Nye tyngdebølger: Mindre sorte huller har givet lyd fra sig
To amerikanske tyngdebølgedetektorer har endnu en gang opfanget tyngdebølger fra to sorte huller, der kolliderer. Mange flere opdagelser venter forude, for snart er en europæisk detektor også klar.
Tyngdebølger

Fysikere fra Max Planck-instituttet for gravitationsfysik i Tyskland har modelleret sammenstødet mellem de sorte huller og tyngdebølgerne derfra. Danske Alex Nielsen, der er forsker på instituttet, har været med i arbejdet. (Illustration: Max Planck Institute for Gravitational Physics)

For kun anden gang i verdenshistorien er det lykkedes at opfange de bittesmå krusninger i rumtiden, der kaldes tyngdebølger. Som det også var tilfældet første gang, er tyngdebølgerne fra to sorte huller, der har kredset stadig tættere på hinanden for til sidst at smelte sammen.

De nye resultater er netop blevet præsenteret på American Astronomical Societys halvårlige konference i San Diego i Californien, og de publiceres i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

»Jeg havde ikke drømt om, at vi ville være så heldige at opdage ikke bare ét, men to binære sorte huller i løbet af de første få måneders observationer,« udtaler astrofysiker Chad Hanna fra Penn State University ifølge en pressemeddelelse fra universitetet.

Nu med mindre sorte huller

Rumtiden ændrer sig

Med sin almene relativitetsteori fandt Albert Einstein ud af, at objekter, der ændrer hastighed i forhold til hinanden – for eksempel ved at kredse om hinanden – udsender tyngdebølger, som kan forstås som små krusninger i selve rumtiden.

Bølger af tyngdekraft vil så at sige løsrive sig og fare af sted med lysets hastighed, omtrent på samme måde, som der udsendes elektromagnetisk stråling, når elektriske ladninger accelereres. Tyngdebølgerne ændrer på rum og tid, hvor de når frem, og det kan måles af de nye detektorer.

Sammenstødet mellem de to sorte huller fandt sted for 1,4 milliarder år siden, og tyngdebølgerne nåede frem til Jorden 26. december 2015. Ud fra tyngdebølgesignalet kan fysikerne se, at det ene sorte hul har haft en masse svarende til otte gange Solens masse, mens det andet har vejet så meget som 14 sole.

Resultatet af sammensmeltningen af de to sorte huller er et roterende sort hul med en masse 21 gange Solens. Energi svarende til massen af Solen blev udsendt i form af tyngdebølger.

Signalet er svagere end det første, der involverede langt større sorte huller med masser på 30 og 35 gange Solens masse. Til gengæld varede det nye signal længere – cirka et sekund, hvor det første signal kun varede i en femtedel af et sekund.

LÆS OGSÅ: Hvor længe kan et tyngdebølgesignal vare?

27 svingture blev registreret

Kilometerlange detektorer

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), der efter senere opgraderingen også har fået et 'Advanced' foran sit navn, består af to detektorer i USA.

De har begge to rør, der hver er fire kilometer lange, vinkelret på hinanden. I hvert rør sendes en kraftig laserstråle frem og tilbage mellem spejle, og til sidst mødes de to laserstråler.

Når en tyngdebølge passerer, ændres rumtiden, så det ene rør bliver en smule kortere, mens det andet bliver en smule længere. Det kan måles ved hjælp af laserstrålerne, selv om det drejer sig om mindre end en tusindedel af diameteren af en atomkerne.

Endnu en gang er det de to kæmpemæssige tyngdebølgedetektorer, der udgør det amerikanske LIGO-observatorium, der har opfanget de ekstremt små ændringer i rumtiden (se faktaboks), som tyngdebølgerne forårsager.

LIGO-detektorerne er bygget og drives af de to tekniske universiteter, Caltech og MIT, og mere end 1.000 forskere verden over er involveret i arbejdet med at tyde data fra dem.

Jo tættere på hinanden, de sorte huller er kommet, desto hurtigere har de kredset om hinanden, og des kraftigere er tyngdebølgerne fra systemet blevet. De sidste 27 svingture, som de to sorte huller tog om hinanden, udsendte så kraftige tyngdebølger, at de kunne detekteres af LIGO.

Signalet dukkede først op i detektoren ved Livingston i Louisiana, og 1,1 millisekund senere nåede det frem til detektoren ved Hanford i Washington.

»Det er en lovende start i forhold til at kortlægge bestanden af sorte huller i universet,« udtaler LIGO-projektets talskvinde, professor Gabriela González fra Louisiana State University, i forbindelse med den nye detektion.

Europæisk detektor bliver opgraderet

I denne omgang har de to amerikanske LIGO-detektorer kun kørt i få måneder frem til 12. januar 2016, hvor de blev lukket ned igen for at blive opgraderet, så de bliver endnu mere følsomme. De starter op igen i efteråret.

Virgo

Sidst på året vil detektoren Virgo i Italien være klar til at opfange tyngdebølge. Med sine tre kilometer lange arme er detektoren lidt mindre end de amerikanske LIGO-detektorer. (Foto: Virgo Collaboration)

Europa har også et par tyngdebølgedetektorer, men indtil nu har de ikke været følsomme nok til at kunne fange de uhyre svage tyngdebølger. Det ændrer sig formentlig sidst på året, hvor detektoren Virgo i nærheden af Pisa i Italien bliver sat i gang igen efter en omfattende opgradering.

Detektionen af tyngdebølger har åbnet et helt nyt vindue mod universet, og hvor det lige nu kun står på klem, vil det om få år blive åbnet helt op. I 2017 og fremover vil der utvivlsomt dukke mange flere signaler op i tyngdebølgedetektorerne, og dem glæder astrofysikerne sig til at analysere.

LÆS OGSÅ: Forskere: Disse fund kan vi forvente af tyngdebølger

»Raten af kolliderende sorte huller – altså hvor ofte de kolliderer i en galakse som for eksempel Mælkevejen – vil vi kende ret præcist, når LIGO og Virgo har kørt i nogle år med god følsomhed,« skriver  astrofysiker Thomas Tauris i en mail til Videnskab.dk. Han er adjungeret professor ved Aarhus Universitet og arbejder til dagligt på universitetet i den tyske by Bonn, hvor han ved hjælp af computersimuleringer forsøger at beregne, hvor ofte neutronstjerner og sorte huller kolliderer.

»På lang sigt glæder vi os meget til et stort statistisk materiale med hundredvis af begivenheder, så vi endelig kan lære mere om disse kompakte objekters masser og rotationshastigheder og dermed kan begynde at forstå dannelsen af disse systemer.«

Sammenstød mellem neutronstjerner kan også måles

De sorte huller, som detektorerne nu har bevist eksistensen af, er resterne af store og meget tunge stjerner, der er kollapset og eventuelt eksploderet som supernovaer. Så ved at studere tyngdebølgerne fra sorte huller, der støder sammen, kan man også få mere at vide om, hvordan stjernerne har udviklet sig.

»Med kun to begivenheder er det svært at blive meget klogere på de oprindelige dobbeltstjernesystemer. Det er lidt ligesom med palæontologi, hvor man finder to tænder og skal prøve at udlede, hvordan en dinosaurus så ud,« fortsætter Thomas Tauris, der ser frem til, at der opdages mange flere tyngdebølger – også fra andre systemer end binære sorte huller:

»Jeg ville selvfølgelig gerne se kolliderende neutronstjerner eller systemer med et sort hul og en neutronstjerne, der støder sammen. Så kan der udslynges radioaktivt materiale, som eventuelt kan ses elektromagnetisk.«

Flere slags bølger skal detekteres

Når de to amerikanske og den europæiske detektor fanger de samme tyngdebølger, bliver det muligt at sige mere præcist, i hvilken retning de kom fra.

Nobelprisen bør være hjemme

Årets Nobelpris i fysik uddeles den 4. oktober, og den går sandsynligvis til nogle af hovedkræfterne bag LIGO. Et godt bud kunne være, at det bliver de tre fysikere Kip Thorne, Rainer Weiss og Ronald Drever, der skal deles om prisen.

Så kan man pege teleskoper i samme retning og finde ud af, om der blev udsendt elektromagnetisk stråling som lys eller gammastråler i samme ombæring og på den måde finde ud af, hvad der egentlig foregår langt ude i universet.

Forskerne mener for eksempel, at kollisionen mellem to neutronstjerner kan forårsage en såkaldt makronova, også kaldet en kilonova, hvor der udover tyngdebølger også udsendes gammastråler, infrarødt lys og synligt lys. Hvis man opfanger forskellige former for signaler fra den samme begivenhed, kan man for alvor blive klogere på den.

LÆS OGSÅ: Gammaglimt afslører kosmisk kæmpekollision

»Jeg håber specielt, at vi får signaler fra neutronstjerner med ekstreme masser – små eller store – så vi kan lære mere om, hvordan de dannes,« skriver Thomas Tauris.

Rumbaseret detektor på vej

Den nye tyngdebølgedetektion vil give ekstra vind i sejlene for de forskere, der drømmer om flere og mere følsomme tyngdebølgedetektorer. Specielt er det nu svært at komme uden om, at der også bør satses på en detektor i rummet.

LÆS OGSÅ: Vil tyngdebølge-sensation ændre dansk forskning?

Sådan en detektor kaldet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) har været på tegnebrættet i mange år, men målingerne fra LIGO kombineret med resultaterne fra den europæiske satellit LISA Pathfinder, der blev sendt op 3. december 2015, har fået den europæiske rumfartsorganisation ESA til at kigge på, om planerne kan fremskyndes.

LÆS OGSÅ: LISA Pathfinder: Nu sendes 4 kg guld og platin 1.500.000 km ud i rummet

LISA Pathfinder har nemlig vist, at forskerne og ingeniørerne er på rette spor. En meget vigtig del af den teknologi, der er nødvendig for at få en rumbaseret tyngdebølgedetektor til at fungere, er på plads. Faktisk virker LISA Pathfinder meget bedre, end forskerne turde håbe.

Det tager dog rigtig mange år at designe og bygge de tre satellitter, som en rumbaseret detektor kommer til at bestå af, og indtil videre er planen en opsendelse i 2034.

Med LISA vil vi blandt andet kunne opfange tyngdebølger fra kæmpemæssige, supermassive sorte huller, som smelter sammen, når galakser støder sammen. Men i den nærmeste fremtid må vi altså nøjes med at fange signaler fra de sorte huller og neutronstjerner, der opstår, når store stjerner brænder ud, og de kompakte rester af dem sidenhen kolliderer.

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