25.04.14: En amerikansk forskergruppe har gjort en enestående oppdagelse ved hjelp av et teleskop ved Sydpolen. Oppdagelsen bekrefter både en viktig del av Einsteins relativitetsteori og et omstridt og ytterst dramatisk fenomen som fant sted i starten av Big Bang. Dette er blant de største oppdagelsene som er gjort innen fysikk og astrofysikk de senere årene.

NB! Denne saken ble senere trukket fordi nøyere undersøkelser viste at observasjonene hadde blitt feiltolket. Men se denne saken fra mars 2016 om endelig bevis for gravitasjonsbølger!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

Gravitasjonsbølger fra inflasjonen nesten i starten av Big Bang forårsaker et svakt, men tydelig vridningsmønster i polariseringen av den kosmiske mikrobølge-bakgrunnsstrålingen. Mønsteret kalles også B-mode-mønster. Fra tetthetsfluktuasjonene som forårsaker det meste av polariseringen av bakgrunnsstrålingen, er det ikke noe slikt mønster. Men her ser vi B-mode-mønsteret som ble observert med BICEP2-teleskopet, og som er slik som forventet for gravitasjonsbølger fra denne fasen. Vi ser styrken og retningen på polarisasjonen på ulike deler av himmelen og rød og blå farge viser graden av vridning hhv. med og mot urviseren i B-mode-mønsteret. Grafisk fremstilling: BICEP2-samarbeidet

For 13,8 milliarder år siden oppsto Universet i et fenomen som kalles Big Bang. Tetthet og temperatur var nesten uendelig høy i det tid, rom og energi ble til og rommet begynte å utvide seg svært raskt. Mens temperatur og tetthet gradvis sank, oppsto partikler og etter hvert de enkleste atomkjernene. Etter 380 000 år nådde temperaturen ned til omkring 3000 grader, og gassen som til da hadde vært helt ugjennomsiktig, klarnet plutselig. Lyset fra den varme, men ekspanderende gassen som fylte hele Universet, fikk plutselig fri bane.

I våre dager kan vi observere denne såkalte bakgrunnsstrålingen, ekkoet fra Big Bang, som en mikrobølgestråling som kommer til oss fra alle kanter. Ved å studere denne strålingen, observerer vi Universet nettopp slik det var bare 380 000 år etter starten av Big Bang, og med avanserte modeller kan vi også finne ut hva som må ha foregått enda tidligere.

Solen går ned bak BICEP2 (i forgrunnen) og South Pole Telescope (i bakgrunnen). Foto: Steffen Richter (Harvard University)

Inflasjonen glatter over alt

Et stort mysterium er hvorfor Universet er så jevnt og likt i alle retninger. I 1980 foreslo den amerikanske fysikeren Alan Guth at Universet helt i starten av Big Bang gikk gjennom en ytterst dramatisk ekspansjon som gjorde at alle ujevnheter i tetthet og temperatur ble glattet kraftig ut.

Fenomenet kalles kosmisk inflasjon og fant sted fra omkring 10-36 sekunder etter starten av Big Bang og varte frem til 10-32 sekunder. Universet vokste da kanskje så mye som med en faktor 1050 slik at et volum som opprinnelige var på størrelse med en atomkjerne, ble større enn den delen av Universet vi kan observere i dag. Deretter fortsatte Universet å ese i normalt tempo.

Iskalde målinger av inferno

Men hvordan bevise en så spektakulær teori? Forskerne har i mange år forsøkt å studere den kosmiske bakgrunnsstrålingen ved hjelp av observatorier i rommet, slik som WMAP og Planck. Men på Sydpolen har et større forskerteam satt opp et stort observatorium, BICEP2, for å finne svaret.

BICEP2-prosjektet annonserte nylig at de i løpet av flere år har samlet observasjoner som beviser at kosmologisk inflasjon faktisk fant sted. Men de har samtidig gjort en annen bemerkelsesverdig oppdagelse: De har bevist at såkalte gravitasjonsbølger eksisterer.

Einsteins generelle relativitetsteori gjør en rekke forutsigelser, blant annet at rommet krummes av objekter med stor masse. Dette har blant annet blitt observert under flere totale solformørkelser. Relativitetsteorien sier også at når store objekter raskt endrer form eller beveger seg hurtig rundt andre tunge objekter, dannes det forstyrrelser i selve rommet som sprer seg utover som bølgene fra en speedbåt. Gravitasjonsbølgene forårsaker ørsmå rystelser når de treffer Jorden og passerer forbi oss. Problemet er at disse rystelsene er så små at de til nå ikke har latt seg observere.

BICEP2-teleskopet inneholder 512 superledende mikrobølge-detektorer som er utviklet og produsert ved NASAs Jet Propulsion Laboratory. Foto: Anthony Turner (JPL)

Bølgene presser sammen rommet når de beveger seg og dette forårsaker et helt spesielt mønster i den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Bølgene kan være såkalt polarisert med venstrehendt eller høyrehendt signatur. Det er et slikt mønster som nå avsløres i observasjonene av bakgrunnsstrålingen.

Dermed er et nytt vindu til Universet i ferd med å åpnes. Planlagte observatorier vil bli så følsomme at de kan vise oss rystelsene fra eksploderende stjerner, sorte hull som smelter sammen i kjernene til fjerne galakser, sorte hull som oppstår i dramatiske gammaglimt og andre energirike fenomener der vi til nå bare har kunnet observere omgivelsene og ikke selve hendelsesstedet.

En student tester elektronikken til BICEP2. Foto: Steffen Richter (Harvard University)

Romobservatoriet Planck har gitt oss det til nå mest detaljerte bildet av den kosmologiske bakgrunnsstrålingen. De røde og oransje flekkene er spirene til våre dagers galakser og galaksehoper. Foto: ESA og Planck Collaboration

Mer informasjon

Pressemelding fra Harvard Smithsonian Center for Astrophysics