Årsrapport 2008 Romforskning/ROMFORSK (2003-2010) Året 2008 Norske forskere har i 2008 deltatt i prosjekter knyttet til ESA-satellittene SOHO, Cluster, Rosetta, Cassini og Planck, samt på den japansk-europeiske sol-satellitten Hinode. Data fra Hinode leses ned på Norsk Romsenters stasjon på Svalbard og distribueres til europeiske forskere via et datasenter i Oslo. Det er stor norsk aktivitet på EISCAT, et anlegg som spiller en stor og viktig rolle både i Nord-Norge og på Svalbard, og rundt den øvrige romforskningsinfrastruktur i nordområdene (Andøya Rakettskytefelt, ALOMAR, SvalRak). Norske forskere utnytter i også stor grad det nordiske teleskopet NOT på Kanariøyene. Den norske forskningsdeltakelsen fordelte seg mellom universitetene i Oslo, Bergen og Tromsø, samt Forsvarets Forskningsinstitutt. Programmet finansierte i 2008 8 doktorgradsstipendiater og 7 postdoc-stipendiater. Publiseringsaktiviteten ligger på et høyt nivå, med sterk vekt på allmennrettet formidling. Fra 2008 er det startet opp en ny satsing på grunnleggende forskning innen jordobservasjon under program for Romforskning. Norske forskere vil få tilgang til data fra ESAs rekke av nye forskningssatellitter som nå er under bygging Earth Explorers - med planlagt oppskytning i tidsrommet 2009-2013. Disse satellittene forventes å levere ny informasjon om en rekke klimaparametre, som for eksempel havstrømmer, isdekke, vindhastigheter, skydekke og forurensning. Programmets mål Forskningsprogrammet Romforskning er et grunnforskningsprogram innenfor feltene astro- og romfysikk. Programmet fortsetter rekken av romforskingsprogrammer som Forskningsrådet har hatt i sin portefølje fra starten av. Dette er et rent følgeforskningsprogram rettet mot norsk deltakelse i organisasjonene European Space Agency (ESA), European Incoherent Scatter Scientific Association (EISCAT) og Nordic Optical Telescope (NOT). Engasjement i større prosjekter, som deltakelse i satellitter, raketter eller bakkebaserte teleskop gjennom internasjonalt samarbeid, er sentrale elementer for programmet. De to prioriterte forskningsområdene for programmet er: Sol-Jord fysikk med vekt på forståelsen av grunnleggende prosesser i solen og dens atmosfære og hvordan solvind og solaktivitet påvirker det globale miljøet. Universets utvikling med vekt på forståelsen av fundamentale astrofysiske prosesser. Fra 2008 er det startet opp en ny satsing på grunnleggende forskning innen jordobservasjon med vekt på klimaovervåkning, ressurskartlegging, forurensning ved petroleumsvirksomhet, overvåkning og forvaltning av polarområdene. Hovedmål: Å bidra til å gi vesentlig, grunnleggende kunnskap om verdensrommet gjennom øket forståelse av viktige fysikalske prosesser samt utvikling av de nødvendige teknologiske verktøy. Innen jordobservasjon skal programmet bidra til økt forståelse av Norges store og nordlige havområder, klimaendringenes innvirkning på hav, is og land, miljøtrusler, samt nasjonal kartlegging og overvåkning.
