Fråga en forskare - astronomi

Mejla fragaenforskare@liu.se 

Jag läste någonstans att utan månen skulle vi inte ha något magnetfält på jorden. Tanken var att månens dragningskraft på jordens kärna av järn skulle bromsa denna i förhållande till jorden och på så sätt få en skillnad mellan jordens rotation och kärnans. Detta skulle i sin tur ge upphov till magnetfältet. Kan det stämma? / Lars

Den klassiska förklaringen av hur jordens magnetfält uppstår går ut på att jordens inre kontinuerligt svalnat sedan solsystemets skapades för drygt 4 miljarder år sedan och att denna avsvalningsprocess leder till konvektionsströmmar i det flytande material, mest järn, som finns i den yttre delen av jordens kärna. Rörelsen hos det flytande järnet leder sedan på ett komplicerat sätt till transport av elektrisk laddning som i sin tur alstrar det jordmagnetiska fältet.

På senare år har dock denna bild ifrågasatts, och 2016 presenterade franska forskare en artikel enligt vilken avsvalningen av jordens inre gått mycket långsammare och där rörelsen hos jordens flytande innandöme istället huvudsakligen förklaras av tidvatteneffekter som beror på månen. Den här sortens effekter leder till att planetens inre "knådas" vilket både kan ge upphov till värme och enligt forskarna även kan påverka rörelsen hos de flytande ämnena. Hur vedertagen denna teori är vet jag inte, men att tidvatteneffekter på himlakroppar kan ha en påtaglig inverkan är välkänt, t.ex. alstras vulkanismen hos Jupiters inre månar på det sättet. Du kan läsa mer om detta på Astronomy now (på engelska) / Ragnar Erlandsson

Hur kan man veta om en exoplanet har vatten? Vad är det för metod som används för att ta reda på detta? /Hanna

Att lära sig mer om planeter kring andra solar än vår egen, s.k. exoplaneter hör just nu till astronomins allra hetaste forskningsområden. Att överhuvudtaget kunna detektera en planet som cirkulerar kring en stjärna är en tekniskt mycket komplicerad mätning som först gjordes 1995. Sedan dess har stora resurser satts in för att förbättra teknikerna bl.a. genom att sända upp speciella satelliter och nu har ca 4000 exoplaneter hittats.

Att kunna bedöma vilka möjligheter det finns för liv på en exoplanet eller till och med avgöra om där finns liv är förstås vad man allra helst vill göra. Jag antar att det är det du tänker på när du frågar om möjligheten att hitta vatten på exoplaneter eftersom tillgång till flytande vatten är en förutsättning för den sorts liv vi har här på jorden. Till en början var de exoplaneter man hittade mycket stora och liknade mest jätteplaneterna Jupiter och Saturnus i vårt solsystem, och var alltså inga lämpliga kandidater för liv som vi känner det. Vartefter tekniken har förbättrats har man dock numera möjlighet att även upptäcka mindre exoplaneter som mer liknar jorden och då är utmaningen att kunna bestämma deras sammansättning och vad deras atmosfär består av.

Den vanligaste metoden att hitta exoplaneter är att hitta de som råkar passera precis framför sin stjärna så att man kan detektera den minskning i ljusintensitet som sker vid passagen, den s.k. transitmetoden. Eftersom en liten del av stjärnans ljus då kommer att passera genom exoplanetens atmosfär (om den har någon) finns möjligheten att atmosfären kan påverka våglängdssammansättningen hos detta ljus vilket kan detekteras med s.k. spektroskopi. Man kan även tänka sig att det ljus som reflekteras från exoplanetens yta kan ge information om exoplanetens sammansättning. Om atmosfären innehöll vattenånga skulle det tillsammans med information om storlek och täthet kunna tyda på att där fanns flytande vatten. Vi vet också att sammansättningen av jordens atmosfär, speciellt den höga halten av syre, är en direkt konsekvens av att växter omvandlar koldioxid och vatten till syre och energirika molekyler (fotosyntes). Om man med hjälp av spektroskopi kunde uppmäta att sammansättningen av en exoplanets atmosfär liknade jordens skulle detta alltså vara ett mycket stark indicium på att där fanns liv. Än har man inte lyckats visa detta men det är alltså fullt möjligt att vi inom en relativt snar framtid skulle kunna få se sådana mätningar. / Ragnar Erlandsson

När kom vi på att gasplaneterna var av gas? / Aron klass 5b

En intressant fråga! De senaste 50 åren har vi ju haft teknologi som gör det möjligt att sända iväg rymdsonder för att i detalj studera merparten av solsystemet, men hur gjorde man tidigare när observationer från jorden var det enda som stod till buds? Det visar sig dock att man kan komma en bra bit på väg även med sådana observationer!
När Galilei riktade sitt teleskop mot Jupiter 1610 kunde han se planetens yta och på så sätt göra en uppskattning av hur stor vinkel den ser ut att uppta från Jorden. (Stjärnor ser däremot ut som ljusprickar utan yta även när man använder stora teleskop trots att de är mycket större än planeter. Detta för att de befinner sig så oerhört långt bort.) Han kunde även se några av Jupiters månar och bestämma hur lång tid det tog för dem att gå runt planeten. Med hjälp av dessa data var det möjligt att med användning av Newtons mekanik som började utarbetas i slutet av 1600-talet bestämma planetens massa. När man senare lärt sig att bestämma avståndet kunde man beräkna volymen eftersom man vissten vilken vinkel planeten upptog. Vet man massan och volymen så vet man också den genomsnittliga tätheten som i Jupiters fall visar sig vara ca 1300 kg/m³, vilket är mindre än 25% av jordens täthet. (Du kan jämföra siffran med vatten som har tätheten 1000 kg/m³.) Foto NASA/JPL/USGS

På Jupiters yta kan man också se band och fläckar som gör det möjligt att bestämma hur snabbt den roterar kring sin axel, och redan runt 1660 observerade Cassini att rotationshastigheten var annorlunda nära polerna än vid ekvatorn vilket ju inte är möjligt om det var en fast kropp man såg. Redan tidigt fanns alltså tecken på att det man såg var en atmosfär snarare än en fast yta och att sammansättning var helt annorlunda än jordens.

