Sensationel tyngdebølgemåling åbner nyt kapitel i udforskningen af rummet
For første gang i menneskehedens historie er det lykkedes at opfange både lyd og lys fra en hændelse i rummet. »Det kan slet ikke understreges, hvor betydningsfuldt det er,« siger en dansk forsker.
Tyngdebølger gravitationsbølger gravitationelle bølger neutronstjerner kolliderende stjerner kollision

Det er ekstremt svært at måle tyngdebølger og kræver en uhyggelig præcision - i særdeleshed når det kommer til tyngdebølger fra neutronstjerner. (Illustration: University of Warwick/Mark Garlick)

Det er ekstremt svært at måle tyngdebølger og kræver en uhyggelig præcision - i særdeleshed når det kommer til tyngdebølger fra neutronstjerner. (Illustration: University of Warwick/Mark Garlick)

Da fysikere i 2015 revolutionerede astrofysikken ved at detektere tyngdebølger, svingninger i tid og rum, var det første gang, at mennesker blev i stand til at høre rummet. Før da kunne vi kun se det.

Det åbnede et nyt kapitel i astrofysikken. Allerede nu, i 2017, kan vi åbne det næste:

Tyngdebølger

Tyngdebølger, eller gravitationsbølger, er små krusninger i selve rumtiden og stammer fra nogle af de voldsomste begivenheder i universet.

De udsendes, når to masser accelererer i forhold til hinanden – for eksempel når sorte huller eller neutronstjerner kredser om hinanden.

Du kan læse en mere uddybende forklaring af fænomenet i artiklen ’Hvad er tyngdebølger?

For første gang nogensinde er det lykkedes astrofysikere at kombinere signalet fra tyngdebølge-detektorer med data fra teleskoper, som måler elektromagnetisk stråling - det vil sige blandt andet synligt lys, infrarødt lys og ultraviolet lys.

Det er med andre ord første gang i historien, at mennesker har målt både lyd og lys fra samme hændelse i rummet.

»Det er en landvinding i menneskehedens opfattelse af, hvad det er for et univers, vi lever i, og det indebærer så mange vigtige ting på én gang, at jeg næsten ikke ved, hvor jeg skal starte. Det kan slet ikke understreges, hvor betydningsfuldt det er,« lyder det fra Jonatan Selsing, som arbejder ved Dark Cosmology Centre (DARK) på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

I dag, mandag, udsendes et hav af videnskabelige artikler om arbejdet, som indebærer samarbejder med 70 observatorier. Det danske grundforskningscenter DARK er på forfatterlisten til 21 af disse artikler, og danske DTU Space er med på 4.

»Wow, kan de måle dem allerede?!«

Det er signalet fra to neutronstjerner, der er kredset tættere og tættere på hinanden for til sidst at kollidere, som er blevet opsnappet af de amerikanske LIGO-detektorer samt den europæiske Virgo-detektor.

Du kan se, hvordan sådan et sammenstød ser ud i videoen herunder:

Sådan ser det ud, når to neutronstjerner kolliderer. (Video: Kristian Højgaard Nielsen/Videnskab.dk)

Det kræver en helt utrolig præcision at måle tyngdebølger i det hele taget – og en endnu større præcision, når det kommer til neutronstjerner i forhold til de sorte huller, som er det eneste, detektorerne hidtil har opsnappet, fortæller ph.d.-studerende Sophie Schröder.

Ordforklaringer

Neutronstjerner repræsenterer slutstadiet af stjerner med en masse, som er mellem 8 og 25-30 gange Solens.

Når stjernen har opbrugt sit brændstof, eksploderer den som en supernova, og tyngdekraften sætter atomerne i dens kerne under så stort et pres, at elektroner og protoner finder sammen og bliver til neutroner.

Man kan sige, at stjernens indre forvandles til en kæmpemæssig atomkerne.

Neutronstjerner er uhyggeligt tætte – hvis du havde en sukkerknald, som udelukkende bestod af neutronstof, ville den veje en milliard ton.

Sorte huller: De allerstørste stjerner efterlader ikke neutronstjerner, men i stedet sorte huller. Her er massen af stjernens indre så stor, at stoffet kollapser fuldstændig, og der dannes et område med så stærk tyngdekraft, at end ikke lys kan undslippe.

