Solformørkelser – unike anledninger til å forstå naturen

Hva har Einsteins generelle relativitetsteori til felles med kunnskap om krillens døgnforflytning i havet? Svaret er at i begge eksempler ga lyset under totale solformørkelser, eller rettere sagt mangelen på lys, unike anledninger til å studere naturen.

Den såkalte «diamantringen» som sees når sola blir synlig etter en total solformørkelse. Fotografert på Svalbard under formørkelsen 2015. Den såkalte «diamantringen» som sees når sola blir synlig etter en total solformørkelse. Fotografert på Svalbard under formørkelsen 2015. Foto: Alex Strømme

Den 29. mai 1919 sto Arthur Eddington klar med sitt spesielle teleskop med påmontert kamera på den lille, og nesten ubebodde, øya Principe utenfor vestkysten av Afrika. Han hadde reist i over en måned, planlagt i flere år og med erkjennelse av at to tidligere anledninger med total solformørkelse var ødelagt av dårlig vær. Værmeldingene var dystre. Dagen opprant overskyet og regnfull … Grunnen til at Eddington hadde investert store ressurser i denne ekspedisjonen var at han hadde satt seg fore å bevise at Albert Einstein hadde rett i sin teori om generell relativitet!

I 1905 publiserte Einstein sin teori om spesiell relativitet. Det er krevende å beskrive denne teorien i detalj, men den omfatter blant annet forklaringer på fenomener som oppstår når legemer beveger seg i svært høye hastigheter, nær lysets hastighet. Den kanskje mest «berømte» av alle fysiske sammenhenger, nemlig E=mc2, er en konsekvens av Einsteins teori. Likningen beskriver sammenhengen mellom masse og energi. Den spesielle relativitetsteorien har noen svakheter. Den første er at den bare gjelder for legemer som beveger seg i rett linje og med konstant fart i forhold til hverandre. Teorien tar ikke hensyn til gravitasjonens virkning på alle legemer, også på lys (som kan beskrives som en strøm av små partikler). Den hadde heller ikke matematisk eller eksperimentelt belegg. Selv om teorien ga mye ny erkjennelse, var den likevel mest interessant som «filosofi» og hadde ingen praktisk anvendelse, nettopp fordi den var spesiell og ikke generell. Einstein begynte derfor straks med å utvikle teorien til å gjelde under alle forhold. Han ville også forstå betydningen av hvordan gravitasjon virket inn på legemer i bevegelse, og i 1915 publiserte han sin generelle relativitetsteori. Denne gangen kunne han forklare fysiske egenskaper for alle legemer, selv om de akselererte i forhold til hverandre. Teorien beskriver hvordan masse og energi «bøyer» rommet de beveger seg i, og påvirker banene til frie partikler. En konsekvens av dette er at lys, som altså består av partikler, vil påvirkes om det passerer legemer med stor masse, som for eksempel en stjerne. Han belyste og begrunnet teorien med matematiske utregninger, men han manglet likevel eksperimentelle data som kunne bekrefte at han hadde rett. Uten slike data ble ikke teorien så interessant og hadde mest akademisk interesse. Det var få som derfor kjente til teorien, og enda færre som skjønte noe av den.

Da er vi tilbake til Arthur Eddington. Han var en britisk astrofysiker med høy kompetanse innen matematisk modellering av fysiske fenomener. Nærmest ved en tilfeldighet fikk han se Einsteins teori, og fattet straks interesse for den. Einstein var tysk, og arbeidet i Tyskland da han lanserte den nye teorien. Eddington var engelsk, og de to landene var på hver sin side under den første verdenskrigen (1914–1917). Det var derfor ikke mulig at de to kunne møte hverandre, og det var også vanskelig for dem å kommunisere skriftlig. Eddington ville likevel, nærmest på egenhånd, forfølge en av Einsteins foreslåtte idéer om hvordan forskere kan vise at lysets bane avbøyes av stjerner.

