Fråga en forskare - astronomi

Mamma och pappa lyckas inte förklara för mig, så jag frågar någon som kan: Varför finns planeter? / Jesper, 4 år

Hej Jesper! Kul att höra att du redan vid 4 års ålder är intresserad av astronomi! Dina föräldrar har säkert talat om för dig att planeterna rör sig i banor runt solen och att solen är en stjärna som liknar många av alla de stjärnor du kan se en stjärnklar kväll.

Nu är det så att planeterna som rör sig kring solen bildades samtidigt som solen för mer än 4 miljarder år sedan vilket är en enormt lång tid för oss människor. Vad som hände då var att ett glest moln av gas och små partiklar, tänk dig små dammkorn, började dra ihop sig så att det till slut bildades en boll i mitten. När det här hände, vilket tog flera miljoner år, kom molnet också att börja snurra runt. Bollen i mitten blev vår sol, men alla partiklar i molnet hamnade inte där utan en del kom istället att bilda små bollar som gick i banor runt solen i mitten och dessa små bollar blev alltså planeterna.

Du kanske undrar varför det här molnet drog ihop sig, och det är lätt att svara på. Det var samma kraft (som kallas gravitation) som gör att en grej som du tappar ramlar till marken. Alla saker som finns dras till varandra, men för att det skall märkas till vardags krävs någonting som är väldigt stort, men jorden vi bor på är ju också väldigt stor jämfört med oss!

Det här betyder att det finns planeter som går runt många andra stjärnor också, och stjärnor finns det väldigt många, så nu vet man att det finns enormt många planeter därute i rymden och en del kan man också se med riktigt känsliga teleskop. Eftersom planeter är de himlakroppar där det kan finnas liv så betyder det att det mycket väl kan finnas någon planet därute i rymden där det sitter en annan 4-åring och undrar hur planeter egentligen blir till! / Ragnar Erlandsson

Jorden (tredje planeten från solen) och våra plantgrannar. Foto WP (Planets2008.jpg) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Varför bildades det ett ärr på planeten Jupiter efter kraschen med Shoemaker- Levy 9 när planeten är gjord av gas? / Robin

Den här händelsen när fragment av Shoemaker-Levy 9 kometen kolliderade med Jupiter 1994 är de största kosmiska kollisioner i vårt solsystem som man kunnat observera i detalj och som gav astronomerna unik information om den här typen av dramatiska händelser. De över 20 fragmenten gav upphov till gigantiska explosioner som sände iväg plymer som sträckte sig 3000 km upp och bestod av material från lägre liggande lager av planetens atmosfär samt förångade rester av kometfragmenten. När det här materialet föll tillbaka bildades de enorma, mörka, halvcirkelformade fläckar som syns bra på NASA:s video.

Planeten har visserligen inte någon fast yta, men när objekt med den här hastigheten, 60 km/s, och en storlek av upp till 1 km i diameter kommer in i den täta atmosfären utvecklas enorma mängder energi (långt mer än alla kärnvapen här på jorden) så det handlar inte precis om några ”mjuklandningar” utan resultatet blir enorma explosioner.

Eftersom ”ärren” bestod av färgvariationer i atmosfären försvann de snart (efter ett antal månader) och gav i samband med det astronomerna en unik möjlighet att studera vindarna i planetens atmosfär. Små förändringar i sammansättningen av atmosfär kan man dock fortfarande detektera med känsliga instrument.

Ett annat märkligt fenomen på Jupiter, den stora röda fläcken, visar dock att färgvariationer i atmosfären kan finnas kvar i århundraden utan att försvinna. Det här handlar om ett gigantiskt vädersystem som trots att det flyttar sig och förändras har behållit sin identitet sedan 1600-talet!

Observationerna av Jupiters kollision med Shoemaker-Levy 9 illustrerar också något viktigt för oss som lever här på jorden, nämligen att Jupiter med sin enorma massa tjänar som ”dammsugare” i vårt solsystem genom att dra till sig mindre himlakroppar som kunde utgöra en fara för oss. Samtidigt är ju en sådan här händelse en påminnelse om att det finns andra otrevligheter än pandemier som skulle kunna drabba oss här på jorden! / Ragnar Erlandsson, professor emeritus

Nedslagsplatsen för en del av kometen Shoemaker-Levy 9. Bild från NASA (public domain)

Eftersom vi har ljusast vid tolv-tiden varje dag så måste jordens faktiska rotation vara nästan 1 grad snabbare (eller långsammare?) för att detta ska vara fallet. Om så inte var fallet skulle ju jorden vetta åt ”andra hållet” relativt solen efter ett halvår och vi skulle ha mörkt på dagen. Så frågan är: roterar jorden fortare eller långsammare än ett varv på 24 timmar? Har detta en inverkan på en stjärnbilds läge klockan 24.00 varje dag under året? / Staffan