Elektromagnetisk stråling er overførsel af energi i form af bølger, der både har elektrisk og magnetisk karakter. Læs mere i boksen under artiklen.

»Det er helt vanvittigt, at de har kunnet måle de her tyngdebølger, for de laver forskydelser i rumtiden, som svarer til fraktioner af en hårsbredde. Specielt for neutronstjerner er det utroligt, fordi de er mindre massive end sorte huller og laver meget mindre bølger. Vi havde slet ikke regnet med, at de ville kunne måle dem endnu, så det var bare sådan: ’Wow, kan de måle dem allerede?!’«

Du kan læse mere om, hvordan man måler en tyngdebølge i artiklen ’Hvad er tyngdebølger?

Lys kan ikke undslippe sorte huller

Tyngdebølger bliver produceret, når masser accelererer, og på nuværende tidspunkt er vores teknologi kun lige akkurat god nok til at kunne måle bølgerne fra de mest voldsomme begivenheder i universet.

Derfor giver det mening, at de første fire detektioner af tyngdebølger har stammet fra den gigantiske udløsning af energi, som kollisionen af to sorte huller, det mest massive universet har at byde på, repræsenterer.

Men de sorte hullers enorme massekoncentration betyder samtidig, at intet, end ikke lys, kan undslippe dets klør, når først det er indfanget.

Derfor har fysikerne gået og ventet på, at detektorerne skulle opsnappe signalet fra kollisionen af to neutronstjerner. Ifølge teorierne skulle sådan et sammenstød nemlig producere en udsendelse af stof så ekstremt varmt, at det skulle lyse op i det målbare lysspektrum.

17. august 2017 lykkedes det endelig: Tyngdebølgeobservatorierne opsnappede et signal, som kun kunne tolkes som neutronstjerner.

Denne visualisering viser sammenstødet mellem to neutronstjerner, som er i kredsløb om hinanden. Til venstre ses stoffet omkring neutronstjernerne, hvor de forskellige farvede lag viser forskellige tætheder. Til højre ses, hvordan rumtiden er forvrænget i nærheden af kollisionen. De spiralbølgede forvrængninger i slutningen af fusionen spredes til Jorden og kan måles som tyngdebølger. (Video: Christopher W. Evans/Georgia Tech)

»Vi hoppede og dansede af glæde«

Det var dog langtfra givet, at det skulle kunne lade sig gøre at måle lyset fra et neutronstjernesammenstød, selv hvis det lykkedes detektorerne at opfange et sådant.

Først skulle man nemlig ’lige’ finde ud af, hvor hændelsen egentlig var foregået henne, så man kunne pege lysteleskoperne i den retning. Vel at mærke inden eftergløden fra den voldsomme udsendelse af stof havde fortaget sig.

Det nytter ikke noget at kunne høre en lyd, hvis man ikke ved, hvor den kommer fra.

LIGO/Virgo = det perfekte makkerpar

25. august satte LIGO et foreløbigt punktum for denne omgang observationer, som begyndte 30. november 2016. Virgo startede sine observationer 1. august 2017, og det var altså lige tid nok til, at de begge kunne måle det nyeste signal, som tikkede ind 18. august 2017.

Få dage forinden målte de tre detektorer det fjerde signal fra kollisionen af to sorte huller. Det kan du læse mere om i artiklen ’Nye tyngdebølger opsnappet: Nu ved vi, hvor de kommer fra’.

Derfor var forskerne i første omgang bare utroligt glade for at have opsnappet tyngdebølgesignalet fra kollisionen af neutronstjerner, som man aldrig har gjort før. Det er det, alle i feltet har ventet på, lyder det fra professor Jens Hjorth, som står i spidsen for DARK.

»Vi fik nyheden om neutronstjernesammenstødet på sidste dag af en seks ugers tyngdebølgeworkshop, og det virkede som en perfekt afslutning på det forløb. Vi var vildt oppe at køre og samlede os inde i et lille lokale, hvor vi bare hoppede og dansede af glæde.«

10,5 times intens eftersøgning gav pote

Det skulle dog hurtigt vise sig, at heldet ikke var opbrugt. Præcis 1,7 sekunder efter, at LIGO og Virgo rapporterede at have målt signalet fra neutronstjerneskollisionen, som har fået navnet GW170817, detekterede NASA-rumteleskopet Fermi og ESA’s INTEGRAL-satellit nemlig et kort gammaglimt.

