Forskere ser første tegn på et 'hav' af tyngde­bølger i universet
En slags baggrundssummen, lidt som med den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, hvor ekkoet fra store hændelser i universet bølger gennem tid og rum.
Tyngdebølger sorte huller Big Bang krusninger rumtiden supernovaer

Illustration af to kolliderende sorte huller, der producerer tyngdebølger. (Illustration: NASA)

Illustration af to kolliderende sorte huller, der producerer tyngdebølger. (Illustration: NASA)

Det var stort, da  forskere ved LIGO-observatorierne for første gang bekræftede, at de havde målt tyngdebølger i 2016.

Signalets ophav var to sorte huller, som cirkulerede tæt og smeltede sammen. 

Tyngdebølger eller gravitationsbølger er krusninger i selve rumtiden og bevæger sig med lysets hastighed.

Bølgerne er lavet af ekstreme hændelser som kolliderende sorte huller og supernovaer. Det formodes også, at de kan komme fra neutronstjerner, der ikke er helt runde, ifølge LIGO

De kan endda være vidner om eksotiske hændelser i det tidlige univers.

Åbner et nyt vindue for astrofysikken

Tyngdebølgerne åbner et nyt vindue for astrofysikken. I lighed med  elektromagnetisk stråling, har tyngdebølger forskellige bølgelængder.

Forskerne bag et samarbejde kaldet NANOgrav har set stærke tegn på en lavfrekvent 'tyngdebølgebaggrund'. De foreløbige resultater er præsenteret i en artikel i tidsskriftet The Astrophysical Journal Supplement Series.

Tyngdebølger sorte huller Big Bang krusninger rumtiden supernovaer

Pulsarer udsender stråling, for det meste radiostråling, fra bestemte steder på deres overflade. (Illustration: Michael Kramer, Jodrell Bank Observatory, University of Manchester)

Og hvad er så 'tyngdebølgebaggrund'?

Jo, LIGO har været i stand til at spore tyngdebølgefund tilbage til specielle hændelser i universet.

Men der kan også være en svagere summen - ekkoet af de mange hændelser i rummet - hvor det er vanskeligt at skelne den ene fra den anden.

»Det er som om, du er omgivet af mange højtalere,« siger Germano Nardini ved Universitetet i Stavanger til forskning.no, Videnskab.dk's norske søstersite.

»Hvis du kun hører én højttaler, som spiller violinmusik, så kan du høre det. Men forestil dig millioner af højttalere, der spiller violinmusik, der lyder mere eller mindre ens, men som ikke er ens.«

Sorte huller i ringdans

Germano Nardini, som forsker i, hvad man kan opdage med tyngdebølger, er godt bekendt med NANOgrav's nye resultater.

Man kan forestille sig, at højttalerne er pænt fordelt, og at lyden kommer fra alle sider. Man lægger mærke til dem, der spiller højest, men de fleste vil ikke kunne skelnes fra hinanden.

I det lavfrekvente område, som forskere udforsker ved hjælp af såkaldte pulsarer (døde stjerner), er forventningen at finde 'baggrundssummen' fra supermassive sorte huller i ringdans. 

Supermassive sorte huller er de enorme huller i midten af ​​galakserne. I løbet af universets historie er galakserne kommet i nærkontakt med hinanden og smeltet sammen. 

Hvis de sorte huller i galakserne svingede rundt om hinanden i årevis, ville det have sendt en strøm af bølger gennem universet.

Indsigt i historien om sorte huller

Det er netop et sådant signal, som NANOgrav har fundet tegn på.

»Dette signal er utroligt dragende. Det kan være, at vores orkester tilpasser sig og indikerer, at vi er i færd med at høre den store symfoni fra supermassive sorte huller, som, vi forventer, vil gennemtrænge universet,« siger Sarah Burke-Spolaor, medlem af NANOgrav, i en pressemeddelelse.

»Hvis dette signal faktisk er tyngdebølger, vil fremtidig forskning levere mulighed for en unik indsigt i, hvordan de største sorte huller og galakser dannes og udvikler sig,« siger hun.

Bølger fra ​​universets begyndelse

Der findes også andre typer kilder til tyngdebølgebaggrunden. Og de er mindst lige så spændende.

»Denne type stokastisk baggrund forventes også fra andre kilder, som angiveligt fandt sted i det tidlige univers,« siger Germano Nardini.

Og med 'det tidlige univers' mener han ikke de første millioner år, men det første minut af universets historie.

Denne type baggrundsstøj fra tyngdebølger kan sammenlignes med den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling. Mikrobølgebaggrundsstrålingen fylder rummet næsten overalt og fortolkes som en rest af Big Bang.

Kilderne til tyngdebølger fra det tidlige univers kan komme fra den foreslåede inflationsperiode eller fra 'kosmiske strenge'.

En anden mulig kilde er såkaldte førsteordens faseovergange udløst af higgs-partikler, siger Germano Nardini. Faseovergange er, når et stof går fra én tilstand til en anden, som når is smelter og bliver til vand.

Ifølge Germano Nardini vil det være muligt at opdage tyngdebølgebaggrunden fra det tidlige univers ved hjælp af pulsarer. 

