Hopp til innhald
Oppgåve

Modellar for eit ekspanderande univers

Av og til er det enklare å akseptere vanskelege fenomen i naturfag ved å seie "sånn er det berre" enn å prøve å forstå dei. At universet vårt ser ut til å ekspandere, er eit slikt fenomen. Men korleis kan vi forstå det? Jo, då kan modellane hjelpe oss!
Tusenvis av små galaksar. Fargane deira varierer. Nokre er nyansar av oransje, mens andre er kvite. Dei fleste blir viste som uklare ovalar, men nokre få har distinkte spiralarmar. Framfor galaksane er det fleire stjerner. Dei fleste ser blå ut, og dei lyse stjernene har diffraksjonsspor som dannar eit åttepunkta stjerneform. Det er òg mange tynne, lange, oransje bogar som bøyer seg rundt sentrum av biletet. Foto.
Biletet viser tusenvis av galaksar i infraraudt lys og er teke med NASAs James Webb-teleskop. Dei fleste galaksane er i ei gruppe, ei galakseklynge, som er cirka 4 milliardar lysår frå oss. Klynga bøyer lyset frå stjerner og galaksar som ligg bak ho, akkurat som ei linse. Dette skaper forstørra, forvrengde og stundom spegelvende bilete av galaksane bak klynga. Nokre viser tydeleg spegling, mens andre er strokne eller verkar spreidde. Bilete som dette hjelper forskarar med å forstå korleis galaksar blir danna og utviklar seg i det tidlege universet. Biletet dekker ein storleik på himmelen omtrent like stor som eit sandkorn på ei armlengdes avstand. Bilete: NASA, Webb Space Telescope / Offentleg eige

Innleiing

I denne øvinga samanliknar vi ulike modellar av eit ekspanderande univers. Dei har alle svakheiter og styrker i ulike samanhengar. Kva som er mest "rett", kjem an på formålet med å bruke han. Viss du skal forklare konseptet "eit ekspanderande univers" for småsøskena dine, bruker du neppe same modell som om du prøver å måle kor fort universet faktisk ekspanderer!

Ulike typar modellar

For å forklare vanskelege og utfordrande idéar i naturvitskap bruker forskarar ulike typar modellar. Nokre er berre til for å forklare fenomen som i utgangspunktet er nye eller vanskelege, nokre blir nytta for å gjere berekningar slik at vi kan samanlikne med verkelege observasjonar.

Analogimodellar og matematiske modellar

Ein analogimodell er ei forenkla samanlikning med noko kjent for å gjere konsept lettare å forstå. Matematiske modellar, på den andre sida, er matematiske likningar som kan brukast til å berekne storleikar som kan samanliknast med tilsvarande, observerte storleikar. Mens analogimodellar er utmerkte for grunnleggande forståing, er matematiske modellar viktige verktøy for vitskapeleg undersøking og forståing.

Bruk av analogimodellar er mykje brukt i naturfag for å forklare vanskelege og nye omgrep. Men alle modellar har avgrensingane sine. Sjå opp så du ikkje blir lurt av dei!

Nedanfor møte du ulike typar modellar for eit ekspanderande univers. Finn ut kva som er kva i modellane, og om modellane er analogimodellar eller matematiske modellar.

Oppgåve 1. Bollemodellen

I bollemodellen tenker vi oss ein bolle med rosiner der bolledeigen hever / eser ut.

  1. Kva er kva i bollemodellen? Flytt orda til rett stad.

B. Er bollemodellen ein analogimodell eller ein matematisk modell? Forklar korleis du tenker.

Løysingsforslag

Dette er ein analogimodell. Ein bolle som hever, er ein kjend referanse for dei fleste, og det er lett å førestille seg at rosinene bevegar seg saman med bolledeigen når han hever.

Oppgåve 2. Ballongmodellen

I ballongmodellen teiknar vi symbol på ein ballong og studerer kva som skjer når vi blæs opp ballongen.

  1. Kva er kva i ballongmodellen? Flytt orda til rett stad.

  1. Kva slags modell er ballongmodellen?

Løysingsforslag

Dette er ein analogimodell, men du kan òg bruke han til nokre berekningar. Du kan til dømes måle avstandar mellom stjernene på ballongen på eit tidspunkt, blåse opp ballongen meir og måle avstanden igjen. Då ser du kor mykje stjernene bevega seg som resultat av at ballongen vart større, sjølv om det er litt tungvint å måle avstand på ein krumma ballong.

Oppgåve 3. Strikkmodellen

I strikkmodellen markerer du sirklar på ein brei strikk og dreg i kvar ende av strikken.

