Tyngdekraften er den svageste naturkraft i universet, men alligevel spiller tyngdekraften en afgørende rolle ved nogle af de mest voldsomme begivenheder i universet som sammenstød mellem sorte huller eller supernovaeksplosioner.
Tyngdekraften er den svageste naturkraft i universet, men alligevel spiller tyngdekraften en afgørende rolle ved nogle af de mest voldsomme begivenheder i universet som sammenstød mellem sorte huller eller supernovaeksplosioner.
Når tyngdekraften for alvor folder sig ud, så sker det under udsendelse af nogle særlige bølger, som vi på dansk kalder for tyngdebølger, og som mere internationalt hedder gravitationsbølger.
Studiet af tyngdebølger er en ny videnskab, men den har allerede lært os meget om universet. Alligevel har der de sidste par år været lidt stilhed omkring studiet af tyngdebølger, men det vil ændre sig nu.
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient’er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I mere end 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet ‘Stubberne’.
24. maj afsluttede to af de fire observatorier, som kan observere denne type bølger, nemlig en større opgradering, og det betyder, at vi nu kan forvente en langrække nye opdagelser om nogle af de mest voldsomme begivenheder i universet – herunder ny viden om, hvordan guld er blevet skabt, og hvorfor det er så sjældent. Eksemplet med guld nævnes ofte, fordi det viser, at vi her på Jorden er påvirket af, hvad der er sket i universet for milliarder af år siden.
Astronomerne har allerede lagt planer for de kommende års forskning, og disse planer vil vi vende tilbage til. Men først vil vi se på tre emner:
Tyngdebølger blev forudsagt af Einstein i hans almene relativitetsteori fra 1916. Einstein forudsagde, at der sker noget særligt, når to legemer –som planeter eller stjerner – kredser om hinanden. Han mente, at denne form for bevægelse kunne skabe bølger i rummet.
Forklaringen skal søges i Einsteins beskrivelse af tyngdekraft. Han beskriver nemlig tyngdekraften som en kraft, der ændrer selve rummets form.
Rummet kan være fladt som et stykke pair eller krumt som overfladen på en kugle eller en sadel. Når en planet som Jorden kredser om Solen, så er banen bestemt af det krumme rum, som Solens tyngdekraft har skabt omkring sig.
Det illustreres ofte ved at tegne rummet som en slags gummihinde, som en planet som Jorden eller en stjerne som Solen ’synker ned i’ og derved skaber en lokal krumning af rummet.
Jordens bevægelse om Solen er en accelereret bevægelse, da Jorden tiltrækkes af Solen og dermed får en kontant acceleration ind mod Solen. Den krumning af rummet, som Jordens eget tyngdefelt skaber, vil dermed flytte sig i takt med Jordens bevægelse. Det vil skabe en bølge i selve rummet.
Man kan sammenligne det med at kaste en sten ned i en sø. Søen svarer til rummet, og stenen til en planet eller stjerne. I det øjeblik, stenen rammer søen – svarende til, at en planet ændrer sin bevægelse i rummet – vil der sprede sig bølger i alle retninger.
Men det at skabe en bølge kræver energi, og denne energi kan kun komme fra Jorden. Nu er tyngdekraft heldigvis en meget svag kraft, så de tyngdebølger, Jorden skaber, har en effekt på sølle 200 Watt. Da Jordens samlede energi i sin bane (Kinetisk og Potentiel) er 1036 Joule, så kan vi godt tåle at tabe 200 Joule hvert sekund, uden at der sker noget – ikke ret meget i hvert fald. For på grund af dette energitab kommer Jorden hvert år 10-13 cm nærmere Solen, men der vil gå 1023 år, før vi vil være i fare for at falde ind i Solen – og det er mere end en billion gange universets nuværende alder.
Der er en særlig grund til, at vi tager udgangspunkt i Jorden, for tallene viser, hvor ufatteligt svage langt de fleste tyngdebølger er. De er så svage, at det er umuligt på nogen tænkelig måde at måle dem.
For at få skabt tyngdebølger så kraftige, at vi overhovedet kan registrere dem, skal vi se på tunge legemer som neutronstjerner eller sorte huller, der kredser i kort afstand fra hinanden og derfor bevæger sig i et meget stærkt tyngdefelt. Her skabes tyngdebølger med ganske høj energi, og det er dem vi leder efter.