Gammaglimt er meget intense udbrud af gammastråling fra døende eller døde stjerner, og næst efter Big Bang er det de mest intensive elektromagnetiske fænomener i universet. Deres detektion kom fuldstændig uafhængigt af LIGO og Virgos målinger, hvilket var en ret klar indikation på, at de hang sammen, siger Jonatan Selsing.

»Hele det internationale miljø blev alarmeret, og alle teleskoperne peget i samme retning for at se, om man kunne lokalisere hændelsen, der havde udløst det. Det er lige præcis dét, man har ventet på, siden de første tyngdebølger blev detekteret, og alle store teleskoper i verden har haft et program, der var forberedt på, når det skete,« siger han.

Efter 10,5 time lykkedes det: Swope-teleskopet lokaliserede som de første den optiske efterglød – det vil sige lysresterne af det stof, som blev slynget ud fra kollisionen – og dernæst blev den bekræftet af adskillige andre.

Tyngdebølger gravitationsbølger gravitationelle bølger neutronstjerner kolliderende stjerner kollision

Dette billede fra VIMOS-instrumentet på ESO’s Very Large Telescope i Chile viser galaksen NGC 4993, hvor kollisionen fandt sted. Det er første gang i verdenshistorien, at vi har billeder i synligt lys fra en tyngdebølgebegivenhed. (Illustration: ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir)

Nu kan vi lede efter nye, vilde fænomener

Dermed kunne astrofysikerne, for første gang nogensinde, måle ikke ’bare’ tyngdebølger, men også gammastråler, røntgenstråler, ultraviolet stråling, radiobølger, infrarødt lys og synligt lys fra en tyngdebølgebegivenhed.

Tyngdebølger er (ikke) lyd

I denne artikel skriver vi, at tyngdebølger er en måde at 'høre' rummet. Strengt taget er det forkert. Tyngdebølger er ikke lyd - det er svingninger i tid og rum.

Lyden er en analogi, en måde at oversætte tyngdebølgerne til en sans, som vi mennesker faktisk har.

Man kan sige det på den måde, at forskerne måler, hvor mange gange neutronstjerner drejer om hinanden i sekundet. Denne frekvens kan de efterfølgende oversætte til en tone - den karakteriske 'chirp'-lyd, som gik verden rundt i starten af 2016.

Kilde: Jonatan Selsing, Niels Bohr Institutet

»Jeg føler mig meget heldig. Jeg har hele tiden troet på, at det ville ske, men at det sker i første hug – det er kæmpe stort,« lyder det fra Jens Hjorth.

Muligheden for at kombinere elektromagnetiske observationer med tyngdebølger betyder, at vi pludselig kan observere vores nyerhvervede høresans med vores eksisterende, og meget veludviklede, synssans.

Jonatan Selsing sammenligner det med et stå i et mørkt rum, hvor du kun kan bruge dine ører. Du kan høre noget, der pusler ovre i hjørnet, men ikke særlig godt, og dine øjne ved ikke, om du er blevet skør. Pludselig er der nogen, der tænder for lyset.

»Det er en teknologisk landvinding, som giver os muligheden for på et fundamentalt plan rent faktisk at bruge vores nye tyngdebølgesanseapparat. Vi mennesker sanser primært med vores øjne, og det meste af vores information om rummet får vi i dag gennem elektromagnetisk stråling. Nu kan vi kombinere vores to sanser og lede efter nye, vilde fænomener, som vi aldrig har haft adgang til før.«

Tyngdebølger gravitationsbølger gravitationelle bølger neutronstjerner kolliderende stjerner kollision

Her ses et kort over de 70 observatorier, som var med til at måle eftergløden af tyngdebølgebegivenheden GW170817 i timerne, dagene og ugerne efter kollisionen fandt sted. (Illustration: LIGO/Virgo)

Et ufatteligt hemmelighedskræmmeri er slut

Det amerikanske LIGO-observatorium er kendt for at holde kortene tæt til kroppen, og denne omgang har ikke været nogen undtagelse. Alle involverede har skrevet under på, at de ikke ville dele deres viden med nogen før i dag, mandag 16. oktober, kl. 16.

