Rygter talte sandt: Stor astronyhed om gravitationsbølger offentliggjort

I de seneste dage har rygtebørsen været i fuld sving på sociale medier og astofysiske fora: Forskersammenslutningen North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NanoGrav) har nemlig slået på tromme for, at der var en »stor nyhed« på vej, og rygterne har svirret om, hvad nyheden kunne være.

Nu er historien offentliggjort i en serie af studier i det videnskabelige tidsskrift Astrophysical Journal: De 190 forskerne bag NanoGrav har med stor sandsynlighed lavet de hidtil første målinger af et helt særligt signal ude fra rummet: Gravitationsbølger - også kendt som tyngdebølger - med en meget lav frekvens.

»Det er absolut en STOR og længe ventet opdagelse,« lyder kommentaren straks fra professor Thomas Tauris, da Videnskab.dk spørger om rygtet om en stor nyhed er overdrevet eller ej.

»Hvis det viser sig, at deres signal er korrekt – og det er det sandsynligvis – så er det helt klart en opdagelse på nobelprisniveau,« istemmer Johan Fynbo, som er professor ved Cosmic Dawn Centret på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Hvorfor er det nyt?

Nu tænker du måske: Jeg har da hørt, at forskere har målt gravitationsbølger før, og det er også helt korrekt:

I 2016 lykkedes det helt sensationelt forskersammenslutningen LIGO at lave de hidtil første målinger af gravitationsbølger. Siden da er flere målinger kommet til, og opdagelsen af gravitationsbølger har for længst fået Nobelprisen.

De nye målinger er imidlertid særlige, fordi gravitationsbølgerne er meget anderledes end de andre gravitationsbølger, vi hidtil har målt – og det betyder blandt andet, at de har en helt anden oprindelse end andre gravitationsbølger, vi kender.

Gravitationsbølger kan beskrives som svingninger i rum og tid. Og forskerne er svært begejstrede for gravitationsbølger, fordi de giver os en helt ny måde at studere universet omkring os på.

Som om fysikerne har fået en helt ny sans, som kan hjælpe dem med at opsnuse universets dybeste hemmeligheder.

Gravitationsbølger som en kontrabas

De nye gravitationsbølgemålinger har en meget stor bølgelængde – og dermed en lav frekvens. Bølgerne svinger med perioder på år eller årtier, lyder det fra forskerne.

Hvis man tænker på de bølgelængder, vi kender fra lyd, svarer det til en meget, meget dyb tone, forklarer Johan Fynbo.

»Man kan sige, at de gravitationsbølger, vi hidtil har målt, svarer til en lille violin med meget små bølgelængder og høje toner. Og så kommer de nye målinger fra en meget dyb kontrabas,« siger Johan Fynbo, som ikke har været en del af den nye opdagelse.

»Man kan sammenligne det med et eventyrslot, som vi går på opdagelse i. Pludselig opdager vi en ny dør, som vi ikke har set før. Og det åbner døren til helt nye dele af slottet, som vi slet ikke kender. Med de nye målinger får vi et helt nyt vindue til at studere universet,« siger han.

Usikkerhed i resultatet

Dermed er han svært begejstret for de nye resultater. Han understreger dog, at det ikke er 100 procent sikkert, at forskerne nu også har lavet målinger af gravitationsbølger.

»Der er en lille chance for, at signalet blot er tilfældigt – at der er støj i målingerne – så det slet ikke er gravitationsbølger, de har set. Men det ser ret overbevisende ud,« siger Johan Fynbo.

Under et hemmeligt pressemøde, som NanoGrav afholdt tirsdag aften for at dele deres resultater med udvalgte dele af pressen – herunder Videnskab.dk – fortalte NanoGrav-forskeren Steve Taylor, at resultatet havde en statistisk sikkerhed på omkring »tre til fire sigma.«

Normalt vil forskere gerne have statistisk sikkerhed til at være helt oppe på 5 sigma, før de føler sig fuldstændig sikre på deres fund, men Steve Taylor understregede, at der var tale om »meget overbevisende evidens,« som er indsamlet gennem de sidste 15 år.

»Vores evidens er langsomt vokset gennem årene. Det er ikke noget, som er sket på en enkelt nat,« sagde Steve Taylor fra Vanderbilt University, som er den nuværende leder af NanoGrav-sammenslutningen, under det hemmeligholdte pressemøde tirsdag aften.

Forudsagt af Einstein

Gravitationsbølger blev allerede forudsagt for over 100 år siden i Albert Einsteins almene relativitetsteori, men det var altså først i 2016, at de første gang blev målt eksperimentelt.

Hidtil er gravitationsbølger blevet målt af detektorer på Jorden. Detektorerne LIGO og VIRGO har stået bag målingerne, som bliver udført med nogenlunde samme metode.

NanoGrav bruger imidlertid en helt anden metode til at opsnappe gravitationsbølgerne. De bruger nogle helt særlige roterende stjerner, kaldet pulsarer, til at jagte gravitationsbølgerne.