När kunskapen om gasers beteende ökade kunde man sedan göra modeller som visade vilken medeltäthet man skulle få om ett vätgasmoln drog ihop sig under inverkan av gravitationen och jämföra detta med vad man visste om de stora planeterna. Termen "gasplanet" för att beskriva Jupiter och Saturnus kom till först på 1950-talet men redan långt dessförinnan förstod man alltså att de bestod av gaser som väte och helium. Ordet "gasplanet" kan dock vara lite missvisande eftersom ämnen som normalt är gaser här på jorden kan befinna sig i andra tillstånd under det enorma tryck som finns inne i stora planeter. Nu vet vi att vätet inne i Jupiter övergår i en metallisk, elektriskt ledande form, vars rörelse ger upphov till de väldigt starka magnetfält som omger Jupiter, Man misstänker nu också att längst inne i jätteplaneter som Jupiter och Saturnus så finns en stenkärna av material som mer liknar de som jorden är uppbyggd av. / Ragnar Erlandsson

Jag och min kompis började prata om antiprotoner, antineutroner och positroner. Det borde bilda antimateria, och vad är egentligen antimateria och hur ser det ut? Är antimateria samma sak som mörk materia? / Sofia

Som du nämner så finns de partiklar som bygger upp vår värld både som "vanliga partiklar" (protoner, neutroner och elektroner) och "antipartiklar" (antiprotoner, antineutroner och positroner) där de senare har motsatt tecken på egenskaperna elektrisk laddning och något som kallas Baryon nummer. Den engelske fysikern Paul Dirac förutspådde 1928 på matematiska grunder att elektronen borde ha en antipartikel och fyra år senare hittade man den (positronen).

Så vitt man vet så består den del av universum som vi kan observera av vanlig materia sånär som på ytterligt små mängder antipartiklar som skapas under extrema förhållanden för att sedan direkt försvinna. Denna märkliga brist på symmetri är en av fysikens olösta gåtor.

Här på jorden går det att skapa antipariklar i den typa av partikelacceleratorer som finns bl.a. på CERN utanför Genève och det går också att sätta ihop antipartiklarna till enkla antiatomer som antiväte och antihelium, dock i extremt små mängder. Ett skäl till att detta är så tekniskt utmanande är att när materia och antimateria möts så övergår de helt till energi (annihileras) i form av fotoner enlig Einsteins berömda formel E=mc² där E är energin, m massan och c ljushastigheten i vakuum. Det är alltså inte så lätt att bygga en tank att förvara antimaterian i!

Förutom att den inte gillar att komma i kontakt med vanlig materia så skall antimateria bete sig precis likadant som vanlig materia, så hela vår värld, inklusive vi själva skulle mycket väl kunna bestå av antimateria.

Du frågar också om antimateria är detsamma som mörk materia och här är svaret nej. Begreppet mörk materia har kommit till eftersom galaxer rör sig på ett sätt som visar att den materia som finns i stjärnor och annat man kan observera inte alls räcker till för att alstra den gravitation som krävs för att förklara rörelsen! Det verkar alltså som om den materia man kan se svarar mot bara ca 15% av den totala mängden materia. Vad resten består av har man alltså ingen aning om och kallar det helt enkelt för "Mörk materia". Ytterligare en gåta för fysiker och kosmologer att lösa! / Ragnar Erlandsson

Jag har hört att asteroid 2002 NT7 ska träffa jorden 1 februari 2019 och är orolig. Vet ni om det kommer hända eller inte? Jag läste det här på internet men visste inte om jag skulle tro på det eller inte. / Marlon

Du behöver inte vara orolig för att asteroiden 2002 NT7 kommer att kollidera med jorden i februari nästa år. Bakgrunden till att det förekommer en massa tokiga påståenden om den här kollisionen på nätet är att när asteroiden upptäcktes 2002 så visade de första beräkningarna att det fanns en risk av ca 1 på 1.000.000 för en kollision 2019-02-01. Då detta anses vara en hög risk fördes asteroiden upp på en lista över "riskobjekt" men redan samma år visade beräkningarna att risken var ännu mycket lägre och den togs bort från listan. Nu vet vi att den kommer att passera jorden 2019-01-13 på ett avstånd av över 60 miljoner kilometer, vilket är ett betryggande avstånd. Att den missar jorden skall vi vara tacksamma för då en kollision med en asteroid av den här storleken (diameter 1,4 km) skulle få katastrofala konsekvenser. / Ragnar Erlandsson

Varför är det så kallt på Merkurius på natten? Planeten ligger ju så nära solen och hur kan det gå från att vara jättevarmt på dagen till jättekallt på natten? / årskurs 2 Jonstorpsskolan

Trots att Merkurius är den planet som ligger närmast solen så blir det väldigt kallt på den sida som inte vänder sig mot solen (-173 grader C), alltså när det är natt, vilket man kan tycka är lite konstigt. Vi är ju vana vid att det visserligen är kallare på natten än på dagen här på jorden, men skillnaden är ju ganska måttlig. Att natten är så kall på Merkurius beror på två saker: De viktigaste skälet är att Merkurius är så liten att den inte har någon atmosfär som kan värmas upp vilken skulle kunna hålla kvar en del av värmen under natten. Det andra skälet är att Merkurius roterar mycket långsammare än jorden runt sin axel så att ett Merkuriusdygn är lika långt som 176 jorddygn. Det innebär att trots att ytan som vänder mot solen blir väldigt varm (+427 grader C) så har den lång tid på sig att svalna under den långa natten.Trots att Merkurius ligger närmast solen är den inte den varmaste planeten. Foto: WP (Planets2008.jpg) [CC BY-SA 3.0]

En annan märklig sak med Merkurius temperatur är att den även på sin varma sida inte är varmast i solsystemet trots att den går så nära solen då temperaturen på planeten Venus är ännu högre (+462 grader C). Detta har också att göra med att Merkurius, till skillnad från Venus, saknar atmosfär. Venus atmosfär består till största delen av koldioxid vilket innebär att värmen från solstrålningen "stängs inne" vilket ökar temperaturen och kallas för växthuseffekten. / Ragnar Erlandsson

Vi har lärt oss att olika stjärnor har olika färg beroende på hur varma de är. Vi undrar vilken färg vår stjärna, solen, har? / Årskurs 1 på Natur och Miljöskolan i Åmål