Det er temmelig imponerende taget i betragtning af, at en af de største videnskabelige artikler, der udkommer i dag og også har forskere på DTU Space på forfatterlisten, har omkring 4.000 forfattere fra 949 institutter.

Jens Hjorth fortæller, at det har været svært at vide, hvem af sine kollegaer man kunne dele begejstringen – og ikke mindst det intensive dataarbejde – med de seneste to måneders tid.

»Det har været – og er stadig – for vildt. Et ufatteligt hemmelighedskræmmeri. Nogle har haft aftaler med LIGO, andre havde ikke, og man vidste, at hvis man spurgte folk, om de havde skrevet under, og de svarede ’På hvad?’, så vidste man, at de ikke var med i aftalen.«

Tyngdebølger gravitationsbølger gravitationelle bølger neutronstjerner kolliderende stjerner kollision

Neutronstjernekollisionen fandt sted i galaksen NGC 4993, som ligger 140 millioner lysår fra Jorden i stjernebilledet Søslangen, også kendt som Havslangen, på den sydlige himmelkugle. (Illustration: ESO, IAU and Sky & Telescope)

Åbner nye perspektiver og ny fysik

Alle forskere, Videnskab.dk har talt med, er enige om, at vi nu er rykket et kvantespring frem i vores muligheder for at forstå vores univers.

»Det her er en kæmpemæssig opdagelse, som åbner et nyt vindue til udforskningen af universet. Vi har endelig forbundet de to forskellige måder at kigge på universet ved at observere den samme hændelse både i lys og i gravitationsbølger. Det i sig gør det her til en milepæl,« lyder det for eksempel fra professor Enrico Ruiz-Ramirez, som har spillet en central rolle i at levere den teoretiske ramme omkring de nye observationer. Han arbejder delt mellem Niels Bohr Institutet og University of California.

Du kan læse mere om hans arbejde i artiklen 'Stjernernes retsmediciner løser kosmiske gåder'.

Også Thomas Tauris, der er astrofysiker ved universitetet i Bonn i Tyskland og adjungeret professor ved Aarhus Universitet, mener, at »sammenkoblingen af gravitationsbølger og elektromagnetisk stråling fra en og samme begivenhed åbner for helt nye perspektiver inden for observationel astrofysik,« skriver han i en mail til Videnskab.dk.

Har allerede afsløret ny viden om universet

Kombinationen af tyngdebølger og elektromagnetisk stråling kan altså give os et væld af nye informationer om universet. Og det har den faktisk allerede gjort.

For eksempel har det nye datasæt med stor sandsynlighed fundet en af de primære kilder, hvis ikke den eneste kilde, til de meget tunge grundstoffer i vores univers. For eksempel guld og platin. Det følger Videnskab.dk op på i en senere artikel.

En anden vigtig opdagelse, som den nye detektion har kastet af sig, er bekræftelsen af, at korte gammaglimt stammer fra neutronstjerner, der kolliderer.

I årevis har forskerne teoretiseret over, at de to fænomener hang sammen. Nu er det for første gang lykkedes at koble dem direkte til hinanden.

»Man har snakket om det i 40-50 år, og nu kan vi for første gang faktisk begynde at bruge det som et grundlag for at forklare nogle af de observationer, vi gør,« fortæller seniorforsker Søren Brandt, som arbejder ved Institut for Rumforskning og Rumteknologi på DTU Space og er en af de bærende kræfter på INTEGRAL-satellitten, der sammen med Fermi detekterede gammaglimtet fra GW170817.

Tyngdebølger gravitationsbølger gravitationelle bølger neutronstjerner kolliderende stjerner kollision

En kunstners illustration af en såkaldt 'kilonova', som er produktet af et neutronstjernesammenstød, og som forskerne, baseret på de nye målinger, mener producerer tunge grundstoffer såsom guld og platin. (Illustration: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser)

»Vi har fundet den hellige gral«

Tyngdebølger blev forudsagt af Albert Einstein for 100 år siden. Da det første gang lykkedes forskerne at detektere dem, gik nyheden verden rundt, og for ganske nylig udløste arbejdet en Nobelpris i Fysik.

