Hvad er tyngdebølger?

For 100 år siden forudsagde Albert Einstein eksistensen af tyngdebølger, svingninger i tid og rum, som ifølge den almene relativitetsteori opstår, når masser accelererer hurtigt i forhold til hinanden. Eksempelvis når to sorte huller kolliderer. Han forudsagde også, at vi formentlig aldrig ville finde dem.

Indtil videre har den gode Albert haft ret. Selvom fysikerne har ledt intensivt efter tyngdebølger, også kendt som gravitationsbølger, har de hidtil ledt forgæves.

Det er måske på nippet til at ændre sig – det kan du læse mere om i faktaboksen til højre.

Men inden det sker, er det måske meget rart med en forklaring: Hvad i alverden går de der tyngdebølger egentlig ud på? Og hvorfor er fysikerne så opsatte på at finde dem?

For at finde svarene må vi starte med at træde et skridt tilbage og prøve at forstå det, det hele startede med: relativitetsteorien.

LÆS OGSÅ: Fysikerne jubler: Vi har fundet tyngdebølger!

Tyngdekraften påvirker rummets form

Den almene relativitetsteori er grundlæggende en teori for, hvordan tyngdekraften påvirker selve rummets form. Det kan beskrives ved at forestille sig rummet som et viskestykke, som man holder stramt ud i alle fire hjørner.

Det forklarer lektor Troels Harmark, som arbejder med teoretisk partikelfysik og kosmologi ved Niels Bohr Institutet (NBi) på Københavns Universitet.

»Hvis man triller en lille kugle hen over viskestykket, vil den fortsætte ligeud. Hvis man derimod lægger en tungere kugle i midten af viskestykket, vil det bøje en lille smule nedad. Og hvis man så triller den lille kugle hen over viskestykket, vil banen ikke længere gå ligeud, fordi den vil trækkes ind mod midten. Det er en illustration af, at masse og energi får rumtiden til at krumme,« forklarer Troels Harmark.

I den almene relativitetsteori hænger tid og rum uløseligt sammen i rumtiden. Rumtiden er en firedimensionel teori. Hvis rumtiden i stedet havde en flad geometri, ville det svare til, at den ikke havde nogen tyngdekraft. Tyngdekraften påvirker med andre ord rummets form.

Tyngdebølger er en forstyrrelse af rumtiden

I Einsteins teori er tyngdekraften altså i virkeligheden blot en konsekvens af, at rummet krummer i nærheden af et tungt objekt, og at objekter i nærheden bevæger sig i et krumt rum. Tyngdekraften gør, at et æble falder ned mod jorden. I Einsteins teori er det en konsekvens af, at rummet krummer i nærheden af Jordens store masse, og det at æblet falder ned mod Jorden skyldes, at det er tvunget til at bevæge sig i et krumt rum.

Sker der en meget stor forstyrrelse af rumtiden, vil det skabe nogle bølger. De såkaldte ‘tyngdebølger’.

Forestil dig, at du står i vandkanten på stranden og plasker lidt med fødderne. Det skaber bølger i vandet. Du bliver ivrig og begynder at træde lidt hårdere. Det skaber større bølger. Det er sjovt. Du bliver ved. Forstyrrelsen vokser, og bølgerne ligeså.

»På samme måde kan det ske med rumtiden. Hvis du står og plasker i vandet, kommer der bølger, som udbreder sig fra det punkt, hvor du forstyrrer overfladen. Men det kræver en meget stor forstyrrelse af rumtiden at skabe tyngdebølger, som vi kan detektere. Derfor kigger man efter de meget voldsomme begivenheder ude i rummet, når man prøver at måle tyngdebølger,« fortæller Troels Harmark.

Gravitationsbølger skabes fra voldsomme begivenheder i rummet

De voldsomme begivenheder kan for eksempel være to kompakte neutronstjerner, som kredser om hinanden, flyver meget tæt og til sidst kolliderer. Neutronstjerner er restprodukter fra supernovaeksplosioner og har en ekstremt stor massefylde.

Men det kan også være to sorte huller, som nærmer sig hinanden mere og mere og begynder at opsluge hinanden – for til sidst at blive til ét stort sort hul. Sorte huller har en endnu større massefylde end neutronstjerner.

Begge scenarier er meget voldsomme begivenheder, som vil skabe bølger – forstyrrelser – i rumtiden. Disse forstyrrelser vil derefter rejse med en utrolig hast gennem rummet.

»Det er en slags spiralbevægelse, hvor to tunge objekter kommer tættere på hinanden. Denne proces med hurtigt accelererede tunge objekter genererer meget energi, som deformerer rum og tid omkring sig og derefter bevæger sig med lysets hastighed ud i universet,« fortæller professor Niels Obers, som ligeledes arbejder med teoretisk partikelfysik og kosmologi ved NBi.

Forskydelsen rejser gennem universet og hele vejen til vores lille planet. Hvor utroligt det end lyder, kan bølgerne fra to sorte huller – i karambolage utroligt langt væk herfra – forskyde rum og tid her på Jorden. Meget, meget lidt. Men dog.

Hvis du forestiller dig, at du løb rundt om Jorden én gang i sekundet, og du gjorde det uafbrudt i tusind år, vil ændringen i afstanden svare til en millimeter.

