Leitin að elsta ljósi alheimsins
Stundum er það þannig að lítil jólagjöf getur breytt lífinu, eða öllu heldur hún getur haft þannig áhrif að allt lífið tekur lit af gjöfinni. Þannig er það alla vega með Jón Emil Guðmundsson, lektor í stjarneðlisfræði við Háskóla Íslands. Þegar hann var lítill drengur og fletti gljápappírnum utan af jólagjöfinni frá pabba sínum og mömmu kom honum ekki í hug að bókin sem var þarna hulin yrði honum áhrifavaldur inn í framtíðina. Bókin sem hann fletti þarna í fyrsta sinn undir jólatrénu hefur heimsfræðin í háskerpu og heitir „Fyrstu þrjár mínúturnar.“ Hún er eftir Steven Weinberg. Stuttu seinna fékk Jón Emil myndskreyttar útgáfur af bókum enska eðlis- og heimsfræðingsins Stephen Hawking og þá var ekki aftur snúið. Og hvað skyldu heimsfræðin vera? Jú, þau eru sú grein á meiði stjörnu- eða stjarneðlisfræðinnar þar sem fengist er við alheiminn eins og hann leggur sig, þróun hans og örlög.
Jón Emil er fæddur árið 1985 og langri skólagöngu hans lauk árið 2014 með doktorsgráðu í stjarneðlisfræði frá Princeton-háskóla í Bandaríkjunum, einum virtasta háskóla í heimi. Þótt þar hafi menntun hans lokið formlega þá heldur leit Jóns Emils áfram nánast án afláts að nýrri þekkingu. Hann er enda einn helsti vísindamaður Íslendinga á sviði stjarneðlisfræði.
„Rannsóknir mínar tengjast mest megnis örbylgjukliðnum, þ.e.a.s. elsta ljósinu í alheiminum, og því hvað þetta ljós getur sagt okkur um sögu og eiginleika hans. Undanfarið hef ég unnið mikið við hönnun og kvörðun á örbylgjusjónaukum sem verður beitt við þessar rannsóknir á næstu árum,“ segir Jón Emil sem er afkastamikill í rannsóknum á sínu sviði. Hér er hann m.a. að tala um Taurus-loftbelgssjónaukann á vegum NASA, Simons Observatory sjónaukana sem staðsettir eru í Atacama-eyðimörkinni í Chile og LiteBIRD-gervitunglið sem er á vegum Japönsku geimvísindastofnunarinnar og fer í loftið á seinni hluta þessa áratugs.
„Við leggjum mikið kapp á það að skilja eiginleika sjónaukanna sem best svo hægt sé að skilja gögnin sem þeir framleiða. Þessir sjónaukar eru nefnilega hannaðir til þess að leita að því sem við gætum líkt við nál í heysátu og því þarf að ganga úr skugga um að við þekkjum sjónaukana vel og vitum hvernig þeir virka, t.d. hvaða takmarkanir þeir hafa, svo að sú leit takist.“
Jón Emil Guðmundsson ræðir um rannsóknir sínar.
Hulinshjálmar, metaefni og Guardians of the Galaxy
Ekki verður annað sagt en að stjörnur heilli almennt séð fólk þótt ekki sé það nú allt mjög vísindalegt sem fléttast við þær í huga mannsins. Nærtækast í því sambandi er að nefna afar vinsælt efni í fjölmiðlum, stjörnuspárnar sem fæst okkar taka þó mjög alvarlega. Orðið stjörnuspá er reyndar nýsmíði Jónasar Hallgrímssonar sem fyrstur þýddi kennslubók um stjörnufræði á íslensku.
Ferðir manna og alls kyns flókinna lífvera um stjörnukerfin hafa einnig heillað fólk í vísindaskáldskap og seinna í kvikmyndum, nú síðast í Stjörnustríðsmyndunum og í bálkum Marvel þar sem Guardians of the Galaxy er síðasta afurðin.
