Kan nattehimmelen gjennom teleskopet på La Palma avsløre noe om de minste partiklene som finnes?

4 months ago 35

– Det er et ganske magisk sted. Du befinner deg på randen av et digert vulkankrater med skyene under deg og de beste solnedgangene du har sett. I tillegg har du en nattehimmel med veldig lite lysforurensning, og teleskopene i seg sjøl er fantastisk fine, sier stipendiat i høyenergifysikk Gert Werner Kluge.

Han snakker om gjesteoppholdet sitt ved observatoriet som ligger på den nordvestligste, kanariske øya, La Palma. Nærmere bestemt på øyas høyeste punkt, Roque de los Muchachos, som er rett under høyden på Galdhøpiggen.

Hit kommer astrofysikere fra hele verden for å observere nattehimmelen. Kluge var der en måned i februar 2023 for å operere teleskopene Magic 1 og Magic 2 for første gang. I oktober var han tilbake for å lære mer detaljert om teleskopenes undersystemer.

Akronymet MAGIC står for Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov. Disse teleskopene blir brukt til å studere gammastråling fra verdensrommet.

Gammastråling er høyenergistråling fra kosmiske kilder som supernovaer, pulsarer og svarte hull. Strålingen har ekstremt høy energi og kan gi forskerne verdifull informasjon om de mest energirike og ekstreme hendelsene i universet.

Gert Werner Kluge beskriver området med teleskopene på La Palma som et magisk sted.

Fysisk til stede

Det tok åtte år med fysikkstudier før Kluge fikk vært fysisk med på å operere et teleskop.

– Nå sitter jeg i Norge igjen og bruker maskinlæring på dataene mine som er basert på teleskopet på La Palma. Det å komme opp dit, å se og ta på teleskopet, gir en helt annen nærhet til prosjektet mitt, sier Kluge og fortsetter:

– Ikke minst det å ta inn over seg og anerkjenne hvor mye jobb det har vært å lage teleskopene, er viktig for meg. Når en liten del av teleskopet ikke fungerer, må du kontakte hen som har stått for akkurat den lille delen for å kunne reparere det. Det er så komplekst, forteller han.

For Kluge var det aller mest givende med oppholdet å få en praktisk forståelse for hvordan teleskopet fungerer.

Glinsende speil

Med mange speil satt sammen til en flate på 17 meter i diameter er Magic-teleskopene er godt synlige når du kommer kjørende inn i observatorieområdet.

De glinser i sola der de står mellom tørre busker i vulkansk jord i et juv rett ved hotellet som er forbeholdt de som jobber ved observatoriet. Hotellet har blendingsgardiner på alle rom. Tilgangen til fjellet stenger nemlig klokka sju hver kveld for å sørge for at billys ikke lysforurenser når teleskopene er i bruk.

I nærheten av Magic-teleskopene er det nye og mer avanserte observatoriet Cherenkov Telescope Array (CTA) under oppføring. Ett nytt teleskop står allerede klart og minst 10 andre er planlagt som en del av samlingen i CTA.

Innen romforskning markerer dette et stort skritt fremover i studiet av kosmiske gammastråler. Når alt står klart, blir kapasiteten i det nye observatoriet ti ganger kraftigere enn dagens gammateleskop. Både de gamle og de nye teleskopene vil inngå i et globalt samarbeid med flere teleskoper i forskjellige størrelser, som sammen dekker et bredt spekter av energier i universet.

I Atacama-ørkenen i Chile settes det opp en tilsvarende park med teleskoper som vil være forbundet med teleskopene på La Palma.

Felix Schmuckermaier og Marine Pihet har jobbet ved observatoriet fem og seks ganger.

Kaskader av lys blir analysert

De store speilene på Magic 1 og Magic 2 brukes til å fange opp lys, eller gammastråler, både fra vår egen galakse og de fjernere galaksene.

Lys er bygget opp av fotoner, elementære partikler uten masse som kan reise med lysets hastighet.

Ett enkelt foton utløser en flere kilometer lang partikkelkaskade. Fotonet produserer nye partikler med høy energi, som selv produserer enda flere partikler.

I prinsippet kan et menneske se det blå lyset i partikkelkaskaden så nært som ti kilometer fra den jordiske bakken. Men lysglimtet varer bare i noen få nanosekunder og er veldig svakt. Derfor må det fanges opp av de enorme speilene på La Palmas høyeste punkt.