Det stämmer att det finns ett direkt samband mellan en stjärnas färg och dess temperatur eftersom ett föremål som värms upp börjar med att se mörkrött ut för att sedan bli alltmer vitt och slutligen nästan blåaktigt när temperaturen ökar. Detta beror på att ett hett föremål sänder ut ljus av olika våglängder, och ju hetare det blir desto mer kommer de korta, blåa ljusvåglängderna att dominera.Solens färg, som vi upplever den, påverkas av jordens atmosfär. Foto: By charles, Public Domain, via Wikimedia Commons

För de flesta stjärnor som likt vår sol befinner sig i mitten av sin livscykel visar deras temperatur, och därmed dess färg, även hur stor massa de har. Lätta stjärnor har låg temperatur, är mera rödaktiga och lever länge medan stjärnor med hög massa har hög temperatur, ser blåaktiga ut och har förhållandevis kort livslängd. Solen är en typisk medelstor stjärna som har en färg som motsvarar ett glödande föremål som har temperaturen 5 500 grader Celcius. Det har gått ca 4,6 miljarder år sedan solen skapades ur ett gasmoln och det kommer att ta ungefär samma tid till innan den närmar sig slutet av sin livscykel.

En astronaut ute i rymden skulle tycka att vår sol såg vit ut medan den färg vi uppfattar här på jorden beror på hur lång väg solstrålarna har gått genom atmosfären, eftersom atmosfären dämpar de blåa ljusvågorna mest så det blir förhållandevis mer rött kvar. När solen står nära horisonten har strålarna gått som längst genom atmosfären och solen ser då rödaktig ut. Särskilt röd ser den ut vid solnedgången då atmosfären innehåller som mest dis och partiklar på kvällen. Mitt på dagen ser den mera gulvit ut, och den blir vitare ju högre upp på himlen den står eftersom dess strålar då påverkas mindre av vår atmosfär.

Slutligen ett varningens ord: Titta aldrig direkt mot solen eftersom den lyser så intensivt att den kan skada ögonen. Speciellt farligt är att titta mot solen i en kikare. / Ragnar Erlandsson

När man mäter hastigheten/avståndet till en avlägsen stjärna eller galax används Hubbles konstant, dvs rödförskjutningen av objektets strålning. Universum expanderar (accelerande dessutom) samtidigt som en stjärna/galax kan röra sig relativt mot oss (närma sig). Kan man tänka sig att dessa två effekter ”tar ut varann” så det ser ut som att avståndet till oss inte alls ändras? / Lennart

Det frekvensskift som man observerar för en galax påverkas dels av galaxens egenrörelse vilken ger upphov till ett dopplerskift vilket ju är ett välkänt fenomen från klassisk vågrörelselära, och dels det frekvensskift som är associerat med rumtidens expansion. Det är den senare effekten som beskrivs av Hubbles lag och eftersom detta frekvensskift alltid är mot längre våglängd kallas det rödskift.

Det är alltså fråga om två helt olika effekter, den ena en från klassisk fysik välkänd konsekvens av att en strålkälla rör sig relativt observatören, medan den andra är en relativistisk effekt. Den allmänna relativitetsteorin behandlar rum och tid som en enhet, "rumtid", som påverkas av massfördelningen i universum. Trots att Einstein formulerade sin teori redan 1915 så var det inte förrän flera år senare som man (Friedmann och Lemaitre) insåg att det fanns lösningar till ekvationerna som svarade mot ett expanderande universum, vilket Edwin Hubble observerade 1929 vilket sedan dess kallas Hubbles lag.

För stora avstånd är (större än ca 50 miljoner ljusår) observeras alltid ett rödskift medan närliggande galaxer kan uppvisa ett blåskift om deras egenrörelse mot oss ger ett frekvensskift som dominerar över Hubble effekten. För vår närmsta stora galax, Andromeda, på ca 2,5 miljoner ljusårs avstånd gäller just detta och den uppvisar ett blåskift från vilket man kan dra slutsatsen att den en gång i framtiden kommer att kollidera med Vintergatan. Så svaret på din fråga är att de två effekterna mycket väl kan ta ut varandra vilket kan ske för de mer närbelägna galaxerna. / Ragnar Erlandsson

Hej, Årets Nobelpris i fysik handlar om gravitationsvågor. Men vad är det för slag av vågor? Vad jag vet finns endast två slag av vågor: mekaniska – likt vattenvågor och ljudvågor – och elektromagnetiska vågor. Nu säga det att det inte är fråga om elektromagnetiska vågor (som ju noga räknat inte är vågor utan något annat). Då måste således dessa gravitationsvågor vara mekaniska. Kan det vara riktigt? Eller vad är det som gäller? / Åke

Vågor av olika slag intar en mycket central position inom fysiken, och du nämner de två väsentligaste typerna; mekaniska vågor och elektromagnetiska vågor. En allmän definition av vad en vågrörelse är skulle kunna vara att det handlar om ”en störning som fortplantar sig och därigenom överför energi”. De olika typerna av mekaniska vågor är ju relativt enkla att förstå. Det handlar ju där om en störning av jämviktstillståndet hos ett materiellt medium som t.ex. luft eller vattenmolekyler. De elektromagnetiska vågorna är knepigare, eftersom de kan fortplantas i vakuum vilket så bekymrade fysikerna i slutet av 1800-talet att man införde en hypotetisk substans, ”etern”, vars enda funktion var att utgöra medium för dessa vågor. Detta begrepp visade sig dock var onödigt, då de elektriska och magnetiska fält som varierar i en sådan våg utan problem kan finnas i vakuum.

Förutom dessa typer av vågor och de nyligen upptäckta gravitationsvågorna arbetar fysiken också med det som kallas ”materievågor” som utgör lösningar till den ekvation (Schrödingerekvationen) som beskriver hur partiklar på mikroskopisk nivå beter sig. I detta fall rör det sig om en vågrörelse med synnerligen abstrakt tolkning. Denna vågs amplitud i en viss punkt anger sannolikheten att finna partikeln i fråga just där.

