Forskere: Disse fund kan vi forvente af tyngdebølger
Tyngdebølger kommer til at revolutionere forskningen, hører vi igen og igen. Men hvad er det egentlig for noget viden, forskerne regner med at kunne opnå nu, hvor de har tyngdebølger som værktøj?

I september måned 2015 målte forskere for første gang i verdenshistorien gravitationsbølger, også kendt som tyngdebølger, fra en kosmisk kollision. Bølgerne kan bl.a. gøre os klogere på stjernedannelse, gammaglimt - og Big Bang. (Foto: <a href="http://shutr.bz/1pAYpBQ" target="_blank">Shutterstock</a>)

 

Forestil dig, at du hele dit liv har kunnet se, men ikke høre. Du observerer mange ting omkring dig, men du ved også, at der foregår et hav af ting, som du ikke opfanger.

Pludselig dumper din hørelse ned fra himlen. Hvad er det første, du gør?

Dette spørgsmål har hele verdens astrofysikere måttet stille sig selv, da det midt i september 2015 første gang lykkedes amerikanske forskere at måle tyngdebølger. Resultatet blev annonceret 11. februar 2016.

»Al vores hidtidige information stammer fra lysfotoner – fra radiobølger til gammastråling – og enkelte neutrinoer. Nu kommer vi fremover til at få kendskab til astrofysiske objekter, som hidtil har været usynlige for os. Det åbner for et væld af nye oplysninger om universet,« lyder det fra astrofysiker Thomas Tauris, som arbejder ved Universität Bonn i Tyskland.

Videnskab.dk har bedt en række danske forskere svare på, hvilken viden tyngdebølge-fundet efter deres mening åbner op for. Tag en dyb indånding, og gør dig klar til en tur rundt  astrofysikkens hjørner - lige fra tyngdekraften til systemer med sorte huller, dannelsen af massive stjerner, gammaglimt, kilonovaer - og til sidst, eller først, om man vil: Big Bang.

Tyngdebølger gør os klogere på Einsteins relativitetsteori

Einstein forudsagde tyngdebølgerne som en del af sin almene relativitetsteori for 100 år siden, og fundet af dem er et vigtigt bevis – i den i forvejen overvældende bevisbyrde – for, at hans teori holder. Men det kan samtidig bruges til at teste, på hvilke områder teorien ikke holder, lyder det fra professor Johan Fynbo. Han forsker i gammaglimt og galakser i det tidlige univers ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

»Et af de primære perspektiver ved fundet af tyngdebølger er for mig at se, at vi kan forstå tyngdekraften bedre. Det giver en ny måde at teste den teori, der findes, og forhåbentlig kunne man finde evidens for afvigelser – vi ved, at Einsteins generelle relativitetsteori ikke er endelig, da den ikke er kvantemekanisk. Vi kan altså begynde at teste selve tyngdekraften.«

Professor Niels Obers, som forsker i teoretisk partikelfysik og kosmologi ved Niels Bohr Institutet, er enig:

»Vi har nu bekræftet, at Einsteins teori er rigtig i relation til tyngekraftsbølger, men der er mange andre tyngdekraftsteorier, som varierer lidt fra den oprindelige. Man kan enten bekræfte Einsteins teori endnu mere nøjagtigt – eller man kan begynde at lave en modificering,« siger Niels Obers, som nævner sorte huller som et eksempel på, hvor vi kan begynde at præcisionsteste Einsteins teori.

Fakta

Et binært stjernesystem er et system, der har et center med to stjerner, der er tæt nok på hin-anden, til at deres tyngdekraft trækker i dem og tvinger dem til at bevæge sig i kredsløb om hinanden. De to sorte huller, som forskerne målte tyngdebølger fra i september 2015, var henholdsvis 29 og 36 solmasser. Hændelsen, som blev målt, varede 10 millisekunder. Kollisionen af de to sorte huller skete for 1,3 milliarder år siden, men nåede først frem til Jorden og LIGOs detektorsystemer 14. september 2015. Det på trods af at bølgerne bevæger sig med lysets hastighed gennem universet, og at bølgernes kraft ved hullernes kollision var 50 gange større end alle stjerner i hele universet.