Du har helt rätt i att om solen stod som högst kl. 12:00 ett visst datum så skulle det vara midnatt kl. 12:00 ett halvår senare om ett dygn svarade mot att jorden roterade exakt ett varv relativt avlägsna stjärnor. Av den anledningen så svarar ett "vanligt" dygn (s.k. soldygn) mot att jorden roterar något mer än ett varv (mer, eftersom jordens rotationsriktning överensstämmer med banrörelsen runt solen). Tidigare var det denna tidsperiod, dvs tiden mellan att solen nådde en viss position på himlen och att den passerade samma punkt nästa dag, som användes som definition av dygnet och därmed våra tidsenheter. Eftersom det finns små oregelbundenheter i hur himlakroppar rör sig använder man idag en annan metod som baserar sig på s.k. atomur för att definiera tidsenheterna. Eftersom man givetvis vill att solen alltid skall stå som högst kl. 12:00 så måste man dock emellanåt lägga till en skottsekund.

Inom astronomin används dock ofta "stjärndygn" och "stjärntid" som just utgår från ett dygn som svarar mot att jorden roterar precis ett varv per stjärndygn. Illustrationen här visar tydligt skillnaden mellan stjärndygn och soldygn.

Använder man sig av stjärntid så kommer en avlägsen stjärna alltid att befinna sig i samma riktning ett visst klockslag vilket är praktiskt om man skall ställa in ett teleskop. Eftersom ett vanligt soldygn är 24 timmar långt kommer ett stjärndygn (ett varvs rotation) att ta lite kortare tid, närmare bestämt 23 tim 56 min och 4,1 sekunder.

Eftersom jorden alltså roterar lite mer än ett varv på 24 tim så är alltså rotationshastigheten något högre än 1 varv/24 tim, närmare bestämt 1,0027 varv/24 tim. Stjärnbildernas läge ett visst klockslag kommer också att ändra sig under året. / Ragnar Erlandsson, professor emeritus

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

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.)

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

Bearbetad bild av jupiter som togs av Voyager år 1979. Foto NASA/JPL/USGS

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.

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

Trots att Merkurius ligger närmast solen är den inte den varmaste planeten. Foto WP (Planets2008.jpg) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

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

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

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

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

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

De olika lagren i jordklotet. Foto CharlesC CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

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 år 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

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

Hur skapades jorden? /Oscar, 5 år

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

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

Vi undrar när de första teorierna kring Big Bang uppstod. Vem började prata om eller tänka att det har varit någon slags explosion? / Klass 2 i Skärstad

Att vårt universum skapades ur en punkt för 13,8 miljarder år sedan och sedan dess expanderat, det som vi kallar Big Bang teorin, är en konsekvens av Einsteins allmänna relativitetsteori som publicerades 1915. Det här är dock en matematiskt oerhört komplicerad teori, så långt ifrån alla konsekvenser av teorin var direkt uppenbara och är det väl knappast än.

Redan 1927 gjorde dock George Lemaitre beräkningar som visade att det fanns lösningar till Einsteins ekvationer som beskrev Big Bang. Att ekvationerna tillät det här beteendet var dock ingen garanti för att vårt universum verkligen hade utvecklats på det sättet, så idén betraktades allmänt med stor skepsis. 1929 visade dock den amerikanske astronomen Edwin Hubble att avlägsna galaxer uppvisade en färgförändring (rödskift) som kunde förklaras av att de fjärmades från oss, snabbare ju längre bort de låg, i överensstämmelse med Big Bang teorin.

En annan avgörande upptäckt som stödde teorin var när man 1964 upptäckte den radiostrålning som kallas "mikrovågsbakgrunden" som alstrades strax efter Big Bang och kan uppmätas oberoende av åt vilket håll man riktar sina antenner. Även andra upptäckter stöder teorin som nu är allmänt accepterad.

Som kuriositet kan nämnas att teorins ursprunglige upphovsman, Georges Lemaitre, var katolsk präst och senare ledamot av Vatikanens vetenskapliga råd. Man kan väl anta att den här skapelseberättelsen där vår värld kommit till som genom ett trollslag, skapad ur intet, gjorde påven ganska nöjd! / Ragnar Erlandsson, professor emeritus

"Big bang". [CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)] Foto Annatsach [CC BY]

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

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 sägs 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/m² 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

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

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

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 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

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

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

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

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