Økonomi og prosjektomfang Disponibelt budsjett i 2008: 15,55 MNOK Forbruk i 2008: 13,25 MNOK Programmets finansieringskilder i 2008: KD, MD Antall og type prosjekter i 2008: Totalt 24 prosjekter: 21 forskerprosjekter (som inneholder Ph.D.- og postdoc-stipender), ett individuelt Ph.D.-stipend, ett individuelt postdoc-stipend og ett utenlandsstipend Vurdering av måloppnåelse og faglige utfordringer Målene som er satt for programmet må i høy grad kunne sies å være oppnådd. Under ESAs vitenskapsprogram har norske forskere deltatt i satellittene SOHO, Cluster, Rosetta, Cassini og Planck, samt på den japansk-europeiske Hinode. Norske firmaer som Kongsberg Defence & Aerospace har oppnådd kontrakter for bygging av instrumenter som leveres i forbindelse med prosjektdeltakelsen. Data fra Hinode leses ned på Norsk Romsenters stasjon på Svalbard og distribueres til europeiske forskere via et datasenter i Oslo. Norske forskere og norsk industri har fått oppdraget med å lese ned og distribuere de vitenskapelige rådataene som satellitten samler inn. Det er stor norsk aktivitet på EISCAT, et anlegg som spiller en stor og viktig rolle både i Nord-Norge og på Svalbard, og rundt den øvrige romforskningsinfrastruktur i nordområdene (Andøya Rakettskytefelt, ALOMAR, SvalRak). Norske forskere utnytter i også stor grad det nordiske teleskopet NOT på Kanariøyene. Programmet har mer enn oppfylt sitt mål om antall årsverk i forskerutdanning og har også oppfylt intensjonene om å bedre kvinneandelen (programperioden sett under ett). Selv i tider med lavere søkning til realfagstudier er det relativt god rekruttering til studier innen rom- og astrofysikk. Totalt antall stipendiater (dr. grad og postdoc) ligger godt over målsettingen på fem til åtte årsverk, mens kvinneandelen er lavere i 2008 enn i 2006 og 2007. Publiseringsaktiviteten ligger på et høyt og tilfredsstillende nivå med sterk vekt på allmennrettet formidling astronomi og romfysikk har fortsatt sterk appell til et bredt publikum, ikke minst unge mennesker. Eksempler på direkte nytteverdi av denne forskningen ligger i forståelsen av effekten solen har på klimaet og påvirkning på elektriske systemer i satellitter og på bakken, radiokommunikasjon og navigasjonssignaler av sol- og geomagnetiske stormer ( romværet ). Universitetet i Tromsø deltar i en designstudie finansiert av EUs 6. rammeprogram, som har til formål å utføre et forstudium med tanke på utviklingen av en moderne fasestyrt radar som på sikt kan komme til å erstatte dagens EISCAT-anlegg i Nord-Skandinavia. Dette prosjektet, EISCAT_3D, er også kommet inn på ESFRIs veikart for fremtidige europeiske forskningsinfrastrukturer, etter forslag fra Sverige og med støtte fra Norge og Finland. Nøkkeltall, 2008 Antall prosjekter: Totalt 24; herav 9 nye i 2008 Dr.gradsstipendiater: 6,1 årsverk, alle menn Postdoktorstipendiater: 3,8 årsverk, herav 1,0 kvinner 2
Kommentarer til tallene: Totalt antall stipendiater (dr. grad og postdoc) ligger godt over målsettingen på fem til åtte årsverk, mens kvinneandelen er lavere i 2008 enn i 2006 og 2007. Resultatindikatorer, 2008 Avlagte doktorgrader: 2 Vitenskapelige artikler med referee: 94 Vitenskapelige artikler uten referee: 10 Annen publisering/kommunikasjon: 21 publiserte foredrag fra internasjonale møter, 65 andre rapporter foredrag, 8 oppslag i massemedia, 30 brukerrettede formidlingstiltak, 8 allmennrettede formidlingstiltak. Antall nye produkter/ prosesser: 1 Kommentarer til tallene: Publiseringsaktiviteten ligger også i 2008 på et høyt og tilfredsstillende nivå med sterk vekt på formidling. Viktigste aktiviteter i 2008 Forskningsfaglige: Norges forskningsråd har, i nært samarbeid Norsk Romsenter og på oppdrag av KD og NHD, kartlagt behovene og mulighetene innen forskning som utnytter rommet (jordobservasjon og fjernmåling; forskning i vektløs