100 år etter: Bildene som endret vårt syn på universet

Positiv fra en av fotoplatene tatt i Sobral i Brasil.
Positiv fra en av fotoplatene tatt i Sobral i Brasil.
Artikkelen fortsetter under annonsen

Arthur Eddingtons fotografier av solformørkelsen i 1919 viste at Einstein hadde rett og banet samtidig veien for et århundre der gravitasjonen var konge i astronomien.

Denne artikkelen er over ett år gammel og kan innholde utdatert informasjon

Artikkelen fortsetter under annonsen

For hundre år siden denne måneden ankom den britiske astronomen Arthur Eddington den avsidesliggende vestafrikanske øya Príncipe. Han hadde kommet for å se og dokumentere et av de mest spektakulære hendelsene på himmelen: en total solformørkelse som skulle passere over den lille øya ved ekvator 29. mai 1919.

Observasjon av slike hendelser går enkelt og greit i dag, men for et århundre siden var verden fremdeles i ferd med å komme seg til hektene etter første verdenskrig. Det var færre forskningsmidler i omløp, fototeknologien var forholdsvis primitiv og det varme, klamme været må ha gjort det vanskelig å fininnstille instrumentene. Som om ikke det var nok var det alltid en risiko for at skyer ville dekke over solformørkelsen.

Alt dette ga grunn til bekymring, men Eddington mente det var vel verdt å ta sjansen. Han mente hans observasjoner kunne bevise eller motbevise det mest revolusjonerende vitenskapelige konseptet som har blitt fremmet i moderne vitenskap:

Artikkelen fortsetter under annonsen
Artikkelen fortsetter under annonsen

Albert Einsteins generelle relativitetsteori.

Fant støtte i avvik

I teorien han publiserte i 1915, argumenterte Einstein for at tyngdekraften ikke var en kraft som virket på avstand mellom objekter, slik Isaac Newton mente. Isteden fastholdt han at det var resultat av at massen til et objekt førte til at rommet ble krummet.

Arthur Stanley Eddington. Library of Congress via Wikimedia.
Arthur Stanley Eddington. Library of Congress via Wikimedia.

Ut fra dette perspektivet vil et legeme i bane rundt solen bevege seg i en rett linje, men gjennom et rom som har blitt bøyd av solens masse. Selv lysstråler ville bøye seg på veien gjennom denne delen av det kurvede rommet, ifølge teorien.

Artikkelen fortsetter under annonsen
Artikkelen fortsetter under annonsen

– Einstein brukte tilgjengelige astronomiske observasjoner for å støtte sin teori, for eksempel kjente avvik i Merkurs bane omkring solen , sier Carolin Crawford ved astronomisk institutt i Cambridge til The Guardian.

– Men dette var etter-rasjonalisering (på bakgrunn av tilgjengelige data). Det som fortsatt behøvdes, var en spesifikk, testbar hypotese som kunne vise at teorien hans stemte.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Solformørkelsen i mai 1919 ga nettopp en slik mulighet.

Ved en total solformørkelse passerer månen foran solen. Dette sperrer for de blendende solstrålene og lar astronomer studere det relativt svake lyset til bakgrunnsstjerner. Ved å sammenligne eksisterende foto av bestemte stjernehoper med bilder tatt under formørkelsen burde det være mulig å se om de sistnevnte har skiftet posisjon på grunn av at rommet bøyes av solen når den passerer foran dem (sett fra jorden).

Les også: Ukjente brev kaster nytt lys over Einstein

(Artikkelen fortsetter under bildet)

Målingsinstrumentene ved Sobral i Brasil 1919. Foto via Wikimedia Commons.
Målingsinstrumentene ved Sobral i Brasil 1919. Foto via Wikimedia Commons.

Det er dette Eddington ønsket å bevise, sammen med en annen gruppe britiske astronomer som ble sendt til Sobral nord i Brasil, som også ville omfattes av solformørkelsen i 1919.