Jón Emil er ekki beint með vísindaskáldskap í huga þegar hann leitar nýrrar þekkingar í rannsóknum sínum á sviði eðlisfræði, verkfræði og stjarneðlisfræði. Það furðulega er samt þannig að eitt af því sem fléttast inn í rannsóknir þessa unga vísindamanns er sá möguleiki að gera fólk ósýnilegt og reyndar hluti líka, kannski ekkert ósvipað því og við sjáum í myndunum um „verndara vetrarbrautanna“.
„Hvað mín rannsóknarverkefni varðar,“ segir Jón Emil, „þá er ég að vinna með svokölluð metaefni sem heita metamaterial á ensku sem móta örbylgjur á áhugaverðan hátt og hægt er að hagnýta á ýmsa vegu, t.d. við hönnun á hulinshjálmum, loftnetum og myndavélum sem virðast næstum brjóta lögmál eðlisfræðinnar.“ Hann bætir því við það sé ekki sérstaklega langt stökk yfir í verkefni sem tengjast skammtatölvum og samskiptabúnaði framtíðarinnar, 5G og 6G.
Jón Emil er reyndar á því að listin og vísindin eigi miklu meira saman en margir ætla. „Það er svo margt líkt með listsköpun og vísindarannsóknum,“ segir hann. „Það er til dæmis mikið af skapandi vinnu sem á sér stað við vísindastörf en sá þáttur á það til að týnast þegar að helstu niðurstöður vísindarannsókna eru kynntar. Mér finnst að bæði listir og vísindi hvetji okkur til dáða og fylli okkur af innblæstri. Hjálpi okkur að skilja okkur sjálf, samfélögin og heiminn sem við búum í.“
„Við leggjum mikið kapp á það að skilja eiginleika sjónaukanna sem best svo hægt sé að skilja gögnin sem þeir framleiða. Þessir sjónaukar eru nefnilega hannaðir til þess að leita að því sem við gætum líkt við nál í heysátu og því þarf að ganga úr skugga um að við þekkjum sjónaukana vel og vitum hvernig þeir virka, t.d. hvaða takmarkanir þeir hafa, svo að sú leit takist,“ segir Jón Emil Guðmundsson.
Tilviljanir og keðjuverkun uppgötvana
Jón Emil segir að oft sé það þannig að ein uppgötvun fæði af sér aðra. Fjöldinn allur af tækninýjungum hafi t.d. þróast samhliða grunnrannsóknum í eðlisfræði.
„Það má t.d. nefna að örbylgjukliðurinn var uppgötvaður fyrir tilviljun af vísindamönnum við Bell Labs í New Jersey fylki árið 1965. Um það leyti voru vísindamenn við sömu stofnun að finna upp tæknina sem liggur að baki nútíma örgjörva og leggja grunninn að þeirri stærðfræði og rafmagnsverkfræði sem knýr nútíma fjarskiptanet. Hér er ég t.d. að tala um farsíma og þráðlausar nettengingar. Á þeim tíma voru þetta allt grunnrannsóknir en núna sést hagnýting þessara rannsókna alls staðar í samfélaginu.“
Þessi litla saga er dæmigerð fyrir runu af uppgötvunum sem geta komið fram við rannsóknir sem tengjast einu eða fáum viðfangsefnum en leiða til uppfinninga á mörgum sviðum samtímis.
Víðfeðmar rannsóknir á sviði stjarneðlisfræði
Áhugi Jóns Emils spannar víð svið, ekki bara sökum þess að hann beinir sjónum að víðáttum himingeimsins. „Ég hef sérstaklega gaman af þeim þætti tilraunaeðlisfræðinnar sem gerir okkur kleift að fylgja verkefnum áfram frá byrjun til enda,“ segir hann. „Í stjarneðlisfræðinni gefst okkur t.d. tækifæri til að stjórna grunnhönnun sjónauka, fara svo yfir í framleiðsluferlið og taka virkan þátt í ýmsum erfiðum ákvarðanatökum sem oft tengjast bestun. Því næst setja upp sjónaukana og ganga úr skugga um að allt virki eins og það á að virka og stundum er sú vinna unnin á sérstaklega áhugaverðum stöðum eins t.d. Atacama-eyðimörkinni í Chile. Koma svo heim með gögnin, búa til aðferðir til að vinna úr þeim og svo að lokum, vonandi, fagna þegar mælingarnar hjálpa okkur að skilja alheiminn.“
Bersýnilega er ekki verið að ráðast á garðinn þar sem hann er lægstur.