Det vil også være muligt at anvende andre metoder, som eksempelvis det planlagte rumobservatorie for gravitationsbølger, LISA.

Fyrtårn i rummet

Forskerne bag NANOgrav har netop brugt en samling pulsarer i Mælkevejen til at lede efter tyngdebølger. De har observeret og analyseret 45 pulsarer over en periode på 12,5 år - hver pulsar i mindst 3 år.

Pulsarer udsender pulserende elektromagnetisk stråling, som lyskeglen fra et fyrtårn.

Pulsarer er neutronstjerner, der roterer hurtigt, og som sender radiostråling ud fra polerne. Når de roterer, ser det ud, som om pulsaren blinker, mens den farer over himlen.

»Pulsaren er som et fyrtårn. Man ser lyset fra fyret, når man er på linje med det ude på havet,« siger Germano Nardini til forskning.no.

Ved at se efter forsinkelser i blinkene fra 'fyrtårnet' over lang tid, kan forskerne afdække lavfrekvente krusninger i rumtiden. Der er flere år mellem én bølgetop og den næste.

De hurtigste pulsarer kan rotere flere hundrede gange i sekundet.

»Pulsarerne drejer rundt lige så hurtigt som din køkkenblender,« siger Joseph Simon, én af ​​forskerne bag studiet i en pressemeddelelse.

Sådanne pulsarer er lige ved at være lige så gode til tidsangivelse som atomure.

Bølger forsinker eller fremskynder

Så hvordan kan forskere påvise tyngdebølger ved hjælp af blinkende stjerner? Her er det hensigtsmæssigt at bruge havet som en analogi igen. Germano Nardini forklarer:

»Forestil dig en båd, som kommer fra England, og en båd, som kommer fra Danmark. De ankommer til Stavanger. Hvert sekund hver dag rejser en ny båd. De følger den samme rute, med samme fart, lad os sige 10 kilometer i timen.«

»Efterhånden ved vi nøjagtigt, hvornår en båd vil ankomme, det er modellen,« siger Germano Nardini.

Men så bliver det stormvejr med store bølger ude på havet.

»Båden sejler stadig med en fart på ti kilometer i timen, men nu tager det længere tid.«

Så begynder bådene at ankomme i Stavanger senere end forventet. På samme måde ser forskerne, om signalet  fra pulsarerne er forsinket eller fremskyndet.

Det kan betyde, at der er bølger som strækker og komprimerer rummet mellem pulsaren og Jorden.

Tyngdebølger sorte huller Big Bang krusninger rumtiden supernovaer

Computergenereret illustration af tyngdebølger fra en sammensmeltning af to sorte huller. Illustration: NASA)

To muligheder

Forskerne ved NANOgrav ser, at timingen på blinkene fra pulsarene afviger fra det, som er forventet.

»Det er meget interessant, fordi vi har stor tillid til, at modellerne er korrekte. Så det faktum, at det ikke stemmer overens, er et spændende problem,« siger Germano Nardini.

Der er så to muligheder, siger han.

»Den ene er, at noget er galt med modellen.«

Forskere skal for eksempel tage højde for, at Jorden bevæger sig samt andre faktorer.

»Den anden mulighed er årsag til, at dette eksperiment overhovedet eksisterer: tilstedeværelsen af tyngdebølger,« siger Germano Nardini.

Ikke tydeligt nok

For at bekræfte, at det er tyngdebølger, som er ophavet til uoverensstemmelsen, skal et særegent mønster dukke op. Ifølge en pressemeddelse fra JPL 'skal tyngdebølgebaggrunden påvirke timingen for pulsarene lidt anderledes baseret på deres position i forhold til hinanden'.

Foreløbig er mønsteret ikke tydeligt nok i NANOgrav's datamængde. 

Forskerne planlægger at udvide datasættet med resultater fra andre projekter, som også har fulgt pulsarer.

Om et par år vil de stå med et svar, forventer Scott Ransom, leder af NANOgrav.

»Vi analyserer i øjeblikket over 12 års data, men en endelig opdagelse vil formentlig tage endnu et par år. Det er flot, at disse nye resultater er akkurat det, vi forventer at se, i takt med at vi nærmer os en opdagelse.«

Afgørende fund?

Hvis det viser sig, at NANOgrav har opdaget tyngdebølger, vil det være stort, siger Germano Nardini.

»Hvis det kommer fra supermasssive sorte huller, er det det meget vigtigt. Vi kender ikke hele historien om, hvordan binære supermassive sorte huller bliver til.«

»Og hvis det er fra det tidlige universet, så ville det være fantastisk. Det tidligste signal, vi har fra universet, er den kosmiske mikrobølgebaggrundstråling.«

Det er ikke muligt at se længere tilbage i tiden end 380.000 år efter Big Bang, til mikrobølgebaggrunden. Her var universet kølet så meget ned, at hydrogen kunne formes.

'Tågen' lettede, og fotoner kunne rejse gennem rummet. Så blev det muligt at se sig omkring i universet.

Ved hjælp af tyngdebølger kan forskere muligvis 'se' endnu længere tilbage i tiden.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs her om påfugleedderkoppen, der er opkaldt efter fisken Nemo.