Lukk

Einsteins bølger

I tiår etter tiår forsøkte astrofysikere å bygge instrumenter for å registrere gravitasjonsbølger. I fjor fikk de det endelig til.

Gravity_Waves_StillImage_LIGO_nedskalert_Universitetsforlaget
Illustrasjonen viser sorte hull som holder på å kollidere, og gravitasjonsbølgene som brer seg utover mens de to nærmer seg hverandre. (Illustrasjon: LIGO/T. Pyle)

Astrofysikere jobber med noen av de mest spennende spørsmålene som finnes: Hvordan oppfører sorte hull seg? Hva skjedde i de første øyeblikkene av universets historie? Vi som er så heldige å være astrofysikere i disse dager, får oppleve at ny teknologi gjør det mulig å finne svar. «Lærebøkene må skrives om» er kanskje en klisjé, men på mitt fagfelt kan den brukes med berettigelse rett som det er.

 Øystein Elgarøy er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo. (Foto: Universitetsforlaget)
Øystein Elgarøy er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo. (Foto: Universitetsforlaget)

For eksempel ble en av de største astrofysiske oppdagelsene gjennom tidene gjort i 2016, da gravitasjonsbølger – det vil si bølger i rom og tid – ble observert for første gang. Da hadde astrofysikere vært på utkikk etter dem siden de ble beskrevet av Albert Einstein.

Vår flunkende nye evne til å observere og måle slike gravitasjonsbølger vil etter hvert kunne gi et helt nytt bilde av universet, for eksempel ved å gjøre det mulig å vise hvordan sorte hull direkte påvirker rom og tid.

Hundre år etter

I 1915 fullførte Einstein det som kalles den generelle relativitetsteorien, som totalt forandret synet på rom og tid. Teorien kom med en rekke storslagne forutsigelser, som at universet utvider seg, og at det eksisterer eksotiske objekter som sorte hull. Disse er blitt bekreftet av observasjoner gang på gang.

Forutsigelsen om gravitasjonsbølger ble altså først bekreftet hundre år etter at Einstein publiserte teorien.

I den generelle relativitetsteorien er ikke rom og tid en statisk scene som universets drama utspilles på. Rom og tid deltar selv i skuespillet. De er som vann, og kan formes av omgivelsene, men også forme omgivelsene tilbake.

Du har sikkert sluppet en stein ned i en pytt og sett at det dannes ringformede bølger som brer seg utover. Einstein og andre fysikere viste at gravitasjonsbølger kan lages på samme måte, ved å dytte på rom og tid.

Kan gi unik innsikt

Hvordan vil en gravitasjonsbølge arte seg? Den vil få avstander vinkelrett på bevegelsesretningen til å svinge periodisk. Hvis du sto i veien for en gravitasjonsbølge, ville du veksle mellom å bli høyere og smalere og kortere og bredere. Du ville bli påtvunget en varierende BMI, og blitt et svært uvanlig eksempel på jojo-slanking!

Gravitasjonsbølger kan lages i mange sammenhenger, blant annet når to sorte hull kolliderer. At astrofysikere har fått evnen til å måle gravitasjonsbølger, kan nesten sammenlignes med å skru på hørselssansen for en som er døv. Bølgene kan gi unik innsikt i egenskaper ved systemene som produserer dem. Her dreier det seg om innsikt som ikke er lett tilgjengelig ved andre typer observasjoner.

Alle tidligere observasjoner av sorte hull har vært indirekte. De er blitt påvist og studert ved å se på strålingen fra gass som befinner seg nær dem. Gravitasjonsbølger viser hvordan sorte hull virker direkte på rom og tid, og gjør det dermed mulig å teste relativitetsteoriens forutsigelser direkte.

astronomi en kosmisk reise-Universitetsforlaget
Astronomi – en kosmisk reise av Øystein Elgarøy.

Svake bølger

Før gravitasjonsbølgene ble observert, hadde astrofysikere i flere tiår forsøkt å bygge instrumenter for å registrere dem. Bølgene er nemlig svært svake. Styrken avtar med avstanden til kilden.

For å registrere bølgene fra selv de mest lovende kildene må man være i stand til å måle lengder som er mye mindre enn størrelsen til en atomkjerne. Det er derfor ikke så rart at en del forskere tvilte på at bølgene noen gang ville bli påvist.

Naturlig nok ble det oppstandelse da den første observasjonen ble offentliggjort i 2016. Observatoriet LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) hadde påvist gravitasjonsbølger mellom to sorte hull på rundt 30 solmasser. De befant seg i en galakse 1,3 milliarder lysår unna oss.

Lange armer

LIGO består av to identiske anlegg. Det ene ligger i Livingstone, Louisiana, og det andre i Hanford, Washington. Anleggene er såkalte interferometre og baserer seg på laserlys som sendes langs to armer som er fire kilometer lange. I endene av hver arm er det speil som sender lyset tilbake til utgangspunktet.

I normal tilstand er de to lysstrålene i motfase når de møtes, slik at de nuller hverandre ut. Dersom dette ikke er tilfelle, tyder det på at lengden av armene har endret seg. Det kan være tegn på at en gravitasjonsbølge har truffet anlegget.

Å utelukke andre muligheter er krevende, og det er én av hovedgrunnene til at man har to anlegg. Dersom begge registrerer det samme signalet, kan man være litt sikrere på at det ikke skyldes lokale forhold.

hva er KOSMOS
hva er KOSMOS av Øystein Elgarøy.

Nytt vindu mot kosmos

Til nå er det påvist to sikre gravitasjonsbølgesignaler, så det er et stykke igjen til dette blir en rutinemessig metode for å studere universet. Nye og forbedrede observatorier bygges og planlegges, så det er bare et spørsmål om tid.

Jeg syns det er vanskelig å sette ord på hvilken enorm prestasjon det var å påvise gravitasjonsbølger. Bølgene fra de to sorte hullene forårsaket en endring i lengden av armene ved LIGO-observatoriet som var mindre enn én tusendel av størrelsen til den minste atomkjernen, hydrogen!

LIGOs oppdagelse bekreftet enda en forutsigelse fra den generelle relativitetsteorien, men betydningen er langt større enn som så. Vi har fått en ny måte å studere universet på. Det betyr at vi kan lære om sorte hull og andre ekstreme objekter på en helt annen måte enn tidligere. Et nytt vindu ut mot kosmos er åpnet, og all erfaring tilsier at vi kan vente oss helt nye og uventede funn.

0 kommentar(er).

Takk! Din kommentar vil nå bli moderert

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.
Obligatoriske felt er merket med *