Når lyset treffer speilene, festes lysglimtet på film via det nanoteknologikameraet som er montert midt imot speilene. Så sendes dataene inn i systemet som skiller ut det som kan brukes i videre forskning. Hvert døgn lagres det omtrent en terabyte som sendes til et senter i Barcelona der dataene gjøres tilgjengelige for et nettverk på 300 forskere.

Ved å se på størrelsen og retningen på kaskadene kan forskerne rekonstruere hvilken retning gammafotonet kom fra, og hvor mye energi det hadde. Og så gjøres denne prosessen noen tusen ganger i løpet av ett sekund.

Et Magic-teleskop er en konstruksjon av stål og karbon som veier 70 tonn. Det ustabile karbonet gjør at hvert enkelt speil må fininstilles automatisk hvert 20. sekund. På vindfulle dager er det spesielt viktig.

De sikres også med bolter, men teleskopet kan endre siktretning på under ett minutt ved å flyttes langs skinnene de står på. Noen fenomener kan vare så kort at det blir umulig å fange dem med teleskopene.

Leter etter hypotetisk partikkel

I kosmos er det bare prosesser med høy energi som forskerne kan undersøke via teleskopene. Det Kluge leter etter på nattehimmelen, er sekundært for ham.

– Jeg ser etter en hypotetisk partikkel som er forutsett av forskjellige teorier innenfor partikkelfysikk. Det er egentlig en klasse av partikler som oppfører seg på en bestemt måte, forklarer han.

De hypotetiske partiklene er såkalte «Axion-lignende-partikler», ALP. Disse partiklene vekselvirker med fotoner. Det betyr at partikkelen kan bli til fotoner og fotoner kan bli til partikkelen.

– Hvis dette er tilfelle, i hvert fall under visse forutsetninger, burde vi kunne se det i fotonene som kommer fra verdensrommet. Og med Magic-teleskopene kan fotoner med veldig høy energi sees, sier Kluge.

Har forklarer at teleskopene må rettes mot en galakse som produserer ekstra mange gammastråler og som har et ekstra sterkt magnetfelt. Nå kan han se hvor mye energi fotonene i gammastrålene har og fordele disse i fotoner med høy og lav energi. Resultatet blir en graf der forskerne kan se ulike mønstre i fotonenes energi.

Ser etter mønster med færre gammastråler

Hvis den hypotetiske ALP-partikkelen som Kluge ser etter, eksisterer, kan den ankomme jordkloden som ALP, ikke som foton.

– Mønsteret jeg ser etter, er at det da vil være færre gammastråler enn forventet ved spesifikke energier, sier han.

For å kunne se etter partikkelen trengs et sterkt magnetfelt som finnes i noen galaksehoper. Slike hoper består av mange, tette galakser.

– Forskningen min har to deler. Det ene er å lete etter partikkelen. Den andre delen går på metoden jeg bruker for å se etter partikkelen, som er ved bruk av maskinlæring. Metoden kan også brukes på andre problemstillinger innenfor partikkelfysikken, sier Kluge.

Han forklarer at maskinlæring kan brukes til å sjekke sannsynligheten i alle tenkbare scenarier.

– Vi vet ikke nøyaktig hvor sterke magnetfeltene er i en gitt galaksehop. Vi vet heller ikke alt om fysikken som produserer gammastrålene i galaksehopen. Dermed vet vi ikke hva vi bør forvente av antall gammastråler vi ser.

Maskinlæring er uvurderlig for forskerne om de ser færre gammastråler enn forventet ved noen energier. Maskinlæring kan bidra når de må ta stilling til om årsaken er ALP-ers eksistens eller feil i forventningen.

Universet som laboratorium

Kluge forventer ikke at han alene kommer til å finne ut noe revolusjonerende om den hypotetiske partikkelen han undersøker.

For ham er det viktig å være en del av noe større.

– Vi har kommet så langt i fysikken at det å finne ut noe virkelig nytt om de grunnleggende grunnlovene, krever veldig mye. Det innebærer store, komplekse eksperimenter og omfattende dataanalyse. Denne jobben gjøres ikke av individer, men av forskerne som helhet, sier Kluge og fortsetter:

– Jeg syns det er fascinerende, til og med poetisk, at vi bruker de største, mest ekstreme objekter i verdensrommet som instrument for å studere de minste, mest anonyme partiklene som finnes. Vi bruker universet som laboratoriet vårt.