»Et sort hul har en såkaldt begivenhedshorisont, og teorien for den siger, at intet, som er gået ind i den, kan komme ud igen. Ved at lave målinger på tyngdebølgerne, kan vi blive klogere på geometrien af den rumtid, som er rundt om det sorte hul – og den har vi ikke kunnet undersøge før. Ved hjælp af tyngdekraftsbølger kan vi indirekte se den rumtid, som eksisterer i og rundt om det sorte hul – og der kan vi få en meget nøjagtig bekræftelse af, om Einsteins teori virkelig holder.«

Verdens første observation af sorte huller i et binært system

Men verdens første detektering af tyngdebølger er ikke blot verdens første detektering af tyngdebølger. Det er også verdens første detektering af to sorte huller i et binært system (se faktaboksen til højre). Og det er i sig selv et ganske opsigtsvækkende resultat, som kommer til at kaste en stor mængde ny viden af sig, fortæller seniorforsker Søren Brandt fra DTU Space.

»Allerede i den første observation af tyngdebølger har vi fået et godt eksempel på, hvad man kan bruge tyngdebølger til. Samtidig med at det er en bekræftelse af bølgernes eksistens, så er det en astrofysisk observation af to sorte huller, som smelter sammen, og det har vi aldrig haft før,« siger han og fortsætter:

»Bølgerne er endda så venlige, at de indeholder en masse information om de to sorte huller og deres størrelse. Vi kender sorte huller i vores egen mælkevej, men der er ikke nogen af dem, som indeholder to sorte huller. At sådan nogle systemer eksisterer, er i sig selv en fantastisk astronomisk observation.«

De sorte huller kommer fra nogle store, tunge stjerner, som er blevet til på et tidligt tidspunkt i universets historie, og kan derfor fortælle os noget om, hvordan udviklingen af stjerner foregår, fortæller Søren Brandt.

»Det fortæller os, hvad der kan lade sig gøre - så kan man regne bagud og sige, at så er vi nødt til at have nogle modeller for, hvordan stjerner kan udvikle sig og ende på den måde. På den måde kan tyngdebølger være med til at besvare det helt store spørgsmål om, hvordan hele universet er kommet til at se ud, som det gør nu.«

Nu kan vi blive klogere på stjernedannelse

Professor Jens Hjorth fra Dark Cosmology Centre på Københavns Universitet er også begejstret for udsigten til at blive klogere på massive stjerner, takket være tyngdebølgernes afsløring af to sorte huller i et binært system.

»Det borer sig lige ned i min egen nysgerrighed; det er en overraskelse i sig selv, at man har set sådan et binært system med sorte huller i størrelsesordenen 30 solmasser, for vi ved faktisk ikke, hvordan de bliver dannet, og hvilke stjerner der kan give anledning til dem. Man kan endda forestille sig, at der findes andre typer af disse systemer – som måske kan danne endnu tungere sorte huller? Og kan det så få konsekvenser for, hvilke andre stjerner man kan forestille sig blive dannet?« siger Jens Hjorth.

Han møder begejstret opbakning fra astrofysiker Thomas Tauris, som arbejder ved Universität Bonn i Tyskland og ser potentiale for at udnytte de nye muligheder i sin egen forskning.

Et sort hul har en såkaldt begivenhedshorisont, og teorien for den siger, at intet, som er gået ind i den, kan komme ud igen. Ved at lave målinger på tyngdebølgerne, kan vi ifølge professor Niels Ober blive klogere på geometrien af den rumtid, som er rundt om det sorte hul – og den har vi ikke kunnet undersøge før. Ved hjælp af tyngdekraftsbølger kan vi indirekte se den rumtid, som eksisterer i og rundt om det sorte hul – og der kan vi få en meget nøjagtig bekræftelse af, om Einsteins teori virkelig holder, forklarer han. (Foto: <a>Shutterstock</a>)

»De tyngdebølger, vi modtager, fortæller os noget om masserne og rotationen af de sorte huller, som kolliderer. Dermed kan vi teste vores stjerneudviklingsmodeller for de tunge stjerner i dobbeltstjernesystemer, som senere producerer disse kolliderende sorte huller. Det samme kan vi gøre for de systemer, der bliver til kolliderende neutronstjerner,« skriver Thomas Tauris i en mail til Videnskab.dk.