Så vad är det då för störning som fortplantas i en gravitationsvåg? Enligt Einsteins relativitetsteori är varken rummet eller tiden oberoende storheter som utgör den passiva ”scen” där fysiken utspelar sig vilket man tidigare trodde (och som vårt ”sunda förnuft” fortfarande vill ha det till!). I relativitetsteorin behandlas tid och rum tillsammans i det som kallas ”rumtid” som bl.a. påverkas av materia. Det som vi uppfattar som gravitation uppstår enligt relativitetsteorin genom att massa ”kröker” rumtiden. Ekvationerna som beskriver rumtidens beteende visar att störningar i rumtiden kan fortplantas som gravitationsvågor, vilket Einstein visade för över 100 år sedan. De mätbara effekter som dessa vågor ger upphov till är dock extremt små så det har tagit lång tid och krävts mycket stora resurser för att detektera dem, vilket man alltså nu lyckats med. Eftersom man genom studiet av gravitationsvågor fått ett helt nytt sätt utforska vårt universum är det här tveklöst en upptäckt av allra största betydelse. / Ragnar Erlandsson

Jag undrar hur man kan veta avståndet till det fenomen som genererar de gravitationsvågor som detekteras. / Olov

Avståndsbestämning hör till det allra viktigaste inom astronomin, oavsett vad det gäller för typ av objekt. En mycket använd princip är att man använder det faktum att den intensitet som uppmäts från ett objekt avtar med avståndet. (Intensitet= energi per tids och ytenhet, W/m^2 med SI enheter.) Om energin utstrålar likformigt, vilket gäller i det flesta fall, så avtar intensiteten som (1/avståndet i kvadrat). Att mäta upp intensiteten här vi jorden är normalt enkelt, så om man känner till den totala energiutstrålningen från objektet så vet man även avståndet. När det gäller vanlig optisk astronomi är det lätt att mäta hur starkt t.ex. en stjärna ses lysa här på jorden, medan det är svårt att fastställa stjärnans totala energiutstrålning. Därför har mycket forskning ägnats åt att fastställa olika metoder för att utröna hur man kan bestämma den totala energiutstrålningen från olika typer av objekt. Lyckas man med detta används ofta termen ”standard candles” (standardljus) om dessa objekt som kan användas för avståndsbestämning.

Samma princip används för att bestämma avståndet till de källor som alstrar gravitationsvågor och i detta fall ger mätningen både intensitet och totalenergi vilket gör att avståndet direkt kan bestämmas. De detektioner av gravitationsvågor som har gjorts hittills, (20171029 är det 4 st) har alstrats av objekt bestående av svarta hål eller neutronstjärnor som roterat kring en gemensam tyngdpunkt varvid de sänt ut gravitationsvågor så att avståndet minskat tills dess de smält samman. Den signal som detekteras sänds ut från objektet under de sista sekunderna innan sammansmältningen och består av en kurva där både frekvens och amplitud varierar. Det rör sig alltså om en komplicerad dynamisk process som kan simuleras med hjälp av superdatorer och där signalen ger information om såväl total utsänd energi som massorna. Du kan se kurvorna och få mer information från LIGO.

Att fastställa läget för en källa till gravitationsvågor kan dock vara komplicerat och kräver att signalen detekteras vid flera laboratorier utspridda över jordytan varvid tidsskillnaden för uppmätningen av signalen kan ge information om läget (triangulering). / Ragnar Erlandsson

Jag jobbar med ett fiktivt projekt där en fråga har blivit central. Hur stor del av jordmassan krävs för att hålla kvar föremål? Dvs. om jordens massa/dragningskraft minskar, hur stor del av jordmassan skulle krävas för att nå ett stadie av viktlöshet kontra jordens rotation? / Johan

Hej Johan. Det stämmer att en kropps tröghet gör att den, sett från jorden, tycks påverkas av en utåtriktad kraft p.g.a. jordrotationen som vi kallar centrifugalkraft. Denna kraft är givetvis störst vid ekvatorn och ges av sambandet Fc=mv²/R där m är kroppens massa, och v är den hastighet med vilken den rör sig vilket i det här fallet blir jordens omkrets delat med ett dygn. Jordens radie R är 6,371*10⁶ m vilket ger en omkrets av 4,00*10⁷ m och om du omvandlar 24 timmar till sekunder får du en hastighet av 463 m/s.
Gravitationen ges av Newtons gravitationslag, Fg=GmM/R² där M är jordens massa (5,97*10²⁴ kg) och G allmänna gravitationskonstanten (6,67*10^-11m³kg^-1s^-2).
För att uppnå tyngdlöshet vid ekvatorn får du sätta Fc=Fg och då ser du att m försvinner och du får sambandet M=Rv²/G. Med insatta värden blir M=2,05*10²² kg vilket är 0,3% av jordens verkliga massa. En förutsättning är givetvis att jordens radie förblir konstant så att dess täthet skulle vara 0,3 % av den verkliga.

Det kan också vara intressant att lösa ut v ur sambandet ovan för att se med vilken hastighet jorden skulle behöva rotera för att vi skulle lätta vid ekvatorn. Värdet blir att periferihastigheten skulle behöva vara 7905 m/s vilket är 17 ggr högre än den vi har och svarar mot en dygnslängd av 1 tim 24 min. / Ragnar Erlandsson

När man färdas genom jordens (eller liknande planeters) atmosfär så uppstår en stor hetta, det finns s.k. värmesköldar på raketer för att motverka detta. Min fråga är: Skulle man kunna undvika detta genom att färdas med en låg fart, typ 100-500 km/h. eller nåt liknande? Att meteoriter som kommer in i jordens atmosfär inte kan sänka farten kan jag förstå, men kan raketer som skjuts ut från jorden sänka farten just när de passerar atmosfären? / Owe i Örebro

Det är i princip fullt möjligt att med hjälp av bromsraketer minska en rymdfarkosts hastighet relativt jorden så att problemet med friktionsvärmen vid inträdet i atmosfären undviks. Men det finns en hake! För att en rymdfarkost skall kunna skjutas upp, antingen i omloppsbana runt jorden eller så att den fortsätter ut i solsystemet, så krävs att det tillförs en stor mängd energi när farkosten ”lyfts upp” i jordens gravitationsfält. Även en rymdfarkost ute i rymden som står still relativt jorden har alltså en avsevärd lägesenergi (potentiell energi) som det är rymdingenjörernas jobb att hitta på ett sätt att ta hand om när det är dags att landa igen.