Þegar Jón Emil er spurður út í hverjar séu helstu niðurstöður úr rannsóknaverkefnum hans verður hann aðeins hugsi en svarar svo. „Ætli niðurstöður frá Planck-gervitunglinu hafi ekki verið hvað áhrifamestar. Planck er gervitungl Evrópsku geimferðastofnunarinnar sem fór í loftið árið 2009 og renndi frekari stoðum undir grundvallarhugmyndir okkar um heimsfræði og hið viðamikla hlutverk sem hulduorka og hulduefni leika í þróun alheimsins. Á síðustu árum hafa stærstu niðurstöðurnar mínar snúið að hönnun sjónauka Simons Observatory, sem eru að fara að hefja mælingar í Atacama-eyðimörkinni seinna á þessu ári.“
Örbylgjukliðurinn og vetrarbrautin okkar. Frá Planck-gervitunglinu.
Margt sjálfsagt í dag sem var eitt sinn rannsóknarefni
Jónas Hallgrímsson þjóðskáld Íslendinga þýddi eins og áður sagði fyrstu kennslubókina í stjörnufræði á íslensku. Bókin, sem kom út árið 1842, heitir Stjörnufræði, létt og handa alþýðu, í þýðingu Jónasar. Hún er eftir danska stærðfræðinginn G.F. Ursin.
Í þeirri bók er urmull af nýyrðum sem hafa fest sig í sessi sem tengjast ekki bara stjörnufræði heldur daglegu máli Íslendinga í nútímanum. Þar má nefna orð eins og reikistjörnur, þyngdarafl, geislabaug, snúningshraða og sjónauka sem er einmitt það tæki sem er hvað afkastamest í rannsóknum Jóns Emils.
Þegar við horfum til himins að næturlagi og sjáum vetrarbrautina, tunglið og jafnvel norðurljósin, vitrast okkur stundum orð Jónasar án þess að vita hvaðan þau komu: stjörnubjart, stjörnuþoka, sólkerfi, ljósgjafi, ljóshraði og ljósvaki. Rannsóknir Jóns Emils snúast einmitt um allt þetta og ekki síst fyrsta ljósvakann.
En kannski fyllumst við fyrst og síðast aðdáun yfir fegurðinni undir stjörnubjörtum himni. En hvaða máli skiptir það að rannsaka fyrsta ljósið, stjörnurnar, geiminn og alheiminn? „Það er hægt að nálgast þessa spurningu á svo marga vegu,“ segir Jón Emil. „Hvaða máli skiptir það þótt við komumst að því að jörðin snúist í kringum sólina en ekki öfugt? Hvaða máli skiptir það að vita að margar tegundir þeirra frumefna sem þurfti til að skapa líf á jörðinni hafi verið framleiddar inni í stjörnum sem nú eru hættar að skína? Hvaða máli skiptir það hvort að við getum skorðað þau eðlisfræðilögmál sem lýsa fyrstu sekúndubrotunum í sögu alheimsins? Kannski skiptir þetta engu máli þegar öllu er á botninn hvolft en það er samt stórmerkilegt. Hlutir sem okkur þykja sjálfsagðir í dag voru eitt sinn rannsóknarefni vísindamanna.“
Í fyrrahaust hófst verkefnið CMBeam innan HÍ sem fékk styrk frá Evrópska rannsóknaráðinu (ERC) sem hljóðaði upp á um 300 milljónir króna. Jón Emil leiðir þetta verkefni. „Við erum að nota þennan styrk til að koma á laggirnar ansi háþróaðri tilraunaaðstöðu við HÍ sem verður nýtt til þess að hanna örbylgjusjónauka framtíðarinnar; sjónaukum sem er ætlað að fræða okkur meira um sögu alheimsins. Tilraunastofan býr jafnframt yfir tækjabúnaði sem opnar nýjar víddir í kennslu í tilraunaeðlisfræði, rafsegulfræði og jafnvel vélaverkfræði,“ segir Jón Emil.