Detektering af tyngdebølger vil være et kæmpe skridt for fysikken

Det er netop her, i den ekstremt lille forskydning, vi skal finde nøglen til at forstå, hvorfor det er så svært at måle tyngdebølger. Selvom tyngdebølgerne opstår på baggrund af et uhyre voldsomt fænomen ude i rummet, vil effekterne af det – tyngdebølger – kun være meget, meget små, når de rammer Jorden.

Effekten svarer måske kun til en tusindedel af diameteren af en atomkerne. Og hvordan måler man så noget, som er så forsvindende småt?

Det gør man, mener fysikerne, ved at måle, hvordan afstande ændrer sig, når bølgerne når frem til os. En passerende krusning i rumtiden vil nemlig betyde, at alting bliver længere på den ene led og kortere på den anden. Det kan du få forklaret lidt nærmere i videoen herunder.

(Video: PHDComics)

En sådan krusning burde kunne måles med det rette udstyr.

Og det forsøger forskerne så – i stor stil. Hvis man kan detektere og bevise eksistensen af tyngdebølger, vil det nemlig være et vigtigt skridt fremad for fysikken. Så vigtigt, at det kan udløse en nobelpris.

LIGO leder efter tyngdebølger med laserteknologi

Det rette udstyr til at finde tyngdebølgerne kunne eksempelvis være LIGO-instrumenterne, der er en forkortelse for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. De er en del af en helt ny generation af højavancerede detektorsystemer her på Jorden.

LIGOs detektorer er baseret på laserinterferometre – en målemetode af afstande, baseret på laserteknologi – med to arme, der er vinkelrette på hinanden og nøjagtig lige lange. Fire kilometer lange for at være helt præcis. En tyngdebølge afslører sig ved, at den ene arm bliver lidt kortere, mens den anden bliver lidt længere. Det kan du se en illustration af i videoen herunder.

Hvordan kan LIGO egentlig opfange tyngdebølger, hvis de er der? Her får du en gennemgang af, hvordan LIGOs ‘arme’ og øvrige apparatur fungerer. (Video: LIGO)

LIGO-forskerne har uden held ledt efter tyngdebølgerne fra 2002 til 2010, men i september 2015 blev eksperimentet opgraderet og fik navnet Advanced LIGO. Apparaturet kan nu måle forskydelser ned til 10 i minus 18 meter, hvilket svarer til en milliardedel af en millardedel af en meter.

»Det kræver en uhyggelig præcision. Teknologien har simpelthen ikke været klar til det før nu,« siger Troels Harmark.

Allerede en uge efter genåbningen begyndte der at løbe rygter om, at LIGO havde detekteret tyngdebølger. Du kan læse mere om LIGO-eksperimentet og rygtebørsen i faktaboksen til højre.

Imens jagter flere andre eksperimenter også de flygtige tyngdebølger. Blandt andet rumsonden Lisa Pathfinder, der har danske instrumenter om bord. Den kan du læse mere om her.

Gravitoner og kvantemekanik: Tyngdebølger kan åbne ny fysik

Hvis man kan detektere tyngdebølgerne, kan man også få mere viden om en lang række andre fysiske fænomener. Eksempelvis, fortæller Troels Harmark, vil tyngdebølger være 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 kvanter.

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,« forklarer Troels Harmark.

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.

»Det svarer til, at når man umiddelbart kigger på en bordoverflade, er den tilsyneladende helt glat. Men vi ved jo godt, at hvis vi kigger på den på mikroskopisk niveau, består den i virkeligheden af partikler. De fleste, som arbejder med denne type fysik, vil sige, at gravitoner findes. Det her vil være et meget kraftigt indicium på det,« siger Troels Harmark.

Jagten på gravitationsbølger er intens

Meningen med tyngdebølgedetektorerne og jagten på at bekræfte Einsteins 100 år gamle forudsigelse er at åbne et nyt vindue til universet – at observere fænomener på en helt ny måde og på den måde få ny viden om, hvordan universet er skruet sammen.

»Man kunne forestille sig et sted ude i fremtiden, hvis man opnåede en væsentlig grad af højere præcision med disse instrumenter, at man for eksempel kunne måle effekter, som har sammenhæng med de her gravitoner,« siger Troels Harmark og fortsætter:

»Der findes mange teorier om, hvad der sker, når man går ud over den almene relativitetsteori – og det vil være en god måde at teste, hvilke af de her teorier er rigtige. Ud over at bekræfte relativitetsteorien vil det give os et instrument til at finde ud af, hvad der ligger udover.«

Indtil videre er det altså ikke lykkedes fysikerne at måle tyngdebølger. Men jagten er intens, og måske det snart kommer til at ændre sig. Skulle det ske, vil det i hvert fald udløse glæde på forskningsgangene.

»Det er indtil nu ikke lykkedes, men når det gør, vil det virkelig stor begivenhed, som jeg i hvert fald personligt venter på. Jeg er virkelig begejstret ved tanken,« slutter Niels Obers fra NBi.

LIGO-forskeren Sarah Gossan forklarer, hvilke kilder der kan være til tyngdebølger. (Video: Caltech LIGO)