Det finns då i princip två sätt att lösa problemet: antingen låter man friktionen mot atmosfären omvandla energin till värme vilket kräver listigt uttänkta värmesköldar, eller så bromsar man farkostens hastighet med bromsraketer vilket dock kräver att man har med sig raketbränsle. Eftersom kostnaden för att släpa med sig en massa extra bränsle är väldigt hög, så använder man istället så långt man kan tekniken med inbromsning genom friktion i atmosfären. / Ragnar Erlandsson

Hur vet man att det finns lava i mitten av inre kärnan i jorden? Mvh, Klass 2a Domsjöskolan

Om man beskriver de olika lagren av jorden räknat utifrån så kallas de litosfären, astenosfären, manteln, yttre kärnan och inre kärnan. Den yttre, hårda delen av jorden kallas ibland också jordskorpan.

De smälta berg som kommer upp i samband med vulkanutbrott som lava kommer från det relativt ytliga lager som kallas astenosfären, vilket är ett ganska tunt lager av smält material eftersom manteln som ligger längre ner är fast. Manteln, som utgör en stor del av jorden är fast medan den yttre kärnan består av smält järn medan den inre kärnan består av fast järn. Längst in består jorden alltså inte av flytande material och det som kommer upp vid vulkanutbrott kommer inte heller från den flytande yttre kärnan utan från det ytligare liggande lager som kallas astenosfären.

Eftersom man bara kan borra ca 12 km ner i jorden, vars radie är 6300 km så måste man använda andra tekniker för att veta vad som finns därnere. Ett sätt är att mäta hur de seismiska vågor (liknar ljudvågor) som alstras vid jordbävningar fortplantar sig genom jorden. Jordens magnetfält och små variationer i gravitationen kan också ge information om vad som finns därinne. / Ragnar Erlandsson

Vad jag förstår så bildas neutronstrålning då en atomkärna träffas av högenergetiska partiklar som gör att den splittras så att en neutron kan kastas ut och denna neutron har en sönderfallstid på ca 15 minuter. Innebär det att all neutronstrålning skapas på jorden och man kan inte förvänta sig att det finns ett bidrag i den kosmiska strålningen? /Ola

Det stämmer att neutronstrålning kan uppstå när högenergetiska partiklar kolliderar med atomer men även andra naturliga mekanismer som vissa radioaktiva sönderfallsprocesser ger upphov till neutronstrålning. Högintensiv neutronstrålning som används i tekniskt sammanhang alstras genom kärnklyvning (fission) i kärnreaktorer eller genom att låta högenergetiska protoner alstrade i partikelacceleratorer kollidera med atomer av tungmetaller (spallation).

Som du korrekt antar så förekommer inte neutroner i kosmisk strålning som till övervägande delen består av protoner som kan ha extremt hög energi. Neutronstrålning alstras dock i en sekundärprocess när den primära kosmiska strålningen träffar molekyler i atmosfären. De neutroner som bildas på detta sätt kan i sin tur omvandla de stabila kolatomerna i atmosfärens koldioxid till radioaktivt kol-14 vilket innebär att alla levande organismer kommer att ha en bestämd halt av kol-14 isotopen i sig som sedan avklingar när organismen dör. Detta är den fysikaliska grunden för en av de väsentligaste metoderna för åldersbestämning, kol-14 metoden. / Ragnar Erlandsson
 

Hur visste man förr i tiden att månen jorden och solen hängde ihop? / Nedde

Tanken att jorden tillsammans med de övriga planeterna rör sig runt solen, den heliocentriska världsbilden, härrör från Nikolaus Kopernikus som 1543 publicerade verket ”De revolutionibus orbium coelestium” (Om himlakroppars rörelse). Tidigare hade visserligen den grekiske filosofen Aristarchus framfört samma ide men den föll i glömska, så under medeltiden antog man att jorden var världens centrum och att såväl solen som månen och övriga himlakroppar rörde sig runt jorden, den geocentriska världsbilden. Varken Kopernikus eller tidigare astronomer hade någon bra fysikalisk förklaring till hur himlakropparna påverkade varandra, utan man antog helt enkelt att de rörde sig i perfekt cirkulära banor.

Det kom att bli Isaac Newton som 1687 i sitt verk ”Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” med sin mekanik och allmänna gravitationslag formulerade den fysik som förklarade både hur föremål här på jorden och ute i universum rör sig. I och med det var grunden lagd för den världsbild vi har idag. / Ragnar Erlandsson 

Varför snurrar jorden och andra planeter runt sin axel? / klass 2 Järven

Det stämmer att både planeter, stjärnor och till och med hela galaxer normalt roterar, vilket fysiker förklarar med något som kallas ”lagen om rörelsemängdsmomentets bevarande”. En effekt av den här lagen är att rotationshastigheten hos en kropp ökar om dess form ändras så att mer material kommer nära centrum. Ett välkänt exempel är en skridskoåkare som gör en piruett. När armarna dras inåt kommer rotationshastigheten att öka.

Något liknande sker när himlakroppar bildas. Både planeter och stjärnor skapas när gravitationen får moln av gas och stoft att dras samman till en tät kropp. Dessa moln har normalt en liten rotation som kan bero på slumpen och som förstärks kraftigt när materien dras samman till liten klotformig kropp. Ett extremt exempel på hur rotationshastigheten ökar när en himlakropp pressas samman är en s.k. neutronstjärna som bildas när en stor vanlig stjärna kollapsar i slutet på sin livscykel. Tätheten hos en neutronstjärna är extrem, en tesked av dess materia skulle väga ca 5 miljarder ton! När materien på det här sättet koncentreras till kring mitten av himlakroppen blir också rotationshastigheten enormt hög, och kan för en neutronstjärna bli flera varv per sekund. / Ragnar Erlandsson

Vad fanns innan Big Bang? / klass 2 på Uppåkraskolan

Frågan är knepig, eftersom den fysik vi har inte fungerar vid de extrema tillstånd som gällde vid Big Bang. De flesta som forskar om detta tror jag skulle ge svaret att både tid och rum kom till vid Big Bang, vilket egentligen betyder att frågan är meningslös eftersom det då inte fanns någon tid före Big Bang! Det här kan verka märkligt eftersom vi människor tänker oss att allt måste ske i tid och rum, och att tiden och rummet alltid finns där oberoende av allt annat. Fysiken lär oss dock att både tid och rum påverkas när man rör sig med hög hastighet eller utsätts för stark gravitation.  / Ragnar Erlandsson