 

De sorte huller var bare første type 'system' i rækken

Jens Hjorth fortæller endvidere, at systemet med de to sorte huller formentlig bare er begyndelsen. Flere andre typer vil formentlig afsløre sig i fremtiden, når flere målinger af tyngdebølger begynder at tikke ind.

»Tyngdebølgerne kan også gøre os klogere på den måde, at nu har vi set ét system – hvad bliver det så næste gang? Når vi har set mange af dem, vil vi få en fornemmelse af, hvilke andre systemer typer, der findes derude. Det er ret stort,« siger Jens Hjorth.

Johan Fynbo glæder sig også ved tanken om de nye fænomener, som målingen af tyngdebølger har åbnet op for.

»I princippet kan vi nu begynde at se nogle helt nye ting. Det kan være, at der findes ting derude, som slet ikke har nogle elektromagnetiske egenskaber, og som vi derfor ikke har kunnet måle før nu. Sammenstødet mellem de to sorte huller, som LIGO målte tyngebølger fra, er et godt eksempel, for det er meget muligt, at der slet ikke er noget normalt stof i deres nærhed, og så er det meget muligt, at de slet ikke udsender lys. Dermed er tyngebølger den eneste måde at måle sådan et fænomen.«

[Der er dog diskussion om, hvorvidt dette er tilfældet eller ej, se boksen under artiklen]

Thomas Tauris bakker op – i fremtiden bliver det muligt at få kendskab til hidtil usynlige astrofysiske objekter, som udsender tyngdebølger. Det åbner en helt ny verden for astrofysikerne.

»Foruden kolliderende sorte huller og neutronstjerner, drejer dette sig formentlig også om tyngdebølger fra supernovaeksplosioner samt hurtigt roterende neutronstjerner i dobbeltstjernesystemer. Den sidste slags bølger adskiller sig fra de førstnævnte ved, at de udsendes kontinuerligt. Det vil sige, at i modsætning til kolliderende og eksploderende objekter, som kun udsender kortvarig stråling en enkelt gang, så kan neutronstjerner i dobbeltstjernesystemer i princippet blive ved med at udsende tyngdebølger kontinuerligt. Dog med en meget mindre amplitude (effekt), og derfor vil vi kun se denne stråling fra neutronstjerner i vores galakse, Mælkevejen.«

 

Genererer neutronstjerner gammaglimt?

Forskere verden over vil nu gå i gang med at forsøge at finde ud af, dels hvad det er for nogle events, der skaber tyngdebølger, dels hvor de foregår henne, fortæller Kristian Pedersen, direktør for DTU Space. Således vil man kunne tage det næste store skridt for at finde baggrunden for tyngdebølgebegivenhederne, siger han.

Tyngdebølger og gravitoner

Fundet af tyngdebølger er et meget kraftigt indicium på, at de såkaldte gravitoner – tyngdekraftpartikler – findes. Teorien om gravitoner udspringer fra kvantemekanikken. For 100 år siden fandt man ud af, at der findes en dualitet mellem bølger og partikler. Det kan du læse mere om her. Det betyder, at hver gang, der er et bølgefænomen, er der også et partikelfænomen. Det kalder man for kvan-ter. Desuden fandt man ud af, at elektroner – partikler – kunne opføre sig som bølger. Ligesom der findes lysbølger, kan man forestille sig, at der også findes tyngdebølger, og ligesom lys giver anledning til fotoner, kunne tyngdebølger give anledning til gravitoner. Hvis gravitoner eksisterer, betyder det, at rumtiden ikke er en glat overflade, og at hvis man kigger nærmere på den, vil man kunne se, at den består af bittesmå partikler – gravitoner. Kilde: Lektor Troels Harmark, NBI, KU

»Man vil blandt andet undersøge, om der skulle være nogle af disse events, der giver anledning til gammaglimt, for hvis man kan knytte de to ting sammen, vil man også kunne sige noget om fysikken, der genererede det i første omgang. Hvis man har sådan to events knyttet til hinanden, vil man have meget bedre forudsætninger for at finde ud af, hvad det egentlig er, der foregår,« lyder det fra Kristian Pedersen, der forklarer, at gammaglimt kommer fra stjerner, der eksploderer, eller neutronstjerner, som smelter sammen.