Lyset fra en stjerne følger i utgangspunktet en rett linje fra stjernen til en observatør, dvs. oss på jorda som ser stjernen. Hva vil skje dersom sola kommer mellom oss og stjernen? I følge Einstein ville lyset da bøyes, og det vil se ut for oss som om stjernen skifter posisjon. Problemet er bare det at vi ikke kan se både solen og stjernen på samme tid. Vi ser ikke stjerner midt på dagen … Men – det finnes sjeldne situasjoner da vi allikevel kan gjøre nettopp det, nemlig under totale solformørkelser! Under slike formørkelser kommer månen i noen minutter foran sola. Det blir da nesten helt mørkt, stjernene nær sola blir plutselig synlige. Det var en slik begivenhet som brakte Eddington til den fjerne øya utenfor Afrika i 1919. Her ville det nemlig være ett av de få stedene på land der det ville være mulig å se total formørkelse. Han ville først fotografere noen av stjernene om natta, når lyset altså ikke ble «forstyrret» av sola, og så ta bilde av de samme stjernene under solformørkelsen. Hvis Einstein hadde rett, ville det se ut som om stjernene som var nær sola ville forandre plass under formørkelsen, fordi lyset fra dem ville bli bøyd på grunn av solas gravitasjon.

Eddington var godt forberedt på alt han kunne rå over. Men han kunne ikke rå over været. Dersom det var overskyet under formørkelsen, ville alt være forgjeves. Dagen kom; det regnet og var overskyet. Likevel rigget han seg til og ventet. Og – som et lite mirakel, åpnet skydekket seg i noen minutter akkurat i det månen gled foran sola, og det ble mørkt som om natta! Etter snaue tre minutter var det hele over. Månen gled forbi sola som igjen ble dekket bak skyer. Eddington hadde tatt snaue 20 bilder, men hva ville de vise?

De fleste av bildene var av dårlig kvalitet, og bare to av dem var fototeknisk gode nok. Eddington hadde under formørkelsen fotografert stjernene i stjernebildet Hyadene. Hjemme i England hadde han tatt bilder av de samme stjernene på natterstid. Nå skulle han sammenlikne posisjonene til stjerne på de to bildene. Dersom de var ulike, ville han gjøre nøyaktige målinger og sette resultatene inn i sine egne og Einsteins likninger. Stjernene hadde skiftet posisjon under formørkelsen, og ikke bare det! Endringene var akkurat slik de burde være i henhold til Einstein. Albert Einstein fikk dermed sin etterlengtede støtte for sin teori, takket være Eddington som hadde ofret tid, penger og prestisje. Han hadde satset alt på ett kort – noen minutters klarvær over øya Principe den 29. mai 1919.

Negativ av Eddingtons fotografi av den totale solformørkelsen i 1919. På originalen kan man se stjerner som svarte prikker på fotografiet. Negativ av Eddingtons fotografi av den totale solformørkelsen i 1919. På originalen kan man se stjerner som svarte prikker på fotografiet. Foto: Sir Arthur Eddington En plakett ble satt opp på øya Principe i 2009 for å markere 90-årsdagen for solformørkelsen i 1919. Plaketten viser hvordan Arthur Eddington gikk fram for å vise at Albert Einstein hadde rett i sin teori om generell relativitet. En plakett ble satt opp på øya Principe i 2009 for å markere 90-årsdagen for solformørkelsen i 1919. Plaketten viser hvordan Arthur Eddington gikk fram for å vise at Albert Einstein hadde rett i sin teori om generell relativitet. Foto: Richard Massey (Durham University)

Fotografiet forandret vårt syn på naturen, og ga støtte for en helt ny måte å forstå lys og gravitasjon på. Einstein ble, nærmest over natten, det vi kan kalle en superkjendis. Publiseringen av bildet skulle bli starten på hans rolle som vitenskapens supermann – et ikon på intelligens, fornuft og tro på naturvitenskapens måte å beskrive og forklare verden på.

Alle totale solformørkelser er spennende. Ikke bare gir de fantastiske opplevelser for oss som opplever dem. Formørkelsene kan også gi unike muligheter til å forstå mer av verden, slik som den i 1919. Det inntreffer en total solformørkelse omtrent hvert annet år, men alle er unike fordi de inntreffer på forskjellig steder og på forskjellige tider av året. Det går omtrent 500 000 år mellom hver gang en formørkelse er synlig på samme sted og på samme dato.