Hur skapas ett svart hål? / klass 2 på Uppåkraskolan

Svarta hål skapas när riktigt stora stjärnor har förbrukat det ”bränsle” som håller igång de kärnreaktioner som får dem att lysa. När detta inträffar uppstår en enorm explosion som kallas supernova och som gör att det mesta av den utbrända stjärnan kastas ut i rymden som gas och stoft vilket sen kan bilda nya stjärnor. En del av stjärnan kollapsar dock inåt och skapar en kropp med så hög täthet att gravitationen blir så kraftig att inte ens ljus kan sändas ut, vilket då blir ett svart hål. Om materia sugs in i det svarta hålet ökar dess massa och det blir större. Man kan också tänka sig att svarta hål kolliderar och bildar ännu större svarta hål. Detta tror man är vad som skapat de ”supermassiva svarta hål” som verkar finnas i centrum av många galaxer, bland andra vår Vintergata. / Ragnar Erlandsson

Hur många universum har människan hittat? / klass 2 på Uppåkraskolan

Vi har bara hittat ett Universum, nämligen det vi lever i. Det finns dock fysikaliska teorier som hävdar att det skulle kunna finnas flera Universum, men även om så skulle vara fallet kan det nog bli svårt att observera dem! / Ragnar Erlandsson

Idag är vintersolstånd och då läser jag på flera ställen om jordens lutning. Men vad menas egentligen med lutning? Hur kan ett klot luta? Är det bara att vi har bestämt vad som är upp och ner och sedan kommit överens om att jorden lutar, för att inte rita om meridianer etc, eller är meridianerna fysiskt försvarbara? Skulle meridianerna kunna placeras om, eller finns det någon logik i varför dom är där dom är? / Philip

Om ett klot är orörligt går det inte att definiera någon lutning, men om det (likt jorden) roterar så har du ju en rotationsaxel som kan användas för det syftet. I jordens fall är det jordaxelns vinkel i förhållande till en linje som är vinkelrät mot det plan som jorden går i runt solen som anges som jordaxelns lutning, vilken är 23,4 grader. Om vi begränsar oss till tidsperioder av storleksordningen några hundra år så kommer jordaxeln att peka åt samma håll i rummet. Följer man jordaxeln norrut hamnar man nära polstjärnan vilket innebär att för oss på norra halvklotet så tycks stjärnhimlen rotera runt polstjärnan när det i själva verket är jorden som roterar kring sin axel. En konsekvens av jordaxelns lutning är att den kommer att luta "mot" eller "från" solen (givetvis beroende av vilken pol man ser det ifrån) i olika positioner i sin bana runt solen, vilket är upphovet till årstiderna. Detta syns bäst i en bild se t.ex. på wikipedia.

Eftersom jordens poler definieras av rotationsaxeln är alltså systemet av meridianer (longitud) och breddgrader (latitud) förankrade i fysikaliska fakta. Nollpunkten för latituden som mäts från ekvatorn är given av naturen eftersom ekvatorn är relaterad till rotationsaxeln. Nollpunkten för longituden måste vi människor dock bestämma och här har man ju valt meridianen genom Greenwich som nollpunkt. / Ragnar Erlandsson
 

Jag undrar vilken sorts massa ett svart hål består av (är det nåt grundämne? eller något vi inte känner till ännu) och vilka teorier det finns rörande vad som finns bakom den och vad som händer efter. / Amanda

Ett svart hål är nog de mest bisarra objekt som finns i vår värld och erhålls när materia trycks samman så kraftigt att dess gravitation inte tillåter någonting, inte ens ljus, att slippa ut igen. Svarta hål är visserligen en konsekvens av Einsteins allmänna relativitetsteori som presenterades 1915, men länge trodde man att det bara var en matematisk kuriositet som inte kunde finnas i verkligheten. Vartefter astronomins observationer blev allt bättre visade det sig sedan att svarta hål finns lite överallt i vårt Universum, dels som rester av kollapsade jättestjärnor, dels som vad man kallar "supermassiva svarta hål" som utgör centrum i galaxer, bland andra vår egen vintergata.

På din fråga om vad som händer med materien inuti det svarta hålet är svaret helt enkelt att ingen vet, eftersom de lagar vi har för fysiken inte längre gäller under de extrema omständigheterna inuti det svarta hålet. Eftersom atomer är sammansatta objekt som består av elementarpartiklar (varav en del i sin tur består av kvarkar) är det rimligt att anta att atomerna slits sönder i i sina beståndsdelar, men vad som vad som sedan händer med dessa är ett stort frågetecken. En förutsättning för att kunna komma närmare en lösning är att ha tillgång till en teori som samtidigt beskriver gravitation (som verkar över stora avstånd) och kvantfysik (som verkar över små avstånd), men någon sådan teori finns inte än. Något för framtida teoretiker att sätta tänderna i! / Ragnar Erlandsson 

Har vi några klara bevis på att Big Bang verkligen har ägt rum?

Det finns tre starka bevis för Big Bang. Det första är att ljuset från avlägsna galaxer har längre våglängd ju längre bort de befinner sig (rödförskjutning) vilket betyder att de avlägsnar sig från oss. Detta innebär att de tidigare legat mycket tätt ihop. Denna upptäckt gjordes av Edwin Hubble 1929, och är en av astronomins viktigaste upptäckter. För det andra kan vi nu observera en svag strålning som kommer från alla riktningar (mikrovågsbakgrunden) och som härrör från den tidpunkt när de första atomerna bildades 380 000 år efter Big Bang, då universum blev genomskinligt för elektromagnetisk strålning. Det tredje beviset är fördelningen av grundämnen i det tidiga universum, som enbart bestod av väte, helium och något litium (alla övriga grundämnen har skapats genom processer i stjärnor). Förutom dessa observationer finns det även teoretiskt stöd, eftersom de ekvationer som kosmologin bygger på (Einsteins fältekvationer) visat sig ha lösningar som stämmer med Big Bang-modellen. /Ragnar Erlandsson

På wikipedia läste jag att universum i början kan ha varit en singularitet där avstånden mellan all materia, kvarkar och partiklar var noll. Men det står också att temperaturen var oändligt hög. Hur kan det vara så om atomerna sitter så tätt att de inte borde kunna röra sig och på så sätt generera värme? /Simon Ekborn

