejdede der.

Tycho Brahe havde ikke teleskoper til rådighed, men han byggede enorme mekaniske instrumenter, som kunne måle stjernernes positioner med hidtil uset præcision. Han registrerede tusindvis af observationer og kortlagde nattehimlen langt mere detaljeret end nogen før ham. Hans målinger blev senere brugt af den tyske astronom Johannes Kepler til at formulere sine berømte love om planeternes bevægelse. Disse love blev en vigtig del af grundlaget for moderne astronomi. Og faktisk så formåede Tycho Brahe også at observere planeten Uranus med det blotte øje, men på grund af dens enormt langsomme kredsløb om Solen opdagede han ikke bevægelsen og noterede den blot som endnu en stjerne.

Den danske astronom Ole Rømer gjorde også en banebrydende opdagelse i 1600-tallet. Ved at studere kredsløbet af Jupiters inderste måne, Io, opdagede han, at lyset ikke bevægede sig øjeblikkeligt. I stedet har det en endelig hastighed. Han lagde nemlig mærke til at det forudsagte tidspunkt hvor Io skulle komme ud fra Jupiters skygge, varierede afhængig af afstanden mellem Jupiter og Jorden, noget som kun kunne forklares ved at lyset havde en endelig hastighed og altså ikke var uendelig hurtigt. Rømer blev dermed den første til at måle lysets hastighed – en opdagelse, som senere blev afgørende for udviklingen af moderne fysik.

Desuden prøvede han også at måle afstanden ud til nogle af de klareste stjerner ved brug af parallaksemetoden. Det er samme princip, vi mennesker bruger uden at tænke over det, når vi vurderer afstand i hverdagen. Fordi vi har to øjne, ser vi objekter fra lidt forskellige vinkler. Man kan prøve at holde en finger op foran ens øjne og skiftevis åbne og lukke det ene eller det andet øje. Fingeren skifter tilsyneladende en position, fordi vores to øjne ser fingeren fra forskellige vinkler.

Rømers idé var at udføre samme eksperiment på kosmisk skala ved at lave observationer af stjernerne Sirius og Vega med seks måneders mellemrum. Det betyder at ved første observation ville Jorden stå på den ene side af Solen og seks måneder senere ville Jorden stå på den anden side af Solen, hvilket effektivt ville give samme effekt som vores øjne. Desværre valgte han to stjerne som ligger forholdsvis langt væk og derfor kunne datidens teleskoper simpelthen ikke opfange den lille forskel der var. Men med nutidens teleskoper kan det sagtens lade sig gøre og er faktisk en af de måder hvorpå vi måler afstanden til de nærmeste stjerner.
 

Teleskopets opfindelse

I begyndelsen af 1600-tallet opfandt man et instrument, der for alvor ændrede astronomien: teleskopet.

De første teleskoper blev sandsynligvis udviklet i Holland, men det var den italienske astronom Galileo Galilei, som begyndte at bruge dem systematisk til at studere himlen. Med sit teleskop opdagede Galileo bjerge og kratere på Månen, tusindvis af hidtil usete stjerner og fire store måner omkring planeten Jupiter. Disse observationer viste tydeligt, at universet ikke var så simpelt, som man tidligere havde troet.

Galileos teleskoper var såkaldte refraktorteleskoper som fungerede ved at bøje og fokusere lyset ved hjælp af et sæt af glaslinser - lidt ligesom i briller eller en fuglekikkert, bare lidt kraftigere. Kort efter udviklede Isaac Newton en ny type teleskop, hvor lyset blev samlet af spejle i stedet for linser. Denne type teleskop kaldes et reflektorteleskop og bruges stadig i mange moderne observatorier. Fordelen her var, at det er meget nemmere at producere store spejle end det er at producere store linser, hvilket betyder at man med Newtons design kunne indfange mere lys.

Jo større spejlet eller linsen i teleskopet er, jo mere lys kan man fange. Og det betyder at man bedre kan se objekter, der ikke lyser så meget, såsom meget små objekter, eller objekter der er meget langt væk. Større er derfor bedre, når man snakker om teleskoper! 

Senere udviklede astronomer stadig større og bedre teleskoper. I 1700- og 1800-tallet byggede William Herschel nogle af datidens største teleskoper og opdagede blandt andet planeten Uranus. I 1900-tallet blev Mount Wilson Observatory i Californien hjemsted for nogle af verdens største teleskoper, hvor astronomer blandt andet opdagede, at universet udvider sig.

Store teleskoper på Jorden

I dag bygger astronomer enorme teleskoper for at kunne studere stadig svagere og fjernere objekter i universet.

Et af de mest avancerede observatorier er Very Large Telescope (det Meget Store Teleskop) i Chile. Det består af fire store teleskoper, som kan arbejde sammen og fungere som ét gigantisk instrument. Sammen kan de opnå en opløsning, der svarer til et teleskop med en diameter på over hundrede meter.

På Hawaii ligger Keck Observatory, som består af to teleskoper med spejle på ti meter i diameter. Disse spejle er sammensat af mange mindre sekskantede segmenter, der tilsammen fungerer som ét stort spejl.

Andre store teleskoper inkluderer Subaru Telescope på Hawaii, Gran Telescopio Canarias på De Kanariske Øer og Gemini Observatory, som har teleskoper både på Hawaii og i Chile.