Begge ekspedisjonene ble organisert av den britiske kongelige astronomen Frank Watson Dyson, og begge skulle studere stjernene i Hyades-hopen i stjernetegnet Tyren, siden den formørkede solen ville passere foran disse. Om den tilsynelatende posisjonen til stjernene ble forskjøvet sammenlignet med vanlige nattfotografier av området, ville det tyde på at solens masse faktisk krummet rommet.

Artikkelen fortsetter under annonsen
Artikkelen fortsetter under annonsen

(Artikkelen fortsetter under bildet)

Hyadeshopen i stjernebildet Tyren fotografert med moderne instrumenter. Det store bildet fra bakkebasert teleskop, de innfelte bildene fra romteleskopet Hubble. Foto via ESA.
Hyadeshopen i stjernebildet Tyren fotografert med moderne instrumenter. Det store bildet fra bakkebasert teleskop, de innfelte bildene fra romteleskopet Hubble. Foto via ESA.

Newton eller Einstein?

Det var bare en liten komplikasjon.

Albert Einstein. Foto: Ferdinand Schmutzer, via Wikimedia.
Albert Einstein. Foto: Ferdinand Schmutzer, via Wikimedia.

– Newtons fysikk tydet også på at stjerner ville kunne ‘skifte’ posisjon ved solformørkelser, men i mindre grad. Einsteins teori forutså et større avvik, sier Crawford.

Eddington sto derfor over et dobbelt problem. Kunne han påvise endring av observerte stjernenes posisjoner forårsaket av solen? Nærmere bestemt, kunne han gjøre det nøyaktig nok til å fastslå om endringen skjedde i samsvar med Newton eller med Einsteins teori?

Ifølge førstnevnte skulle bildene av stjernen ha et avvik på omtrent 0,8 bueskunder (måleenhet for vinkler), mens Einstein mente de ville forskyves med omkring 1,8 bueskunder. Gitt at et buesekund utgjør 1/3600 av en grad vil slike ekstremt små forskjeller være veldig vanskelig å påvise.

For å gjøre det verre viste forholdene på Príncipe seg å være vanskeligere enn Eddington og hans assistent Edwin Cottingham hadde forventet. Paret måtte arbeide under myggnett og jage bort aper som stadig forsøkte å stjele deler av utstyret deres.

Artikkelen fortsetter under annonsen

– Så, om morgenen 29. mai, etter å ha reist flere tusen kilometer for å se solformørkelsen, våknet Eddington og Cottingham i en regnstorm, skriver forfatteren Ron Cowen i sin ferske bok om ekspedisjonen - «Gravity’s Century: From Einstein’s Eclipse to Images of Black Holes».

Skyene gled sakte bort, men det var fortsatt spredte tåkedotter på himmelen da formørkelsen hadde begynt. Eddington jobbet febrilsk og klarte å ta 16 fotografiske plater. Senere fant han at bare to av disse hadde fanget nok stjerner til å kunne si om lyset hadde blitt bøyd eller ikke. Lokale dampbåttider gjorde at de måtte forlate øya i løpet av få dager, uten å ha begynt på målingene av stjernene på fotoplatene.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Så var det observasjonene fra Sobral i Brasil, gjennomført av en annen gruppe astronomer ledet av Andrew Crommelin og Charles Rundle Davidson fra Greenwich-observatoriet. De hadde bedre observasjonsforhold, men til sin gru fant de siden ut at samtlige 19 bilder de hadde tatt med hovedteleskopet var ute av fokus. Varmen fra solstrålene hadde gjort at speilet utvidet seg ujevnt og ga uskarpe bilder. Heldigvis var det perfekte resultater på åtte andre glassplater tatt med et annet teleskop.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Les også: Indiske forskere avviser Einstein

Historiens viktigste solformørkelse

Forskerne samlet seg i august og begynte å måle posisjonene til stjernene på glassplatene. De fikk to sett resultater: Sobral-bildene viste en lysbøying på 1,98 buesekunder, mens Príncipe-platene hadde verdien 1,6.

Funnene var helt i tråd med Einsteins teori, selv om de var basert på et begrenset datasett. Det var et sensasjonelt resultat, som gjorde studien til «den trolig viktigste solformørkelsen i historien», skriver den amerikanske astrofysikeren Daniel Kennefick i sin bok «No Shadow of a Doubt: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity».