»Resultatet fra NanoGrav har vi ventet på i mange år. Faktisk var vi tidligere i tvivl om LIGO eller NanoGrav ville detektere det første gravitationsbølgesignal, men LIGO vandt som bekendt,« skriver Thomas Tauris, som er teoretisk fysiker og professor ved Aalborg Universitet i en email til Videnskab.dk.

Roterer som et fyrtårn

Når NanoGrav-forskerne opsnapper gravitationsbølger udnytter de, at pulsarer roterer om sig selv med en ekstremt høj hastighed og præcision.

Pulsarerne fungerer lidt ligesom et fyrtårn, hvor lyset roterer og sender et lyssignal hen imod dig med jævne mellemrum. Dette ekstremt præcise signal fra pulsarer kan forskerne følge, og dermed kan de også opsnappe, når der pludselig er noget, som forstyrrer signalet. Og en af de ting, som kan forstyrre signalet er gravitationsbølger – det forudsiger Einsteins teorier netop.

»De følger en hel række af pulsarer, som er spredt ud over himlen, til at detektere gravitationsbølgerne. Du kan forestille dig, at pulsarerne er en flok badeænder, som ligger i badekarret. Når der kommer en bølge, vil de alle sammen blive påvirket og give et lille skvulp på grund af bølgen,« forklarer Johan Fynbo.

»Det samme gælder pulsarerne, som bliver påvirket af gravitationsbølger og får en lille ændring i deres signal,« tilføjer han.

Mange teleskoper i spil

I alt har forskerne udnyttet 68 pulsarer, som er spredt ud over Mælkevejen, til deres målinger.

På den måde fungerer de mange pulsarer altså som en slags gigantisk detektor, meget større end Jorden, som hjælper forskerne med at opsnappe signalet fra de lavfrekvente gravitationsbølger.

»Pulsarer er faktisk meget svage radiokilder, så vi har haft brug for tusinder af timer om året på verdens største teleskoper til at udføre dette eksperiment,« siger forskeren Maura McLaughlin fra West Virginia University, co-Director for NANOGrav i en pressemeddelelse.

Forskerne har brugt teleskoperne Arecibo Observatory i Puerto Rico, Green Bank-teleskopet i West Virginia og Very Large Array-teleskopet i New Mexico, og gennem årene har de gradvist udvidet antallet af pulsarer, som de har udnyttet til deres forsøg.

NanoGrav’s samarbejdspartnere, som bruger teleskoper i Indien, Australien, Kina og Europa, rapporterer i dag også om lignende fund af lavfrekvente gravitationsbølger i en koordineret timing af offentliggørelsen af fundet.

»Disse ultra-lavfrekvente gravitationsbølger bærer på informationer om nogle af universets største hemmeligheder,« siger forskeren Stanislav Babak fra forskningsinstituttet CNRS i Frankrig i en pressemeddelelse fra det europæiske hold, EPTA, som ligeledes offentliggør fund af lavfrekvente gravitationsbølger i dag.

Hvad har skabt signalet?

Det store spørgsmål er, hvad der har skabt de ekstremt dybe (lavfrekvente) gravitationsbølger, som forskerne efter alt at dømme har opsnappet?

Forskernes analyse peger på, at det passer bedst med, at gravitationsbølgerne er blevet udsendt af en masse gigantiske sorte huller, som kredser om hinanden i par.

Sorte huller er kendt for at være ekstremt kompakte og tunge objekter, som findes rundt om i universet. Men i dette tilfælde snakker vi nogle virkelig giganstisk store af slagsen – i størrelsesordenen af milliarder gange tungere end vores egen sol og længere end afstanden mellem Jorden og Solen, anslår forskerne.

»Signalet ser ud til at passe bedst med det signal, som de ville forvente fra en population af kæmpestore sorte huller, som kredser parvist om hinanden. Men det kan også have været andre kilder, som har skabt gravitationsbølgerne,« siger Johan Fynbo.

»For eksempel forventer man, at der meget tidligt i Big Bang – tidligere end hvad vi kan se med lys – blev skabt gravitationsbølger med meget stor bølgelængde. Så potentielt er de ved at åbne en dør til at kunne kigge tidligere tilbage i universets historie, end vi har kunnet før.«

Åbner vindue til nye opdagelser

Dermed er han ikke i tvivl om, at gravitationsbølger med store bølgelængder i fremtiden vil kunne gøre os meget klogere på universet – og være med til at fravriste det endnu flere hemmeligheder og mysterier.

Samme melding kommer fra seniorforsker Søren Brandt, som selv har været involveret i tidligere gravitationsbølgemålinger.

»Gravitationsbølger kan fortælle os helt fundamentale ting om universet, som vi ikke kan se med andre metoder. Så vi har helt klart fået åbnet et helt nyt vindue til at blive klogere på universet, og det skal nok blive virkelig interessant,« siger Søren Brandt, som er seniorforsker på Danmarks Tekniske Universitet.