Tyngdebølger er ganske usynlige, så vi kan ikke bruge noget, der bare ligner et klassisk teleskop. Vi er nødt til at udnytte tyngdebølgers grundlæggende egenskab, nemlig, at de ændrer selve rummets form. Det viser sig ved, at når en tyngdebølge passerer, så ændres alle afstande en ganske lille smule. Men i langt de fleste tilfælde er der tale om en meget lille effekt, som er svær at måle.
Selv når en ’stærk’ tyngdebølge passerer gennem Solsystemet, så taler vi om ændringer af afstande på måske 1/1.000 af en protons diameter, og det er altså ikke ret meget. Men fysikerne har fundet en metode til at måle selv så små forskydninger, nemlig ved at bruge lasere.
NASA har en simulation her, der viser princippet i teleskopet, som består af to lange tunneler vinkelret på hinanden med en længde på 3-4 km. En laser sender lys ind til en beamsplitter, så laserlyset går gennem begge tunneler hen til spejle, hvor det så kastes tilbage igen til en detektor. Når laserstrålerne så mødes, interfererer de (påvirker de hinanden), og normalt vil det være så destruktivt, at strålerne ’slukker’ hinanden.
Men passerer en tyngdebølge, så strækkes rummet, og de to arme vil ikke længere være lige lange. Når strålerne mødes ved detektoren, vil der derfor ikke være destruktiv interferens, og der kommer et signal.
Det lyder måske let (for eksperter), men det er uhyre svært at gennemføre en måling i praksis.
Målinger af tyngdebølger kan i praksis ikke gennemføres uden et omfattende internationalt samarbejde, og det er der to meget gode grunde til:
De interferometre, der anvendes, er nemlig så følsomme, at de kan mærke selv de mindste vibrationer på Jorden, uanset om de stammer fra lokale kilder som trafik, landmænd, der pløjer marker, eller fra jordskælv, der finder sted mange hundrede kilometer borte. Selv vind kan forstyrre målingerne, selv om interferometrerne er gravet godt ned under jorden i lange tunneller.
Hvis instrumenterne var placeret tæt på hinanden, ville de føle de samme vibrationer, uanset om de stammer fra Jorden eller fra tyngdebølger, og det ville være næsten umuligt at skelne et tyngdebølgesignal fra støj skabt her på Jorden.
Med adskilte observatorier opnår man, at hver detektor oplever sine egne unikke, lokale
vibrationer, og når målingerne sammenlignes, ignorerer computere vibrationer, der adskiller sig, og er kun opmærksomme på signaler, der ser ens ud.
Den anden og lige så vigtige grund er, at da tyngdebølger rejser med lysets hastighed, vil de ankomme til adskilte observatorier på lidt forskellig tid. Hvis to observatorier er placeret med en afstand på 3.000 km, vil der være en tidsforskel på 10 millisekunder mellem, at man modtager signalet. Hvis tidsforskellen er enten længere eller kortere, bliver målingen simpelthen ignoreret.
Dette internationale samarbejde blev etableret 1997 og er i dag et samarbejde mellem tre lande, nemlig USA, Italien og Japan. Om nogle år vi Indien muligvis komme med. Man taler om LVK-konsortiet, hvor bogstaverne L står for LIGO i USA, V for Virgo i Italien og K for KAGRA i Japan.
I det amerikanske projekt står LIGO for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, hvilket jo på udmærket måde beskriver virkemåden af ’teleskoperne’, der netop foretager målingerne ved at måle, hvorledes to laserstråler interfererer med hinanden. Derfor bruger man ofte betegnelsen interferometer i stedet for teleskop.
Det amerikanske LIGO råder over to interferometre, et i staten Washington kaldet LIGO-Hanford og et i staten Lousiana kaldet LIGO-Livingston med en indbyrdes afstand på præcis 3.002 km. Det er disse to anlæg, der nu er blevet opgraderet. Virgo i Italien er stadig i gang med en opgradering, og senere i år vil KAGRA i Japan også begynde at observere.