Væpnet med sine data og analyser sto hele forskergruppen, inkludert Dyson, Eddington and Crommelin, foran en fullsatt sal i Royal Society i London kvelden 6. november og beskrev sine funn. Publikum var forbløffet. To hundre år med Newtons fysikk var endevendt.

Artikkelen fortsetter under annonsen
Artikkelen fortsetter under annonsen

– Dette er det viktigste resultatet man har hatt i forbindelse med teorien om gravitasjon siden Newtons dager, erklærte lederen for vitenskapsakademiet, nobelprisvinneren JJ Thomson.

Verdens journalister var like imponert: «En vitenskapelig revolusjon: ny teori om universet: Newtons ideer forkastet» skrev Times neste dag. New York Times gikk for «Lysene er fordreid på himmelen: Triumf for Einsteins teori». Einstein ble på sin side verdensberømt.

Dette var begynnelsen på gravitasjonens århundre. 100 år der gravitasjonens fordreiende effekt på rommet har dominert astronomien.

Senere solformørkelser ga også resultater som stemte fullstendig overens med Einsteins teori, og senere bilder tatt med romteleskopet Hubble har avslørt enda mer spektakulære forskyvelser i rommet forårsaket av kraftige gravitasjonsfelt.

På noen bilder vris stjernelyset rundt store galaksehoper til lange, uttrukne striper, så kraftig er bøyingen av rommet omkring disse enorme samlingene stjerner.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Senere i århundret fant astronomer at galakser spinner så raskt at de egentlig burde rives fra hverandre. En eller annen usynlig form for mørk materie må gi den ekstra gravitasjonen som holder dem sammen.

Faktisk mener forskere i dag at det må finnes over fem ganger mer mørk enn normal materie i universet, om man skal kunne forklare gravitasjonseffektene vi observerer i slike områder. Til deres store frustrasjon har de ennå ikke klart å observere slike mørke partikler direkte.

Les også: Historisk brev fra Einstein solgt på auksjon - advarte mot antisemittismen

Artikkelen fortsetter under annonsen

Sorte hull og gravitasjonsbølger

Enda mer spektakulær var den første observasjonen av gravitasjonsbølger, også forutsett av Einsteins generelle relativitetsteori. Disse oppstår når to særlig massive objekter kolliderer med hverandre, selv om Einstein mente det var usannsynlig at vi ville kunne påvise de bittesmå bølgene i romtiden som ville bli produsert av slike hendelser ekstremt langt fra Jorden.

Artikkelen fortsetter under annonsen

I 2016 erklærte likevel astronomer at de hadde påvist vibrasjoner med bølgelengder på bare noen få hundre milliard-milliarddeler av en meter, og konkluderte at de hadde blitt utløst av gravitasjonsbølgene fra to sorte hull som hadde kollidert flere milliarder lysår fra jorden.

Og i forrige måned erklærte astronomer at de hadde fotografert den ultimate romtids-forstyrrelsen – et sort hull. Dette er et objekt som har så stor masse at det bøyer romtiden rundt seg, slik at lyset ikke kan unnslippe. Det ble fotografert med Event Horizon-teleskopet, et globalt nettverk av radioteleskop. Bildet viser en sort skive, skyggen av et sort hull, omgitt av en oransje glorie produsert av partikler som roterer rundt fenomenet.

(Saken fortsetter under)

VIDEO: Forskere har klart å ta det første bildet av et svart hull. Data fra åtte radioteleskoper måtte til, og på bildet trer noe som ligner et glødende øye fram

Artikkelen fortsetter under annonsen

Som Cowen skriver:

– Disse to eksperimentene – formørkelsesekspedisjonene i 1919 og Event Horizon-observasjonene hundre år etter er bokstøttene på hver side av en epoke ulik noen annen i vitenskapens historie.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Dette har med andre ord vært gravitasjonens århundre, et begrep Crawford støtter.

– De to observasjonene – Eddingtons og Event Horizon-teleskopets – passer perfekt sammen. Den første gir de første pirrende bevisene for hvordan gravitasjon former romtiden. Den andre viser hvor dramatisk effekten kan være.