Förhållandena vid singulariteten kan fysiken inte uttala sig om då de teorier som finns inte fungerar då. En oerhört kort tid efter att expansionen börjat kan dock gängse fysik beskriva förloppet, vilket är ganska imponerande! Som du läst i wikipedia är alltså temperaturen till en början extremt hög, för att sedan sjunka. I en gas är ju temperaturen kopplad till den genomsnittliga rörelseenergin hos de atomer eller molekyler som gasen består av. Eftersom det varken fanns atomer eller molekyler direkt efter Big Bang så beskriver temperaturen här medelenergin hos de fotoner som då dominerade universum. /Ragnar Erlandsson

Om det observerbara universum har en radie på 46,5 miljarder ljusår, borde det betyda att det observerbara sände sitt ljus för 46,5 miljarder år sedan, medan universum "bara" är 13,7 miljarder år. Kan man observera något på annat sätt än med ljus och som i så fall skulle vara snabbare än ljuset? /Lasse Ahlin

Det observerbara universum utgörs av en sfär med oss i centrum vars radie ges av avståndet till de stjärnor som sände ut sitt ljus för 13,7 miljarder år sedan. Eftersom dessa stjärnor fortsatt att fjärma sig från oss under dessa 13,7 miljarder år på grund av universums expansion så blir ju avståndet till dem nu väsentligt större än 13,7 miljarder ljusår, nämligen ca 46 miljarder ljusår vilket är siffran du nämner. Någon möjlighet att få information snabbare än vad som förmedlas med ljusets hastighet finns ej enligt Einsteins relativitetsteori som ligger till grund för den etablerade kosmologin. /Ragnar Erlandsson

Läste i en vetenskaplig artikel att Vintergatan och Andromedagalaxen redan har kolliderat en gång, och att detta ska ske igen i framtiden. Jag kan acceptera att detta kan ske pga att gravitationen lokalt övervinner universums övergripande expansion. Men det påstås även att resultatet av en kommande kollision blir en elliptisk galax med ett supermassivt svart hål i centrum. Varför skedde inte detta redan vid första krocken?

Skälet till att galaxerna inte slogs samman första gången de möttes, enligt det arbete som gjordes av Zhao och medarbetare, är att deras antaganden i ett väsentligt avseende skiljer sig från de som normalt görs i kosmologiska sammanhang. Man har sedan länge varit medveten om att galaxers rörelse, såväl relativt varandra som när det gäller deras rotation, inte kan förklaras med gängse gravitationsteori med mindre än att man antar att det i universum finns stora mängder ”mörk materia” som enbart ger sig till känna genom sin gravitation. Vad denna mörka materia skulle bestå av vet ingen, och detta utgör en av den moderna fysikens största gåtor. Men så finns de kosmologer (en ganska liten andel såvitt jag förstår) som väljer att förklara de observerade rörelserna hos galaxerna med att anta att det helt enkelt inte finns någon mystisk ”mörk materia”, utan att det i stället är gravitationen som beter sig annorlunda än vad Newton och Einstein har förutsagt. (Att detta är en minoritetsuppfattning säger en del om hur stort förtroende man har för den etablerade gravitationsteorin!) Denna modifierade gravitationsteori kallas med en akronym för MOND, vilket står för MOdified Newtonian Dynamics. Det är just genom att använda denna teori som bas för sin beräkning som man kommit fram till att Vintergatan och Andromedagalaxen redan har haft ett möte för ungefär 10 miljarder år sedan, och resultatet när man utgår från dessa förutsättningar blir också att galaxerna ej förenas i den första kollisionen, utan återigen skiljs åt och får en struktur som liknar den vi ser nu. / Ragnar Erlandsson

Hur mycket sanning ligger det i uttrycket "vi är alla gjorda av stjärnstoft"? Finns det någon korrelation med detta till universums kretslopp?

Det ligger mycket sanning i det uttrycket, eftersom nästan alla atomer som är tyngre än väte och helium på ett eller annat sätt skapats i stjärnor. Strax efter att vårt universum skapats vid det som kallas Big Bang och temperaturen gått ner så att atomkärnor kunde bildas, fanns i stor sett bara väte (75%) och helium (25%) som alltså utgör universums ”råmaterial”. Övriga ämnen med atomvikter som motsvarar järns eller lägre bildades inuti stjärnor vid olika stadier av deras utveckling genom att lättare kärnor slogs ihop till tyngre, vilket kallas fusion. Ämnen som är tyngre än järn kan dock inte bildas vid vanliga fusionsprocesser. De skapades i stället vid de enorma explosioner, supernovor, som sker när tunga stjärnor når sitt slutstadium. När stjärnorna gjort slut på sitt ”bränsle” kommer materialet i deras inre, som nu är anrikat på tyngre ämnen, att återföras som gas och stoft till galaxen och bli utgångsmaterial för nya stjärnor. För varje generation av stjärnor kommer alltså våra galaxer att innehålla mer och mer tunga grundämnen. Eftersom du består av cirka 65% syre och cirka 18% kol så har alltså det mesta i din kropp skapats inuti stjärnor som för länge sedan slocknat. Cirka 10% av din kropp består dock av väte som finns kvar från universums födelse för 13,7 miljarder år sedan. / Ragnar Erlandsson

Vad jag förstår så ser vi lika långt ut i rymden åt alla håll. Om universum är 14 miljarder år gammalt så borde vi se 7 miljarder ljusår åt alla håll om vi ligger i mitten - vilket vi inte gör. Då borde vi väl se längre åt ena hållet och kortare åt det andra hållet? Eller är universum större än vad som för oss är synligt? Vet vi om vi ser de galaxer som ligger längst bort? /Johan Tjernström