tilstand; utforskning av verdensrommet). Dette arbeidet resulterte i rapporten Visjon 2015 Rom for forskning, der det tas til orde for en vesentlig økt satsing på romforskning i Norge. Dette er også en viktig del av Forskningsrådets satsing på forskning i og for nordområdene, basert på de unike forskningsmulighetene i de nordlige landsdeler. Fra 2008 er det således startet opp en ny satsing på grunnleggende forskning innen jordobservasjon under program for Romforskning, med øremerkede midler fra MD og et tilsvarende beløp fra KDs bevilgning. Norske forskere har tilgang til data fra ESAs rekke av nye forskningssatellitter som nå er under bygging Earth Explorers - med planlagt oppskytning i tidsrommet 2009-2013. Disse satellittene forventes å levere ny informasjon om en rekke klimaparametre. Det er behov for å styrke norske forskningsmiljøers utnyttelse av disse dataene til grunnforskning og utdanning av kandidater innen grunnleggende signalforståelse, med tanke på videre anvendelser innen klimaovervåking, ressurskartlegging, forurensning ved petroleumsvirksomhet, overvåking og forvaltning av polområdene, satellittnavigasjon og kommunikasjon for økt aktivitet og ferdsel i våre nordlige havområder og overvåking av miljøtrusler. Programmet hadde en økning (øremerket prosjekter innen jordobservasjon) i budsjettramme i forhold til året før, men likevel måtte ca. 75% av det omsøkte beløp for dette året bli avslått. Fordelingen på fagfelt av de innvilgete søknader stemmer godt overens med programmets målsetting. Programstyret la som før vekt på å sikre rekrutteringen. Programmet finansierte i 2008 8 doktorgradsstipendiater (alle menn) og 7 postdoc-stipendiater (1 kvinne, 6 menn). Dette innebærer en reduksjon i kvinneandelen i rekrutteringsstillinger i 2008, og dette forholdet må vektlegges ved tildelinger for kommende år. Det legges vekt på at prosjektene skal inneholde formidlingstiltak, blant annet gjennom nettsider og popularisering av resultatene. Forskningen har et sterkt internasjonalt preg, både siden enkeltprosjektene er for dyre for et lite land som Norge til å kjøre alene, og fordi programmet er rettet mot følgeforskning forbundet med medlemskap i de internasjonale organisasjonene og anleggene til ESA, EISCAT og NOT. Den norske forskningsdeltakelsen fordelte seg mellom universitetene i Oslo, Bergen og Tromsø, samt Forsvarets Forskningsinstitutt. 3
Norske forskere yter også viktige bidrag som redaktører av sentrale internasjonale tidsskrifter innen romforskning. Nikolai Østgaard (Institutt for fysikk og teknologi, UiB) er Space Science -redaktør i Geophysical Research Letters fra 2007-2010. Ulf-Peter Hoppe (Forsvarets Forskningsinstitutt) har vært redaktør for Middle and Upper Atmosphere -seksjonen i Annales Geophysicae fra 2002 til 2008. Driftsrelaterte aktiviteter: I april 2008 besøkte programstyret Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen, og styret fikk orienteringer om arbeidet der og planer for fremtiden. Det ble presentert meget gode faglige foredrag av så vel studenter som fast ansatte. Høydepunkter og funn Jordens midlere atmosfære har to skyfenomener som begge kan observeres med radar. Om sommeren er det nattlysende skyer, som også kan sees visuelt når skypartiklene er store nok. Radarskyene om sommeren (PMSE) er i høydeområdet 80-90 km, mens de langt svakere og sjeldnere radar vinterskyene (PMWE - som ikke kan sees visuelt, bare med radar) finnes i høydeområdet 55-80 km. Tidligere studier har vist at forekomsten av PMSE er styrt av ladede ispartikler, men en har ikke hatt kjennskap til om PMWE også er styrt av støvpartikler. Det er utelukket at ispartikler er til stede i PMWE, siden at temperaturen i de aktuelle høydeområdene er for høy. Inntil nylig har en trodd at PMWE var forårsaket av turbulente lag som påvirket elektrontettheten. Ved bruk