Denne nye måling virker måske mindre sammenlignet med den første – simpelthen fordi det var første gang nogensinde, at man formåede at måle tyngdebølger – men til gengæld er den langt mere brugbar, lyder det fra Daniele Malesani, som er ansat i postdoc-stilling hos DARK, hvor han arbejder med gammaglimt.

»Nu kan vi for første gang måle og karakterisere alting så meget bedre, og det er jo det, videnskab handler om: At måle på tingene, ikke bare konstatere, at de er der. Det er næsten ikke til at tro på, at det her faktisk er sket, og jeg ved ikke, om det kommer til at ske igen i min livstid. Vi har fundet den hellige gral – nu kan vi begynde at drikke fra den.«

Kan udløse ny Nobelpris

Det kan da heller ikke udelukkes, at arbejdet med tyngdebølger kan udløse endnu en Nobelpris på baggrund af de nye resultater, mener Jens Hjorth.

»Hvis det her var kommet først, var det det, der havde fået Nobelprisen, det er jeg slet ikke i tvivl om. Måske den vil blive uddelt igen for denne opdagelse.«

Med det nye datasæt bliver der åbnet op for, at alle astronomer kan deltage i arbejdet med tyngdebølger, eftersom elektromagnetiske målinger er standard astronomi, lyder det fra Jens Hjorth.

»På den måde bliver den mængde af information, vi nu kan trække, enorm.«

Videnskab.dk besøger Niels Bohr Institutet i dag, mandag d. 16., når LIGO og Virgo afslører deres resultater for offentligheden. Vi bringer en artikel med deres begejstrede reaktioner senere i dag.

Masser af dygtighed - og et utroligt held
Tyngdebølger gravitationsbølger gravitationelle bølger neutronstjerner kolliderende stjerner kollision

En kunstners illustration af et neutronstjernesammenstød. (Illustration: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser)

Selvom signalet fra GW170817 er jagtet med dygtighed gennem mange år af flere end 1.000 fysikere, har der også været heldige omstændigheder involveret.

Alene det faktum at begivenheden blev ledsaget af et kort gamma-glimt, der netop pegede i vores retning, og som samtidig var det hidtil nærmeste målte gammaglimt blandt de tusinder, man hidtil har observeret, er et utroligt held, lyder det fra Thomas Tauris.

Desuden er tyngdebølger fra neutronstjerner svagere end tyngdebølger fra kollisionen af to sorte huller, og hændelsen var kun lige akkurat inden for grænsen af, hvad Virgos detektor kan opfange.

Forstå elektromagnetisk stråling

Himmellegemer (bortset fra sorte huller) udsender elektromagnetisk stråling i mange forskellige bølgelængder, og astronomer vil gerne opfange så meget stråling som muligt, når de undersøger et objekt.

  • Gammastråling er den mest energirige form for elektromagnetisk stråling. Den udsendes i såkaldte gammaglimt fra nogle af de voldsomste begivenheder i universet. Gammastråler har dog svært ved at trænge igennem atmosfæren, så det kræver rumteleskoper at opfange gammastråler fra kosmiske kilder.
  • Røntgenstråler kan også kun opfanges af rumteleskoper. I universet kommer kraftige røntgenstråler for eksempel fra stof, der er på vej ned i et sort hul.
  • Ultraviolet stråling har kortere bølgelængder end det lys, vi kan opfange med øjnene. Solen udsender ultraviolet lys, men det meste bliver stoppet af ozonlaget. Den ultraviolette stråling opfanges bedst af rumteleskoper.
  • Optisk lys er det, vi kan se med øjnene. Lys fra himmellegemer kan opfanges af optisk teleskoper på Jorden eller i rummet.
  • Infrarød stråling har længere bølgelængde end synligt lys. Strålingen trænger dårligt gennem atmosfæren, men den kan observeres fra højtliggende teleskoper, fra fly og fra rumteleskoper. Det nærinfrarøde lys er det, der ligger tættest på det synlige lys.
  • Radiobølger er de elektromagnetiske bølger, der har længst bølgelængde. De kaldes sådan, fordi de benyttes til radiotransmissioner, men de udsendes også naturligt af mange himmellegemer.

Videnskab.dk Podcast

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


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab 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.



Det sker