Den 20. mars 2015 var det en total solformørkelse som skilte seg ut av to grunner. For det første var den synlig fra bare to bebodde deler av verden; Færøyene og Svalbard. For det andre inntraff formørkelsen akkurat på vårjevndøgn, da det er størst forskjell mellom dag og natt.

Forskerne på Svalbard gned seg i hendene. Marinbiologer har i flere år studert hvordan krepsdyr beveger seg opp og ned i havet. Krillen, for eksempel, oppholder seg nær havbunnen når det er lyst, altså om dagen. Grunnen er at de lett blir bytte for predatorer i lyset. I mørket, derimot, kan de bevege seg fritt og selv spise plankton som svever i vannmassene. Den lysavhengige, vertikale bevegelsen av krepsdyr er den største migrasjonen av biomasse på jorda! Tonn på tonn av små dyr beveger seg opp og ned i havdypet. På lave breddegrader skjer dette i en daglig rytme, men i polområdene er det et annet mønster. På vinteren er det mørkt, og om sommeren lyst – døgnet rundt! Midt i mellom disse årstidene er det imidlertid stor forskjell på dag og natt.

Marinbiologer har i mange år studert biomigrasjon i polområdene og vet mye om årstidenes betydning for havdyrene. De har likevel til nå vært usikre på om dyrene følger en indre «klokke», utviklet gjennom evolusjonen, som forteller om det er dag, natt, vinter, vår sommer eller høst, eller om de lar seg styre mer «direkte» av lyset i havet.

Solformørkelsen i 2015 kunne gi unike svar. Den 20. mars var nemlig nettopp på vårjevndøgn. Vi kjenner i detalj dyrenes bevegelser på denne tiden av året; dypt nede langs havbunnen om natten, fritt svevende i vannmassene om dagen. Men – hvordan vil de reagere om det plutselig ble mørkt midt på dagen, slik det blir under en total solformørkelse? Ikke bare inntraff formørkelsen på vårjevndøgn, den skjedde også omtrent midt på dagen, på det lyseste. Forholdene var med andre ord særdeles gunstige for å studere krepsdyrenes migrasjon, og ga mulighet til noe som er umulig å gjenta, både i naturen eller i laboratorier. I hvert fall om vi ikke er villig til å vente en halv million år …

Forskerne plasserte et ekkolodd på havbunnen i Adventfjorden utenfor Longyearbyen. Ekkoloddet pekte opp mot overflaten og registrerte fortløpende tettheten av ulike typer zooplankton og fisk oppover mot overflaten før, under og etter formørkelsen. Figuren under viser de første resultatene av disse målingene. Fargeskalaen viser hvilke farger som representer mest ekko, og altså treffer mest dyr på veien fra bunnen til overflaten: Rødt og gult viser at det er mye biomasse ekkoet treffer, grønt lite, og blått at det er lite eller ingen dyr som lager ekko.

Bilde fra ekkoloddet som ble brukt for å registrere biomasse (zooplankton og fisk) under formørkelsen i 2015. Bilde fra ekkoloddet som ble brukt for å registrere biomasse (zooplankton og fisk) under formørkelsen i 2015.

Total solformørkelse inntraff klokken 10.12 og varte i to minutter. På figuren er dette tidsrommet vist med de svarte loddrette strekene. Ser vi nøye etter der pilen peker, kan vi se at det er en omvendt, grønn V under formørkelsen, med topp under totaliteten. Det betyr at dyrene beveger seg oppover når det mørkner, og nedover igjen når sola igjen blir synlig. I det røde rektangelet ser vi også at det er mer blått på ca. 70–60 meter under formørkelsen. Altså; dyrene forlater bunnen når det blir mørkere. De tror det er natt! Nærmere studier tyder på at mesteparten av ekkoene kommer fra krill. Denne studien forteller oss altså at krillens døgnbevegelser ikke skyldes at de har en «indre klokke», men at de lar seg styre av sollyset.

Neste totale solformørkelse inntreffer i august 2017, og vil være synlig på tvers av hele USA. Det er ganske sikkert at forskerne benytter anledning til å lære mer om naturen også da!

Læringsressurs

Nettressurser