Det stämmer att universum är ungefär ca 14 miljarder år gammalt, vilket innebär att vi inte kan se ljuset från sådant som låg på ett avstånd av mer än ca 14 miljarder ljusår när det sände ut sitt ljus - eftersom inget kan röra sig snabbare än ljuset. Detta utgör vad vi kallar det ”observerbara universum” och utgör alltså en sfär med oss i centrum och med radien 14 miljarder ljusår. Detta innebär inte att vi bor i ”centrum av universum” eftersom man skulle kunna konstruera en likadan sfär kring varje punkt. Det är också värt att notera att när vi ser avlägsna objekt så ser vi även bakåt i tiden, eftersom det var länge sedan ljuset sändes ut. När vi observerar riktigt avlägsna objekt ser vi nästan ända tillbaka till Big Bang. Den strålning som gått allra längst alstrades 380 000 år efter Big Bang då universum för första gången blev genomskinligt för elektromagnetisk strålning (varav vanligt ljus är ett exempel). Detta kallas ”surface of last scatter” och är det som vi idag uppfattar som mikrovågsstrålning och som kallas ”den kosmiska mikrovågsbakgrunden” (CMB). Den har studerats i detalj då det är en av de bästa ledtrådar vi har för att få en kosmologisk modell som hänger ihop. Det skall också noteras att de mest avlägsna objekt vi kan se som befann sig nästan 14 miljarder ljusår bort när de sände ut sitt ljus, nu befinner sig betydligt längre bort eftersom hela universum expanderar. Vad som hände med dessa objekt sedan de sände ut sin strålning kan vi dock inte veta någonting om. / Ragnar Erlandsson

Har alltid varit fascinerad av svarta hål och upptäckte nyligen hypotesen Hawkingstrålning. Hur kan partikel-antipartikelparen uppstå ur "ingenting" överallt i hela universum? Fyller dom någon viktig funktion i universum? /Jacob

Att man har partiklar som uppstår ur ingenting för att sedan raskt försvinna verkar ju synnerligen märkligt, men är ändå något som används när man gör beräkningar inom det teoriområde som kallas kvantfältteori, en synnerligen abstrakt och komplicerad beskrivning av vår värld. Att virtuella partiklar som endast existerar extremt kort tid kan göra detta utan att det bryter mot andra fysikaliska lagar har att göra med något inom kvantmekaniken som kallas osäkerhetsprincipen. Du kan läsa mer om virtuella partiklar på: http://sv.wikipedia.org/wiki/Virtuell_partikel / Ragnar Erlandsson

Antag att några få människor med lika massa svävade i rymden nära varandra och inte påverkades av några krafter. Skulle de dras till varandra genom gravitation mellan dem? Tanken är ny för mig och jag ställer mig undrande då jag i min tankevärld utgår från att gravitation bara uppstår om massan är stor. /Maarit

All sorts massa både alstrar och påverkas av gravitation, så visst kommer två människor att attraheras av varandra på ett högst fysikaliskt sätt. I vårt dagliga liv märker vi ju dock inte så mycket av annan gravitation än den som alstras av jorden (tidvatten är också en gravitationseffekt där månen är inblandad, men även den är ju ganska stor). Frågan är alltså om gravitationskraften mellan två människor är helt försumbar och knappt mätbar, eller ej. Låt oss göra ett enkelt räkneexempel för att illustrera detta: Vi approximerar två människor med två sfärer som vardera väger 100 kg, och som har samma täthet som vatten. En sådan sfär har diametern 0,575 m. Vi placerar sedan dessa långt ute i rymden så att de enbart påverkas av varandras gravitation, och låter avståndet mellan deras ytor vara 0,1 m. De kommer då att påverka varandra med en kraft av 1,5 mikronewton, vilket på jorden ungefär svarar mot tyngden av ett sandkorn med diametern 0,5 mm. Om man väntar ca 45 minuter så kommer denna kraft att ha fört ihop dem så att de vidrör varandra, ett ganska förvånande resultat. Man kan alltså fråga sig varför man inte märker effekten av kroppars inbördes gravitation till vardags, men man får komma ihåg att i exemplet har vi ingen som helst friktion. Om sfärerna hade legat på en plan yta här på jorden så hade med all säkerhet kontaktfriktionen, även för en mycket glatt yta, gjort att de inte rört sig ur fläcken. / Ragnar Erlandsson

Hur skapades jorden? /Oscar, 5 år

Hej Oscar.  Jorden och de övriga planeterna bildades tillsammans med solen och resten av solsystemet för ca 4,5 miljarder år sedan när gas och stoft drogs samman av gravitationen, varvid det bildades en roterande skiva där den innersta delen blev vår sol medan planeterna bildades av materia längre ut i skivan. Skillnaden i planeternas sammansättning har att göra med att temperaturen i denna skiva ökade ju längre in mot centrum man rörde sig. Det ursprungliga gas- och stoftmolnet bestod till största delen av väte och helium, medan tyngre grundämnen som bygger upp de inre planeterna enbart fanns i små mängder. Att de inre planeterna ändå består av dessa "sällsynta" ämnen beror på att temperaturen på det avstånd från centrum där de gick var så hög att väte och helium inte kunde kondensera, vilket de tyngre ämnena kunde. Längre ut i skivan var det kallare, och där kunde de mera lättflyktiga ämnena kondensera vilket gav upphov till de stora gasplaneterna Jupiter och Saturnus som till största delen består av just väte och helium kring en liten stenkärna i mitten. Eftersom det fanns relativt lite av de tyngre ämnen som de inre jordlika planeterna (Merkurius Venus, jorden och Mars) är uppbyggda av kom de att bli mindre än de yttre planeterna. / Ragnar Erlandsson

Jag undrar varför och hur vanligt det är att halvmånen ser ut att ligga ned på himlen. Detta inträffade nyligen här. /Elisabeth Söderberg

Det stämmer att månskärans lutning varierar med årstiden. Om man betraktar nymånen strax innan den går ner under horisonten så lutar den som mest under sen vinter och tidig vår, medan den är mer upprätt på hösten. Månskärans lutning varierar också med breddgraden. Närmare ekvatorn lutar nymånen mer vilket är skälet till att man ofta ser månskäran avbildad liggande som en båt på moskéer i sydligare länder. Orsaken till dessa skillnader har att göra med att jordaxeln lutar 23,5 grader i förhållande till en linje som är vinkelrät mot jordbanans plan runt solen, vilket ju också är anledningen till att vi har årstider. Inom astronomin refererar man ofta till en linje över himlavalvet som utgör en projektion av detta plan på himmelssfären, och denna linje kallas ekliptika. Månskäran bildar alltid 90 graders vinkel mot ekliptikan vars vinkel relativt horisonten varierar både med breddgrad och tidpunkt vilket gör att månskärans lutning kommer att variera. Om du vill läsa mer om de här ganska komplicerade sambanden så finns en bra beskrivning (på engelska) med figurer på länken http://www.idialstars.com/sprmoon.htm. / Ragnar Erlandsson