Det første tegn på, at tyngdebølger eksisterer, kom allerede i 1974, altså længe før LIGO blev bygget. To astronomer Hulse og Taylor var i gang med at måle på to neutronstjerner, der kredser om hinanden med en omløbstid på bare 7,75 timer.
Man blev hurtigt klar over, at omløbstiden ændrede sig med 76,5 mikrosekunder om året. Det betød, at de to neutronstjerner taber energi, så de hvert år kom 3,5 meter tættere på hinanden, og så var det let at beregne, at de ville støde sammen om bare 300 millioner år.
Det afgørende var, at energitabet var nøjagtigt det, Einstein havde forudsagt ud fra teorien om gravitationsstråling.
Tyngdekraften mellem to neutronstjerner, der kredser om hinanden i meget lille afstand, er så stærk, at gravitationsstrålingen får en effekt på ikke mindre end 7,35∙10 24 Watt, svarende til 1,9 procent af Solens udstråling, og det er nok til at skabe en målbar ændring af banen i løbet af få år.
Hulse og Taylor fik senere Nobelprisen for denne opdagelse om det, der i dag kaldes Hulse-Taylor pulsaren.
Derefter skulle der gå 41 år, før LIGO kom med den første direkte måling af gravitationsstråling i september 2015. Både LIGO-Hanford og LIGO-Livingston observerede strålingen, som, man senere blev klar over, kom fra to sorte huller med masser på omkring 30 gange Solens masse, som kolliderede.
Vender vi os mod fremtiden, så er her noget af det, man håber på at observere:
Alle målinger til dato har været af mindre sorte huller, og vi mangler i høj grad målinger af store sorte huller – ikke mindst for at forstå, hvordan de er dannet.
Man har længe vidst, at de næppe kunne dannes i tilstrækkelig mængde gennem almindelige kerneprocesser af den type, der foregår i stjerner.
I 2017 var man så heldig både at observere tyngdebølger og lys, da to neutronstjerner kolliderede. Spektrene viste, at der ved denne kollision blev dannet tunge grundstoffer – men om sådanne kollisioner er den primære kilde til kosmisk guld, er stadig uklart. For at afklare det spørgsmål er det nødvendigt at finde og studere flere sådanne kollisioner.
Mindst lige så vigtigt var det, at vi modtog lysglimtet fra kollisionen inden for 2 sekunder af det tidspunkt, der blev observeret tyngdebølger, hvilket var det første eksperimentelle bevis for, at tyngdebølger også bevæger sig med lysets hastighed, som teorien jo også forudsiger.
Når en tung stjerne eksploderer som supernova, sker det, ved at de centrale dele af stjernen pludselig kollapser.
Kollapset skabes af tyngdekraften, og det sker, når det centrale område når en kritisk masse. Resultatet bliver, at der dannes enten en neutronstjerne eller et sort hul. Men samtidig sker en enorm og pludselig frigivelse af energi, der blæser hele stjernen fra hinanden.
At opdage tyngdebølger fra sådan et ‘kernekollaps’ vil lade os kigge ind i hjertet af eksplosionen og afsløre dens tidlige faser, der ellers er skjult for os dybt under den døende stjernes overflade.
Dette kunne fortælle os, hvordan stof opfører sig ved tætheder, der svarer til det, vi finder i en atomkerne – det vil sige ved tætheder på over 100 millioner ton/kubikcentimeter.
Einsteins almene relativitetsteori er grundlaget for vores forståelse af tyngdekraftens natur. Hidtil har den klaret alle prøver, men der er et fundamentalt problem – nok det største i den moderne fysik:
Vi har ikke en kvantemekanisk beskrivelse af tyngdekraft, og det er et stort problem, når man vil beskrive Big Bang. Her ved vi, at kvantemekanikken har spillet en central rolle, men vi ved ikke, hvordan det har påvirket tyngdekraften.
Man kan håbe, at observationer af tyngdebølger med tiden kan levere nogle af de data, der kan føre til en kvantemekanisk beskrivelse af tyngdekraften.
Der er derfor store forventninger til de kommende års studier af tyngdebølger. De har mulighed for at skabe gennembrud, både i fysikken og astronomien, der er store nok til at føre til en eller måske flere nobelpriser.