  1. Kva er kva i strikkmodellen? Flytt orda til rett stad.

  1. Kva slags modell er strikkmodellen?

Løysingsforslag

Dette er ein analogimodell, men du kan òg enkelt bruke han til berekningar. Du kan til dømes halde strikken mot ei tavle, måle avstanden mellom merka A og D på eit tidspunkt, dra i strikken, og måle avstanden mellom A og D igjen. Då ser du kor mykje merka bevega seg som resultat av at strikken vart lengre, og det er lett å måle avstandar på ei flate som ei tavle. Pass på at du held A-merket stille mot tavla viss du gjer dette i klasserommet!

Oppgåve 4. Hubbles lov

Hubbles lov handlar om korleis galaksar flyttar seg på grunn av ekspansjonen til universet. Lova seier at farten til ein galakse aukar med avstanden til galaksen. Kor mykje han aukar, kjem an på Hubbles konstant.

  1. Kva er kva i Hubbles lov? Flytt orda til rett stad.

  1. Flytt verdiane til rett plass i Hubbles konstant. Kva einingar er vanlege å bruke når vi måler avstandar i verdsrommet?

  1. Kvifor kan Hubbles konstant ha fleire ulike verdiar?

  2. Kva slags modell er Hubbles lov?

Løysingsforslag

Hubbles lov er ein matematisk modell for korleis farten til ein galakse heng saman med avstanden frå oss. Storleikane fart, avstand og Hubbles konstant har alle talverdiar, med einingar, som kan målast.

Verdien på Hubbles konstant avheng av kva einingar han blir uttrykt i. Det er vanleg å bruke megaparsec per kilometer per sekund.

Mega betyr ein million. Parsec er eit mål for avstand, der 1 parsec er cirka 3 lysår (1 pc = 3,26 ly).

Eit lysår er så langt lys kjem på eit år. Sidan farten til lyset er nesten 300 000 km/s, blir eit lysår nesten 10 000 milliardar kilometer (1 ly = 9,46·1012 km).

Så store tal er ikkje praktiske å bruke, derfor er det enklare å bruke megaparsec (Mpc) når vi snakkar om ting i universet, enn kilometer (km).

Omvendt kan Hubbles konstant bli uttrykt i km/s per kilometer frå oss. Då blir farten 0,000 000 000 000 000 002 km/s (10-18 km/t) per kilometer, som viser kor liten farten av ekspansjonen ville vere nærme oss.

Oppgåve 5. Samanlikn og vurder modellane

  1. Samanlikn dei ulike modellane og ranger dei etter kva du synest er best. Skriv ei kort forklaring til dei ulike modellane, og grunngi rangeringa di.

  1. Samanlikn rangeringa di med rangeringa til ein annan, og diskuter med kvarandre:

    • Kva modell synest de forklarer best kva vi meiner med ekspansjonen til universet og korleis det påverkar rørsla til galaksane i universet?

    • Kva hadde de brukt viss de skulle forklare dette for nokon?

    • Kva er svakheitene og styrkane ved dei ulike modellane?

Om dei ulike modellane

Rosinbollen som hever

Tre rosinbollar i ein stabel. Foto.

Analogimodellane er dei som oftast opplevast som gode forklaringsmodellar sidan dei er enkle å forhalde seg til. Det er òg formålet med dei.

Mange synest bollemodellen er ein god analogi, sidan han er enkel å forstå, og sidan han beskriv eit "univers" i tre dimensjonar, akkurat som vårt. Rosinene beheld òg storleiken sin, sjølv om bollen blir større. Ei ulempe er at dei fleste rosinene er gøymde inne i bollen. Derfor er det ikkje enkelt å sjå kor mykje dei har flytta seg etter heving. Men kanskje du kan tenke på eit ekspanderande univers neste gong du baker bollar!

Ballongmodellen

Ein annan favoritt er ballongen. Ein analogi som er enkel å forstå, og som er enkel å vise i verkelegheita. Ta ein ballong, teikn til dømes nokre galaksar på han, og blås den opp! Du ser med ein gong at galaksane bevegar seg. Ei ulempe er at han ikkje er i tre dimensjonar, flata til ballongen (sjølve "universet") har berre to dimensjonar. Ei anna ulempe er at viss du teiknar galaksar på ballongen, blir dei òg større når ballongen blir blåst opp. Er det slik at galaksar og andre himmellekamar blir større når universet ekspanderer?

Ein fordel med ballongen framfor bollen er at det faktisk er mogleg å måle korleis avstanden mellom det du har teikna på han, forandrar seg når du blåser opp ballongen. Det er ikkje mogleg å måle noko inne i bollen mens han hever!