av ny radar-diagnostikk og en ny 56 MHz radar i samarbeid med EISCAT Heating, har forskere ved Institutt for fysikk og teknologi, Universitetet i Tromsø, påvist at også PMWE er styrt av støvpartikler. Analysen viser imidlertid at mens PMSE er styrt av ispartikler med radius mellom ca 10 og 100 nm, er PMWE styrt av støvpartikler med radius omkring bare 3 nm. Dette er trolig røykpartikler som dannes etter at meteorer brenner opp når de kommer inn i atmosfæren med stor hastighet. Dette er en av de få målinger som viser at meteor-røykpartikler er til stede og er aktive i den midlere atmosfære. Rakettinstrumentet ECOMA er et norsk-tysk samarbeidsprosjekt (norsk prosjektleder er Forsvarets Forskningsinstitutt), med gjesteforskere fra Østerrike, Sverige og USA. Under ECOMA-kampanjen sommeren 2008 ble det skutt opp to ECOMA nyttelaster tre ganger. Dette var mulig siden nyttelastene ble berget fra sjøen og deretter overhalt og rekalibrert. Ombord i den første og tredje nyttelasten som ble skutt opp (samme nyttelast) var alle de tre ulike partikkeldetektorene som finnes i verden, én fra Institute of Atmospheric Physics i Tyskland, én fra Universitetet i Tromsø, og én fra Dartmouth College i USA. Instrumentene måler på ulike måter, men resultatene var likevel svært like. Dette gir forskerne stor tillit til at dataene fra disse instrumentene er korrekte og kan benyttes i sammenlignende studier senere. Det er planer om å skyte opp nyttelastene flere ganger i desember 2010 like før, under og like etter meteorskuren som heter Geminidene. Da håper forskerne endelig å finne ut hvordan et høyt antall store og synlige meteorer påvirker mengden av meteorrøyk og dens størrelsesfordeling. Fra før vet man at det kommer svært mange usynlige meteorer (stjerneskudd) hvert døgn, mellom 40 og 100 tonn hver dag globalt. Under denne siste kampanjen håper man å finne ut forskjellene mellom forholdene under en meteorskur og det daglige bombardementet av mikrometeorer. 4
Modular X- and Gamma ray Sensor (MXGS) er en del av Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) som skal plasseres på den internasjonal romstasjonen. Formålet er å måle lynutladninger, omvendte lyn' og gammaglimt fra jorden med forskjellige instrumenter. Omvendte lyn er enorme elektriske utladninger som skjer over tordensystemer i høydeområdet 30-80 km, mens gammaglimt skjer i 10-40 km høyde og varer ca. ett millisekund. Disse fenomenene ble oppdaget på 1980-og 90-tallet. Mht. gammaglimt vet vi ikke hvor ofte de forekommer, eksakt i hvilken høyde de oppstår, eller hvordan de er relatert til lyn, torden eller omvendte lyn. ASIM skal bidra til å besvare disse spørsmålene. Stipendiater og forskere ved Universitetet i Bergen designer og bygger selve detektoren som skal måle røntgen- og gammastråling. Detektorarealet er 1024 cm2, og siden dette er et avbildende instrument har det mer enn 16000 pixeler. Når detektoren settes inn i detektorhuset utgjør dette et instrument på rundt 70-80 kg. En spesiell utfordring er at gammaglimtene opptrer meget intenst i løpet av et kort tidsrom. Det betyr at elektronikken må være rask for å kunne måle flest mulig av gammafotonene som treffer detektoren. En norsk industripartner, Gamma Medica Ideas, har utviklet ny teknologi for MXGS som også har viktige anvendelser for medisinsk tomografisk røntgenavbildning. http://web.ift.uib.no/~nikost/publications.html Institutt for teoretisk astrofysikk, Universitetet i Oslo kan, som eneste gruppe i verden, produsere beregningsmodeller for sola som går helt fra den dynamiske konveksjonssonen og opp til koronaen. Disse modellene gjør det mulig å studere en rekke fenomener som har vært vanskelige å forklare tidligere. Blant disse er "spicules", fingerlignende strukturer med en temperatur på 10000 K som strekker seg flere tusen kilometer inn i solens varme