»Om de også genererer tyngdebølger er på nuværende tidspunkt et åbent spørgsmål, så det er vi meget interesserede i at undersøge med flere målinger.«

Læs mere om LIGO-observatoriet, der foretog verdens første måling af tyngdebølger, i boksen til højre.

 

Sammensmeltning af neutronstjerner skaber røntgen og gamma

Søren Brandt har ligeledes store forhåbninger til, at det næste tyngdebølgesignal vil stamme fra et system, der kan måles i andre frekvenser. Han er selv involveret i INTEGRAL-satellit-projektet, der hører under ESA (European Space Agency), og som leder efter gammastråling – blandt andet i forbindelse med tyngdebølge-begivenheder.

»Når to sorte huller æder hinanden, er der udelukkende tale om gravitation, altså tyngdekraft – men når det næste event kommer, og hvis der er en neutronstjerne involveret, så bliver den voldsomt varmet op og vil gløde i røntgen og gammastråling. Der er teorier om, at det, vi kalder de korte gamma ray bursts - gammaglimt - måske udgør en anden slags familie end de lange, som man regner med kommer fra supernovaeksplosioner,« forklarer Søren Brandt og fortsætter:

»Teorien går på, at de måske stammer fra et sort hul og en neutronstjerne eller fra to neutronstjerner, der smelter sammen. Så det ville være enormt interessant, hvis man så det samtidig og kunne verificere, at det var sådan en sammensmeltning, man så i forbindelse med et gammaglimt og på den måde verificere, at det er der, de stammer fra.«

Forskerne leder efter verdens første kilonova fra tyngdebølger

Jens Hjorth håber også på at finde gammastråling i forbindelse med næste tyngdebølge-måling.

»Vi forventer ikke, at der kommer elektromagnetisk stråling fra de her systemer med to sorte huller. Men hvis to neutronstjerner smelter sammen, så vil det også give anledning til et signal. Spørgsmålet er så, hvad kan man forvente af sådan to neutronstjerner, der smelter sammen – og der er vi så heldige, at vi tror, det falder sammen med noget, vi har forudsagt, nemlig korte gammaglimt, som kun varer i meget, meget kort tid, mindre end et sekund,« forklarer Jens Hjorth.

Men Jens Hjorth er ikke 'kun' interesseret i at finde korte gammaglimt. Der er flere drømme på tegnebrættet, hvis det i første omgang lykkes at detektere gammaglimtene.

Hvad er LIGO?

De to enorme LIGO-detektorer er netop designet til at lede efter tyngdebølger, og det har de gjort fra 2002 til 2010 – uden held. I 2015 blev de opgraderet og kaldes nu Advanced LIGO, og de kan måle tyngdebølger fra sorte huller og neutronstjerner, der kredser tæt om hinanden for til sidst at kollidere. LIGO består af to forskellige faciliteter – en detektor, et såkaldt interferometer, i Washington (LIGO Hanford) og en i Louisiana (LIGO Livingston)). Hvis begge observatorier detekterer en tyngdebølge næsten samtidig, fortæller det, at det ikke er en lokal rystelse. Derudover arbejder en række LIGO-forskere ved forskningscentre på The California Institute of Technology (Caltech) i Pasadena, California, og The Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge, Massachusetts.

»For 10 år siden fandt vi ud af, at der ikke vil komme en supernova ved en sådan sammensmeltning – men at man til gengæld kan forvente et andet objekt, der lyser op, en kilonova. Selvom vi ikke skulle se gammaglimtet, vil vi til gengæld måske kunne se en kilonova. Når vi fremover hører om et signal om tyngdebølger fra et objekt, kan vi derfor kigge efter en kilonova. Det, vi er interesserede i at finde, er altså den første kilonova fra tyngdebølger.«

»Det er i virkeligheden et meget simpelt billede, hvor vi siger, at binære neutronstjerner vil give anledning til tyngdebølger, gammaglimt og kilonovaer på en gang. Det har vidtrækkende konsekvenser, hvis dette billede er korrekt. Vi tror nemlig, at langt de fleste tungere grundstoffer som guld og platin er dannet i de her kilonovaer, så det vil være stort, hvis vi kan finde dem. Desuden vil det være den bedste måde at lokalisere de binære neutronstjernesystemer,« siger Jens Hjorth.

