I februar 2016 gik bølgerne højt og alverdens fysikere jublede: For første gang nogensinde var det lykkedes forskere at måle tyngdebølger – et fænomen, som var blevet forudsagt 100 år tidligere af fysikeren Albert Einstein, men som hidtil aldrig var blevet målt.
Hvis det ikke allerede stod klart for de fleste, at der var tale om en fysiksensation, blev det understreget allerede året efter, da opdagelsen fik den fornemste udmærkelse med Nobelprisen i fysik.
Nu kommer holdet bag opdagelsen af tyngdebølger med en ny og rekordsættende måling af tyngdebølger.
»Det er sindssygt spændende. Vi har stadig så relativt få målinger af tyngdebølger, at hver eneste gang vi får nye målinger, åbner det for nye aspekter i vores forståelse af universet,« siger Niels Obers, som er professor i teoretisk partikelfysik og kosmologi ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.
Sorte huller smeltede sammen
Tyngdebølger er kort fortalt bølger, som produceres af ekstreme begivenheder i universet – det kan eksempelvis være to meget kompakte objekter, som støder sammen.
Tyngdebølgerne er altså efterklangen af de voldsomme begivenheder, der viser sig som små rystelser i tid og rum, tilsammen kaldet rumtiden. (Hvis du synes det lyder lidt for uforståeligt, kan du blive meget klogere på fænomenet i artiklen Hvad er tyngdebølger?)
De nye målinger af tyngdebølger er formentlig blevet skabt af to sorte huller – det vil sige to ekstremt tunge og kompakte objekter (se faktaboks) - som er smeltet sammen for mange milliarder år siden.
\ Sorte huller
Et sort hul er et objekt i rummet, der er blevet presset så meget sammen af tyngdekraften, at det næsten ingenting fylder.
Som eksempel på, hvor kompakt et sort hul er, ville Jorden være lige så stor som en sukkerknald, hvis den havde samme tæthed som et sort hul.
Sorte huller er et produkt af supernovaeksplosioner, hvor stjerner kollapser og dør.
Et kig ind i fortiden
Dengang de sorte huller nærmede sig hinanden og smeltede sammen, var universet ifølge forskernes beregninger kun halvt så gammelt som nu.
Ved de sorte hullers sammensmeltning blev der skabt tyngdebølger, og siden da har tyngdebølgerne rejst igennem universet i milliarder af år. Lige indtil de blev opfanget af forskernes avancerede måleudstyr 21. maj 2019.
»Man behøver ikke at være fysiker eller astronom for at begribe, hvor vanvittigt det er, at det overhovedet kan lade sig gøre: Vi kan måle en begivenhed, som fandt sted ekstremt langt borte for milliarder af år siden. Det forbavser mig, hver eneste gang jeg tænker på det. For selvom vores daglige liv her på Jorden kan virke trivielt, så er vi faktisk i stand til at nå langt, langt væk herfra,« siger Niels Obers, som ikke har været en del af de nye studier.
»Afstanden til de to sorte huller er cirka 5 Gigaparsec. Det er et afstandsmål, som kan oversættes til, hvor lang tid der er gået, siden begivenheden skete. Jo længere borte det skete, des længere tilbage i fortiden ser vi. Og her kigger vi altså ret langt tilbage i tiden – omkring halvdelen af universets levetid.«
Rekordmåling
De nye målinger af tyngdebølger er ligesom alle de øvrige målinger foretaget med to kæmpestore måleapparater: Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) i USA og Virgo i Italien.
De nye målinger sætter rekord, fordi de to sorte huller, som smeltede sammen, har været større end andre, som hidtil er målt. Før de smeltede sammen, vejede de henholdsvis 66 og 85 gange så meget som Solens masse (vægt) ifølge forskernes beregninger.
»De to sorte huller er usædvanligt store, og det gør opdagelsen ekstra spændende. Til sammenligning var var de sorte huller fra den første begivenhed, man målte tilbage i 2015, henholdsvis 29 og 36 gange større end Solens masse. Det lyder måske ikke som den store forskel, men vi kender ikke mekanismerne bag sorte huller af den størrelse. Hvordan kan de opstå? Det giver udfordringer til vores eksisterende teorier,« fortæller Niels Obers.
Mystisk størrelse
Niels Obers forklarer, at et sort hul, som er 85 gange så stor som Solen, er et sort hul i ’mellem-størrelse’ - og en sådan størrelse har man ikke tidligere set.