korona (som normalt har en temperatur på flere millioner grader). Tidligere simuleringer har vist at disse kan forklares ved lydbølger som går opp langs magnetiske feltlinjer. Ved å bruke observasjoner fra den japanske sol-satellitten Hinode har forskerne kommet fram til at det i tillegg finnes en ny type strukturer, "spicules type II". Disse svinger fram og tilbake som strå i vinden. Disse observasjonene sammen med simuleringer viser at bevegelsene skyldes Alfvénbølger og at disse bølgene kan ha nok energi til å akselerere solvinden. Resultatene er publisert i det meget anerkjente tidsskriftet Science. De fleste galakser i Universet huser supermassive sorte hull som veier mellom en million og opp til en milliard ganger solens masse. Sannsynligvis oppstod de på et tidlig stadium da galaksene ble dannet, og de er uendelig mer massive og større enn sorte hull som produseres når stjerner kollapser i supernovaeksplosjoner. Gjennom sterke gravitasjonsfelt drar de til seg materie av støv og gass fra sine omgivelser og vokser raskt dersom gass- og støvtilførselen er tilstrekkelig. Galakser som har slike "aktive" sorte hull blir betegnet som kvasarer. På et tidlig stadium vokser både det sorte hullet og galaksen parallelt; det sorte hullet vokser ved å tiltrekke seg den samme gassen og det samme støvet som det dannes nye stjerner av. Alt dette skjer sannsynligvis innhyllet i støv som stenger for mye av UV og optisk stråling fra disse systemene. Men på infrarøde bølgelengder er de lett synlige, og de blir derfor kalt "røde kvasarer". Røde kvasarer er spesielt egnet til å undersøke forholdet mellom galaksemasse og sort hullmasse, og forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk, Universitetet i Oslo har undersøkt dette ved hjelp av data fra Keck-teleskopet på Hawaii. Studiene viser at det er de mest massive galaksene som huser de største sorte hullene. Hvorfor det er slik forskes det intenst på, og resultatene på røde kvasarer kan kaste nytt lys over dette. Så langt har man funnet at de røde kvasarene har sorte hull som har vokst mer i forhold til galaksen rundt, sammenlignet med "sluttproduktet" av galaksedannelse, nemlig massive galakser i det lokale univers. Det er første gang dette har blitt undersøkt for kvasarer. 5
Dagens standardmodell innen kosmologi, der masse-energitettheten i universet domineres av mørk materie og mørk energi, forutsier blant annet hvordan den mørke materien er fordelt i galaksehoper. Gravitasjonslinsing er en unik metode for å måle direkte fordelingen av mørk materie i universet. Massive galaksehoper bøyer lyset fra bakenforliggende galakser, slik at deres tilsynelatende form blir endret. I de mest ekstreme tilfellene blir galaksene strukket ut i lange, tynne buer, og man kan observere flere avbildninger av samme objekt. Dette kalles sterk gravitasjonslinsing. Observasjoner av sterk gravitasjonslinsing kan gi meget nøyaktig informasjon om massefordelingen i de sentrale delene av galaksehopen dersom avstanden til bakgrunnsgalaksene er kjent. Svak gravitasjonslinsing gir derimot informasjon om massefordelingen over et mye større område, men med lavere nøyaktighet. Disse to metodene utfyller derfor hverandre, og sammen utgjør de en slagkraftig kombinasjon for å studere mørk materie i galaksehoper. En detaljert studie av fire galaksehoper utført av forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk, Universitetet i Oslo viser at fordelingen av den mørke materien er mer konsentrert mot senteret av hopene enn forutsagt fra numeriske simuleringer. Gravitasjonslinse-effekten forstørrer og forvrenger bildet av fjerne blå galakser bak galaksehoper slik at de observeres som blå buer. Illustrasjonen viser seks eksempler på galaksehoper som fungerer som kraftige gravitasjonslinser, samtlige oppdaget i 2007-08 ved hjelp av Nordisk Optisk Teleskop. 6