 

Hvornår måler vi flere tyngdebølger?

Det næste store spørgsmål i umiddelbar fremtid handler om noget meget jordnært: Hvornår måler LIGO tyngdebølger igen? Rygterne om, at det allerede er sket, løber – men ingen ved endnu noget med sikkerhed. Som altid holder LIGO kortene tæt ind til kroppen.

LÆS OGSÅ: Rygter: LIGO har målt flere tyngdebølger

»Vi er spændte på, med hvilken rate LIGO vil detektere disse begivenheder, når detektoren når op på fuld følsomhed om et par år,« siger Thomas Tauris, som selv arbejder med at lave nye simuleringer af hyppigheden af kommende målinger af tyngdebølgebegivenheder. Han fortæller, at han og hans kollegaer regner med at være færdige med disse simuleringer i løbet af sommeren.

Han og hans kollegaer begyndte disse beregninger for snart 15 år siden og har derfor ventet længe på observationerne af tyngdebølger, fortæller han. De regner med at være færdige med nye simuleringer i løbet af sommeren.

Han understreger til slut, at tyngdebølger formentlig først og fremmest kommer til at afsløre en masse fænomener, som vi måske endnu ikke har haft fantasi til at forestille os – eksempelvis usynlige neutronstjerner og sorte huller i dobbeltstjerner i vores egen baghave, inden for Mælkevejen, og i relativ nærhed til Solsystemet.

»For at måle denne stråling skal man imidlertid bygge detektorer, der kan måle meget lavere frekvenser. Det kræver, at vi sender tyngdebølgedetektorer ud i rummet. Et europæisk projekt med navnet eLISA er under udarbejdelse, men kommer nok ikke op før år 2034.«

Læs i artiklen her, hvordan fundet af tyngdebølger har fået ESA til at overveje, om det er muligt at fremskynde dette projekt.

 

En dag kan vi måske måle tyngdebølger fra Big Bang

Da vi ikke er i stand til at producere målbare tyngdebølger fra kilder her på Jorden – og formentlig aldrig kommer til det – vil tyngdebølger hovedsagligt have interesse inden for astrofysikkens verden, lyder opsummeringen fra Thomas Tauris.

»Men det er en helt fundamental viden for vores forståelse af fysikken generelt,« understreger han og slutter sin mail med de få, men hårdtslående ord:

»Måske kan vi også en dag måle effekterne fra Big Bang...«

Var der gammastråling, da de to sorte huller smeltede sammen?

Danske Søren Brandt er forfatter på et follow up-studie, som viser, at kollisionen af de to sorte huller, som LIGO målte tyngdebølger fra i september, ikke udsendte gammastråler. Studiet er accepteret til publikation hos Astrophysical Journal Letters og ligger i preprint hos arXiv.

Ingen havde regnet med, at der ville være nogen stråling at måle fra kollisionen, idet sorte huller opsluger alt omkring sig.

Men der hersker uenighed om denne påstand; i et studie, som ligeledes er accepteret til publikation hos Astrophysical Journal Letters og er i preprint hos arXiv, finder forskere fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, at der tværtimod var elektromagnetisk stråling at måle i forbindelse med begivenheden.

Et gammaglimt blev målt med Fermi Space Telescope ganske kort tid efter signalet fra kollisionen tikkede ind og i samme område af himlen. Forskerne argumenterer for, at de to sorte huller måske i virkeligheden har befundet sig inde i en endnu større massiv stjerne, hvis død forårsagede gammaglimtet.

»Det er den kosmiske pendant til en gravid kvinde, der bærer på tvillinger i maven,« siger Harvard-astrofysikeren Avi Loeb, som arbejder ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), ifølge en nyhed fra centret.

Som det fremgår af artiklen herover fandt INTEGRAL-satellitten dog ikke tilsvarende signal, og det er derfor pt ikke til at sige, om der virkelig var stråling i forbindelse med kollisionen.

Men »selvom Fermi-detektionen er falsk alarm, skal fremtidige LIGO-begivenheder monitoreres for ledsagende lys, uanset om det stammer fra kollisionen af sorte huller. Naturen kan altid overraske os,« lyder det fra Avi Loeb.

Kilde: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud