Tyngdebølger vil forandre vores forståelse af universet
For to år siden åbnede LIGO-forskere et nyt vindue til universet, da de beviste, at der findes tyngdebølger. Men hvordan ændrer det forståelsen af rummet, tiden og tyngdekraften? Det forklarer lederen af LIGO, som torsdag holder foredrag i København.
gravitationsbølger tyngdebølger sorte huller supernova astronomi rummet rumtid detektorer kosmos relativitetsteori Einstein elektromagnetiske bølger kollision masseenergi

Opdagelsen af de gravitationsbølger, der udsendes, når to sorte huller kolliderer, bekræfter en grundlæggende forudsigelse fra Einsteins generelle relativitetsteori. (Foto: NASA)

Den 14. september begyndte en ny æra inden for astronomien. Forskerne observerede for første gang tyngdebølger efter en kollision mellem to enorme sorte huller 1,3 milliarder lysår væk. 

Tyngdebølger, også kendt som gravitationsbølger, er krusninger i rumtiden, der får både tid og rum her til at bølge og afvige en smule fra normalen, når de passerer Jorden, og målingerne af dem blev foretaget af de to LIGO-observatorier i henholdsvis Livingston, Louisiana og Hanford, Washington i USA.

Den videnskabelige sensation har været længe undervejs. 

Det er efterhånden 50 år siden, at videnskabsfolk byggede de første observatorier, og næsten 100 år siden at Albert Einstein skrev den første artikel om tyngdebølger og udgav sin kendte bog 'Om den specielle og almene relativitetsteori, populært forklaret', som ændrede vores forståelse af tyngdekraft.

Albert Einstein mente, at tyngdebølgerne måtte eksistere, men de ville nok være så små, at man ikke kunne detektere dem. 

På et tidspunkt troede han endda, at de var ét af den generelle relativitetsteoris matematiske artefakter.

Detektionen af tyngdebølgerne var kun mulig, fordi det 20. århundrede har været vidne til så mange fantastiske videnskabelige og teknologiske fremskridt - eksempelvis inden for laser og optik, højvakuumsystemer, computere og servokontrolsystemer.

Den mest præcise afstandsmåling nogensinde

De svage krusninger blev detekteret ved hjælp af særligt følsomme såkaldte interferometre, som er en af de mest præcise metoder, der nogensinde er blevet udviklet til måling af selv ganske små forstyrrelser i rummet.

Ifølge den generelle relativitetsteori strækker og trykker tyngdebølgerne rumtiden på en meget forudsigelig måde.

Tyngdebølgerbølger har to mulige polarisationsretninger ligesom elektromagnetiske bølger. Der er tale om, at rummet lokalt strækkes og komprimeres.

LIGO-detektorerne har to 4 kilometer lange arme vinkelret på hinanden. Hvor armene mødes, deles en laserstråle op i to, og én laser stråle sendes i hver retning gennem et vakuumrør. 

Efter at have tilbagelagt de fire kilometer rammer laserstrålerne ophængte spejle, som sender dem tilbage igen. 

Systemet er kalibreret, så lysbølgerne fra de to laserstråler, der mødes igen ved fotodetektoren, normalt vil være ude af fase og ophæve hinanden.

Derfor registreres intet lys. Når tyngdebølgerne kommer forbi, bliver den ene arm en smule længere og den anden en smule korte.

Så ophæver lysbølgerne ikke hinanden, og der kommer et signal fra lysdektoren.

Det kan du se illustreret i videoen nedenunder:

LIGO-detektorerne har to 4 kilometer lange arme vinkelret på hinanden. Hvor armene mødes, deles en laserstråle op i to, og én laser stråle sendes i hver retning gennem et vakuumrør. Efter at have tilbagelagt de fire kilmeter rammer laserstrålerne ophængte spejle, som sender dem tilbage igen. Videoen overdriver omfanget af udstrækningen og komprimeringen 1 billion gange. (Video: Robert Hurt / Caltech/LIGO)

Den største udfordring for LIGO-forskerne var størrelsesorden.

Ligo-eksperimentets interferometre har arme, der er fire kilometer lange, og for denne afstand er den forventede ændring cirka 1/1000 af en protons diameter. 

Det betyder, at den relative ændring i armenes længde, som en tyngdebølger producerer, er mindre end en del af én tusindedel af én milliardtedel af en milliardtedel. 

For at sætte det i perspektiv, svarer det til at måle afstanden fra Jordens centrum til midten af solen med en præcision på et atoms diameter.

En ny slags astronomi

Opdagelsen af tyngdebølger bekræfter en grundlæggende forudsigelse fra Einsteins generelle relativitetsteori og er med rette kaldt en videnskabelig og teknologisk triumf.

Men det er i virkeligheden så meget, meget mere end det. Tyngdebølgeformerne indeholder en enestående mængde informationer om deres ophavs fysiske egenskaber.

Einsteins teori forudsiger, at objekter skaber tyngdebølger, når de accelererer; bølger i rumtid, som spreder sig udad, sådan som bølger i kølvandet bag en båd.

Men det er kun universets største og mest voldsomme hændelser, der producerer tyngdebølger.

LIGO observerede sorte huller, der hver især var cirka 30 gange større end vores egen sol, og som stødte sammen cirka 1,3 milliarder lysår væk, mens de bevægede sig med halvdelen af lysets hastighed.

Sammenstødet skabte et nyt sort hul, der var mere end 60 gange større end solen, og en masseenergi, der svarer til tre gange solens masse, blev båret væk i bølgen (E=mc2).

I løbet af den sidste brøkdel af det sidste sekund overgik den udsendte energi hele universets energioutput på det elektromagnetiske spektrum mere end ti gange.

Vi har rekonstrueret samenstødets sidste sekundbrøkdel ved hjælp af data fra LIGO-detektorerne. Se videoen her:

LIGO opdagede tyngdebølger fra sammenstøddet mellem to sorte huller, der flettede sammen til et større sort hul - den første opdagelse af sin art. Denne slowmotion computersimulation viser den sidste brøkdel af sekundet, hvor de oprindelige sorte huller kredser om hinanden, før de til sidst vokser sammen i et nyt sort hul (Video: Image Credit: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project (Caltech/Cornell))

Hvad har fremtiden i vente?

Opdagelsen har omfattende implikationer. Tyngdebølgerne afslører enestående informationer om de allermest energiske astrofysiske hændelser og leverer en uforlignelig indsigt i tyngdekraftens, stoffernes, rummets og tidens egenskaber.

For eksempel vil to ultrakompakte neutronstjerner, der kolliderer, ikke blot producere tyngdebølger, men også elektromagnetisk stråling - fra gammastråler til radiobølger - og gøre observationer mellem tyngdebølgedetektorer og astronomiske teleskoper mulige.

Tyngdebølger kan også produceres i takt med, at massive stjerner brænder deres nukleare brændstof og imploderer under egen tyngdekraft og producerer en supernovaeksplosion.

Om ikke så længe vil et jordbaseret netværk af tyngdebølge-detektorer konstant granske himlen. 

Science & Cocktails

Science & Cocktails kombinerer videnskab og cocktails på Byens Lys, Christiania.

Forårsprogrammet, som du kan se her, byder på oplæg fra både danske og internationale forskere.

I løbet af marts, april og maj vil vi publicere artikler skrevet af en række af forskerne. 

Er du ikke i nærheden af København, så fortvivl ej. Ca. en uge efter hvert arrangement, lægger vi en video op af foredraget på de publicerede artikler. 

Næste event: David Reitze om 'Colliding black holes, gravitational wawes, and convulsions in space and time: the dawn of a new astronomy.

Torsdag d. 23. marts, kl. 20.00, Byens Lys, Christiania, København

Både LIGO og den italienske detektor Virgo såvel som detektorer under konstruktion i Japan og Indien vil være parate om fem til ti år.

Længere ude i fremtiden vil Europa lede udviklingen af Einstein-teleskopet; et helt nyt tyngdebølgeobservatorium, som vil være 10 gange så følsomt som de nutidige detektorer og gøre os i stand til at se næsten helt ud til kanten af tyngdebølgeuniverset.

Et helt nyt vindue ud mod kosmos

Ligesom elektromagnetiske bølger har tyngdebølgerne også forskellige bølgelængder. 

Andre slags detektorer leder efter tyngdebølger med længere bølgelængder. 

Ved hjælp af radioteleskoper bruger forskerne pulsarernes nøjagtige timing til at detektere sorte huller, der kolliderer.

Planerne for LISA - en rumdetektor der er i stand til at detektere de sorte hullers umiddelbare kollisioner og overgangsfaser i det tidlige univers - skrider frem.

Ultrafølsomme infrarøde detektorer får det bedste ud af de nøjagtige målinger af polariseringen af den kosmiske mikrobølgebaggrund for at opdage de svage lyde af gravitationsbølgerne produceret af Big Bang.

LIGO har åbnet et helt nyt vindue ud mod kosmos.

Og de nye, spændende og helt uventede hændelser, som vi kommer til at observere i de kommede år, vil uden tvivl ændre vores forståelse af universet fundamentalt.

Oversat af Stephanie Lammers-Clark

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