Ein annan ting du kan utforske med ballongen, er å teikne ein trekant på han og måle summen av vinklane. Blir det 180 gradar, slik du lært i matematikken?

Strikkmodellen

Strikken med merke på er òg veldig enkel å bruke i klasserommet. Det er òg relativt enkelt å måle korleis avstanden forandrar seg når du strekker strikken, til dømes viss to stykke held han opp mot ei tusjtavle og teiknar på ho. Men denne viser berre rørsle i ein dimensjon, i strek-retninga. Sjølv om strikken kanskje er den som er mest brukbar som modell av dei tre for å gjere berekningar, blir han ofte ikkje opplevd som ein like naturleg analogi samanlikna med bollen eller ballongen.

Hubbles lov

Portrett av mann i dress. Han røyker pipe. Svart-kvitt-foto.
Edwin Hubble (1889–1953) var ein amerikansk astronom som i 1929 presenterte ein matematisk modell, Hubbles lov, som beviste at galaksane bevegar seg bort frå kvarandre, noko som igjen beviser at universet utvidar seg. Bilete: Johan Hagemeyer / Offentleg eige

Hubbles lov er ikkje ein analogimodell, men ein rein matematisk modell. Det kan vere veldig vanskeleg å forstå at denne samanhengen er ein naturleg konsekvens av eit ekspanderande univers, viss du ikkje i tillegg bruker nokon av dei andre analogiane for å først forstå konseptet.

Samtidig kan formlar, matematikk og symbol vere veldig forvirrande og abstrakte viss du ikkje er van til å bruke det. Dette er den modellen som er mest brukbar for forskarar når dei skal finne ut av kva teori som stemmer best med den verkelegheita vi observerer, men kanskje ikkje den du bruker når du skal forklare kva eit ekspanderande univers betyr.

Ulike måtar å måle Hubble-konstanten på

Målingar av Hubble-konstanten gir ulike verdiar alt etter korleis vi måler han. Viss vi måler han frå det tidlege universet (målingar av den kosmisk bakgrunnsstrålinga (CMB) med Planck-satellitten), er verdien

H0=67,4±0,5 km/s/Mpc

Viss vi i staden måler H0 seinare i utviklinga til universet, nærare oss i tid (den såkalla avstandsmetoden med målingar av supernovaer og Cepheide-variable stjerner), er verdien:

H0 = 73,0±1,0 km/s/Mpc

At det ikkje blir same verdi med dei ulike metodane, blir kalla Hubble-spenninga. Det er eit opent spørsmål blant forskarar i dag om ho heng saman med ei manglande forståing av ekspansjonen til universet, har noko med målemetodane å gjere eller noko anna.

Modellar har avgrensingar

Det er viktig å reflektere over avgrensingane ved modellar og analogiar. Til dømes har dei tre første analogiane alle ein kant på sitt "univers", og dei ekspanderer alle ut i rommet. Dette betyr ikkje at universet vårt nødvendigvis har ein kant, eller at det treng å ekspandere ut i noko som helst. Dette er effektar som blir til på grunn avgrensingar med analogiane vi bruker. At bollen har ein kant, er ein eigenskap ved bollen, ikkje ein eigenskap ved universet han er ein analogi på.

Merk at den matematiske modellen, Hubbles lov, ikkje har noka slik avgrensing. Men han har ein annan interessant eigenskap: Viss du finn ein galakse på veldig stor avstand, kan då farten bli større enn lysfarten? Klarer du å finne ut av kva avstand det er, og om vi funne galaksar så langt borte?

Kjelder

Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Museum of Science, Boston. (u.å.). Cosmic Questions. Our place in space and time. Henta 25. september 2024 frå https://lweb.cfa.harvard.edu/seuforum/download/CQEdGuide.pdf

Hubble's Law. (2024, 24. september). I Wikipedia. Henta 25. september 2024 frå https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law

NASA. (2020, 24. september). More on Hubble's Law. Henta 25. september 2024 frå https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/M31_velocity/hubble_law/more.html

Villar, R. & Pulliam, C. (2024, 11. mars). NASA's Webb, Hubble Telescopes Affirm Universe's Expansion Rate, Puzzle Persists. NASA Hubblesite. https://hubblesite.org/contents/news-releases/2024/news-2024-108

Relatert innhald

Fagstoff
Modellar

Kart og simuleringar er eksempel på modellar som er forenklingar av verkelegheita. Modellane har avgrensa bruksområde og fortel berre delar av sanninga.

Oppgåver og aktivitetar
Å måle ekspansjonen til universet

Utforsk Hubbles lov med ein praktisk aktivitet som simulerer ekspansjonen til universet, og lag eit Hubble-diagram for å forstå korleis galaksar rører seg.