Denne 'mellem-størrelse' sorte huller burde egentlig ikke kunne eksistere ifølge vores nuværende teorier om, hvordan sorte huller bliver skabt, når stjerner eksploderer.
Forskerne bag opdagelsen har imidlertid en mulig forklaring på, hvordan det usædvanlige sorte hul kan være blevet skabt:
Det kan være sket ved en tidligere sammensmeltning af to endnu ældre, mindre sorte huller.
Et splitsekund
»Lige fra begyndelsen har dette signal (fra tyngdebølger, red.), som kun varede en tiendedel af et sekund, udfordret os i forhold til at forstå dets oprindelse,« udtaler professor Alessandra Buonanno, direktør for Max Planck Institute for Gravitational Physics in Potsdam i en pressemeddelelse.
»Men på trods af signalets korte varighed har vi været i stand til at matche signalet med, hvad vi forventer er en sammensmeltning af sorte huller, sådan som Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger. Og det er gået op for os, at vi for første gang har bevidnet fødslen af et mellem-størrelse sort hul fra en sort-hul-forælder, som formentlig blev født af en tidligere sammensmeltning af sorte huller.«
Puha... Forvirret?
Forvirret? Lad os lige tage historien én gang til i kronologisk rækkefølge:
Teorien lyder altså, at der i første omgang fandtes to sorte huller, som smeltede sammen og skabte et mellemstørrelse sort hul (85 gange så stort som Solen). Senere smeltede dette nye sorte hul sammen med et andet sort hul, som var 66 gange så stort som Solen.
Tilsammen skabte de to sammensmeltede sorte huller et endnu større sort hul – på størrelse med 142 gange Solens masse – og det udløste enorme mængder af energier, som altså spredte sig i universet i form af tyngdebølger. Og disse tyngdebølger kunne forskerne altså måle i et splitsekund i maj sidste år.
Eller… Sådan regner vi i hvert fald med, at historien foregik. For Niels Obers understreger – ligesom forskerne bag opdagelsen – at vi ikke kan være fuldstændig sikre på, at det er sorte huller, som har skabt tyngdebølgerne.
Kosmiske strenge?
\ Fakta til nørderne:
Den nye måling af tyndebølger har fået betegnelsen GW190521.
Forskerne mener, at tyngdebølgerne blev skabt, da to sorte huller smeltede sammen.
De to oprindelige sorte huller vejede ifølge beregningerne henholdsvis 66 og 85 gange så meget som Solens masse.
Da de smeltede sammen til et nyt sort hul, havde dette nye sorte hul en masse på omkring 142 gange Solens masse.
»Den mængde energi, som blev udsendt ved sammensmeltningen af de sorte huller, er differencen mellem det endelige sorte hul og summen af de to oprindelige sorte huller,« fortæller Niels Obers og opstiller på baggrund af tallene følgende regnestykke:
»85 + 66 – 142 = 9. Det vil sige, at energien, der udsendes, svarer til cirka 9 gange Solens masse, og denne energi bliver udstrålet som tyngdebølger.«
En anden mulig forklaring på de målte tyngdebølger kan være, at de er blevet skabt af kosmiske strenge.
»Kosmiske strenge er en slags tynde tråde af energi, som gennemsyrer universet. Man kan sammenligne det med sprækker i isen – her er det bare universet, sprækkerne løber igennem. Der er teorier, som forudsiger, at kosmiske strenge eksisterer, men vi ved det reelt ikke,« siger Niels Obers og fortsætter:
»Men hvis de eksisterer, ved vi, at de vil kunne skabe tyngdebølger. Derfor er det en teoretisk mulighed, at de nye målinger kan være blevet skabt af kosmiske strenge. Men ligesom forskerne bag opdagelsen ser jeg det som en mindre sandsynlig mulighed.«
Jo flere, jo bedre
Siden de første målinger af tyngdebølger blev foretaget i 2015 – og offentliggjort i februar 2016 – er der i alt blevet foretaget 11 bekræftede målinger af tyngdebølger, fortæller Niels Obers.
10 af målingerne stammer fra sorte huller, som er smeltet sammen, mens den sidste måling stammer fra sammensmeltningen af to såkaldte neutronstjerner – kompakte efterladenskaber fra eksploderede stjerner.
Niels Obers understreger, at det er vigtigt, at vi får så mange målinger af tyngdebølger som muligt. For jo flere målinger vi har, des større forståelse vil vi få for, hvordan universet omkring os er blevet skabt og hænger sammen.