Et af de mest spændende nye projekter er Vera C. Rubin Observatory i Chile. Her vil astronomer gennemføre en tiårig undersøgelse af hele nattehimlen. Teleskopet vil tage enorme mængder billeder og registrere millioner af objekter, som ændrer sig over tid – for eksempel supernovaer, variable stjerner og asteroider.

Teleskoper, der ser usynligt lys

Selvom mange teleskoper studerer synligt lys, udsender universet også stråling i mange andre bølgelængder - altså lys der er usynligt. Derfor bygger astronomer teleskoper, der kan registrere radiobølger, infrarød stråling, røntgenstråling og gammastråler.

Radioteleskoper opfanger radiobølger fra rummet. Et af de mest avancerede radioteleskoper er ALMA i Chile, som består af 66 antenner, der arbejder sammen. ALMA kan studere kolde gasskyer, hvor nye stjerner og planeter bliver dannet.

I Kina ligger FAST, verdens største enkeltstående radioteleskop med en diameter på 500 meter. Det bruges blandt andet til at studere pulsarer og søge efter svage radiosignaler fra fjerne galakser.

Andre store radioteleskoper inkluderer Green Bank Telescope i USA og det kommende Square Kilometre Array, som bliver et af de største astronomiske instrumenter nogensinde bygget.

Mange af disse radio-observatorier virker ved at flere teleskoper arbejder sammen, så de kan fungere som ét meget stort teleskop. På den måde kan man få et kombineret teleskop der er større, end vi mennesker faktisk kan bygge. 

Samme princip blev brugt, da man ønskede at tage et billede af et sort hul. Man kendte til to sorte huller man gerne ville observere, men problemet var at de ligger så langt væk, at de er utroligt små på nattehimlen. Faktisk svarer det til at skulle tage et billede af en appelsin på Månens overflade. 

For at kunne tage sådan et billede skal man bruge et teleskop på størrelse med Jorden, hvilket vi selvfølgelig ikke kan bygge. Derimod kan man kombinere data fra radioteleskoper placeret over hele verden, og lade dem optage radiostråling over lang nok tid, efterfulgt af en god mængde databehandling - så kan man opnå samme resultat, som hvis man havde et teleskop på størrelse med Jorden. På den måde kunne man for et par år siden kunne afslører de første billeder af sorte huller.

At lytte til universet

Astronomer studerer ikke kun lys. Nogle observatorier undersøger helt andre signaler fra universet.

LIGO-observatorierne i USA måler gravitationsbølger – små krusninger i selve rumtiden, som opstår når massive objekter som sorte huller kolliderer. I 2015 registrerede LIGO for første gang sådanne bølger og åbnede dermed en helt ny måde at studere universet på. Observatorierne fungerer ved at sende laserstråler ned langs lange tunneler og tilbage igen og ved at se hvordan strålerne interagere bagefter kan se om de er blevet strukket eller sammenpresset med enorm høj præcision. Tyngdebølger strækker og sammenpresser alt, de bevæger sig igennem, men kun på størrelsesordenen af atomkerner. Så det er altså ikke noget vi oplever som mennesker, men LIGO kan sagtens måle dem.

Forskere har også bygget enorme neutrino observatorier. Et af de mest kendte er IceCube i Antarktis, hvor sensorer er placeret dybt inde i isen. Her registrerer man neutrinoer fra kosmiske begivenheder som supernovaer og aktive galakser. Neutrinoer er bittesmå partikler der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Og så kan de gå direkte igennem hele Jorden uden at standse eller sænke farten. Det betyder også at det er langtfra alle neutrinoer der passerer igennem IceCube observatoriet som faktisk bliver observeret, langt de fleste flyver bare direkte igennem uden at efterlade et spor. 

Specielt Solen udgiver mange neutrinoer. Faktisk bliver hele din krop gennem strålet med neutrinoer hele tiden. Cirka hundred billioner (100.000.000.000.000) neutrinoer passerer gennem din krop hvert sekund uden at vi lægger mærke til det. IceCube observere altså kun en brøkdel af de neutrinoer som passerer igennem observatoriet.

Teleskoper i rummet

Selvom teleskoper på Jorden er meget kraftige, bliver de desværre forstyrret af Jordens atmosfære. Luften får stjernerne til at flimre og blokerer nogle typer stråling fra rummet.

Derfor sender astronomer også teleskoper ud i rummet.

Hubble Space Telescope har siden 1990 taget nogle af de mest ikoniske billeder af universet. Teleskopet har blandt andet hjulpet astronomer med at måle universets alder og studere fjerne galakser.

James Webb Space Telescope blev opsendt i 2021 og observerer universet i infrarødt lys. Det gør det muligt at se gennem kosmisk støv og studere nogle af de allerførste galakser.

Andre rumteleskoper har haft mere specialiserede opgaver. Kepler-teleskopet fandt tusindvis af planeter omkring andre stjerner, mens Chandra X-ray Observatory studerer universet i røntgenstråling.

Et stadig skarpere blik på universet

Astronomer fortsætter med at bygge større teleskoper og udvikle nye måder at studere universet på.

I de kommende år vil nye instrumenter som Extremely Large Telescope i Chile give os endnu skarpere billeder af universet. Samtidig vil næste generation af rumteleskoper kunne studere planeter omkring andre stjerner i hidtil uset detaljer.

Hver gang vi bygger et nyt teleskop, åbner vi et nyt vindue til universet. Og næsten hver gang opdager vi noget, vi ikke vidste fandtes.