Årets bilde av et sort hull var absolutt imponerende. Likevel var det første eksperimentet til Eddington det som virkelig satte fart på ballen og gjorde Einstein berømt. Kennefick skriver:

– Observasjonene av denne ene solformørkelsen kan ha vært det viktigste vitenskapelige eksperimentet i det 20. århundret.

Les også: Einstein hadde rett: Igjen har astronomer bekreftet relativitetsteorien

Eddington, Einstein og første verdenskrig

Arthur Stanley Eddington var en lite trolig forsvarer av Einsteins generelle relativitetsteori. En ting var at direkte kommunikasjon mellom de to mennene hadde vært umulig i flere år. Einstein bodde i Tyskland, som var i krig med Storbritannia da relativitetsteorien ble offentliggjort i 1915.

Artikkelen fortsetter under annonsen
Første verdenskrig raste da Eddington gjorde sine observasjoner. Han og Einstein kunne ikke ha direkte kontakt. Amerikansk soldat kaster en håndgranat fra en skyttergrav i Aneauville i Frankrike, 15. mars 1918. NTB Scanpix/AP.
Første verdenskrig raste da Eddington gjorde sine observasjoner. Han og Einstein kunne ikke ha direkte kontakt. Amerikansk soldat kaster en håndgranat fra en skyttergrav i Aneauville i Frankrike, 15. mars 1918. NTB Scanpix/AP.

Likevel fikk Eddington tak i en smuglet kopi. Sammen med den kongelige astronomen Frank Dyson begynte han å legge planer for å teste den omstridte teorien. Dermed, midt under første verdenskrig, begynte de to viktigste astronomene i Storbitannia å legge en hemmelig plan for å bekrefte en tysk fysikers kontroversielle ideer.

(Det bør bemerkes at dette var en tid da alt tysk var forhatt i Storbritannia. En ledende akademiker hadde erklært at «tyskere er fra naturens side uskikket til å lese vår poesi», mens tidsskriftet Nature fordømte all tysk vitenskap som underlegen).

Artikkelen fortsetter under annonsen

Eddington og Dysons planer holdt på å bli forpurret da førstnevnte, som da var i 30-åra og direktør ved Cambridge-observatoriet, fikk beskjed om at hans unntak fra militærtjeneste som ledende akademiker ikke lenger kunne tolereres. Det var desperat behov for nye soldater til skyttergravene.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Eddington var en troende kveker og nektet å bli innrullert. Han ga beskjed om at han ville nekte å tjenestegjøre på samvittighetsgrunnlag, en påstand hans lokale militære tribunal hadde vondt for å akseptere. Bare Dysons direkte inngripen reddet den unge astronomen. Han argumenterte for at Eddingtons arbeid var av avgjørende nasjonal interesse.

Les også: Feirer mørk materie Allhelgensaften

Var Eddington selektiv med sine data?

I løpet av forrige århundre har enkelte vitenskapshistorikere stilt spørsmål ved om Eddington manipulerte dataene hans arbeidsgrupper brakte hjem fra Príncipe og Sobral. Det er sikkert at han forkastet bilder han vurderte som mangelfulle. Interessant nok er dette bilder som gir lysbøyingstall nærmere dem som forutses av Newtons fysikk snarere enn Einsteins teori.

Fusket Eddington med resultatene ved å forkaste data som ikke passet med teorien? Feilbehandlet han formørkelsesmålingene? Enkelte forskere har argumentert for dette, men nyere undersøkelser av astronomens målinger støtter ikke denne konklusjonen.

Artikkelen fortsetter under annonsen

I sin bok «No Shadow of a Doubt» anstrenger Daniel Kennefick seg for å kunne avvise slike anklager. I tidsskriftet Nature i april skriver professor Peter Coles ved det irske Maynooth-universitetet at han har brukt moderne statistiske metoder til å analysere Eddingtons data på nytt.

– Jeg har ikke funnet noen bevis for at Eddington fusket, konkluderer han.

Les også:




Oversatt av Ole Peder Giæver/ABC Nyheter / © Guardian News & Media Limited