»Du kan sammenligne det med, at vi er begyndt at bruge universet som en slags partikelaccelerator. Årsagen til, at vi i dag ved så meget om elementarpartikler (klodens mindste byggesten, red.) er, at vi har partikelacceleratorerne i CERN,« siger Niels Obers med henvisning til det kæmpestore forskningsanlæg CERN i Schweiz.
»Hele essensen af CERN er, at vi iagttager masser af kollisioner af partikler, og på den måde begynder vi at se mønstret i, hvordan de opfører sig. Det er ren statistik, og det er sådan vi lærer om elementarpartikler. Det er lidt det samme med tyngdebølgerne. Jo flere målinger vi får, des bedre bliver vi til at se mønstre og til at forstå, hvordan universet er blevet skabt.«
En hed drøm
Niels Obers påpeger, at en af fysikernes allerstørste drømme er at finde en teori, som kan forene Einsteins generelle relativitetsteori med kvantemekanikken – en gren af fysikken, som blandt andet blev grundlagt af den danske fysiker Niels Bohr.
»Det er lige præcis i sorte hullers fysik og historien om Big Bang, at man har brug for sådan en teori. Derfor er den store forhåbning, at alle disse observationer vil bringe os tættere på det og give os nogle vigtige spor, som kan bekræfte eller afkræfte vores fundamentale teorier om universet,« slutter Niels Obers.
De nye målinger af tyngdebølger er beskrevet i to artikler i de videnskabelige tidsskrifter Physical Review Letters og The Astrophysical Journal Letters.
\ Kilder
- GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M_Sun,” LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, 2020 Sep. 2, Physical Review Letters
- “Properties and Astrophysical Implications of the 150 M_Sun Binary Black Hole Merger GW190521,” LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, 2020 Sep. 2, Astrophysical Journal Letters
- Niels Obers profil (NBI)
- "Ligo and Virgo Catch their Biggest Fish so Far: Faraway Black Hole Collision is the most Massive and most Distant ever observed by the Gravitational-Wave Detectors", pressemeddelelse fra Albert Einstein Institute, 2020
- 'A “bang” in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet', pressemeddelelse fra Massachusetts Institute of Technology, 2020
\ Massegabet - sorte huller i mystisk størrelse
Normalt siger man, at sorte huller bliver skabt, når gamle stjerner eksploderer og kollapser - men måske er det ikke hele historien?
Det nye studie udfordrer i hvert fald forskernes modeller.
Forskerne bag studiet regner med, at tyngdebølgerne stammer fra et sort hul med en masse på 142 gange Solens masse (142 solmasser).
Dette sorte hul blev ifølge forskernes beregninger skabt, da to sorte huller - som vejede henholdsvis 66 og 85 solmasser - smeltede sammen, som vist på illustrationen ovenfor.
Udfordringen er imidlertid, at de to sorte huller har en lidt uforklarlig størrelse - en 'mellem-størrelse': De er meget mindre end de allerstørste sorte huller, som vi kender fra centrum af galakser - og som kan være millioner eller millarder af solmasser. Men de er samtidig også en del større end de almindelige, 'små' sorte huller, vi kender.
Teoretiske modeller indikerer, at naturen sandsynligvis ikke vil danne sorte huller i den størrelsesorden, som de to sorte huller har, oplyser Massachusetts Institute of Technology (MIT) i en pressemeddelelse
Modellerne siger, at der findes et interval på mellem 65 til 120 solmasser (kaldet 'par ustabilitets-massegabet' - på engelsk 'pair instability mass gap') hvor sorte huller ikke kan dannes af stjerner, som eksploderer og kollapser.
»Indtil videre har man ikke set sorte huller med en masse, som er mere end 65 gange Solens masse (bortset fra den største kategori af sorte huller i galaksers centrum, red.) og derfor er det første gang man har stærke indikationer på, at den slags sorte huller eksisterer,« siger Niels Obers.
Eller med andre ord: Det er første gang, man har fundet sorte huller i en størrelsesorden, som hører inden for intervallet, som svarer til 'par-ustabilitets-massegabet', oplyser LIGO.
Så hvordan er de to sorte huller i den 'mystiske' mellem-størrelse blevet skabt?
Forskere tror, at de to sorte huller måske er blevet dannet ved en endnu tidligere sammensmeltning af sorte huller, som angivet i illustrationen ovenfor.
