04.03.16: I flere tiår har forskerne jaktet på bevis for gravitasjonsbølger, men samtlige forsøk hittil har ikke ført frem siden instrumentene ikke har vært følsomme nok til å oppdage disse. Men nå i ettermiddag fikk vi endelig beviset – 100 år etter at Einstein forutsa fenomenet!

av Anne Mette Sannes og Knut Jørgen Røed Ødegaard

Tunge himmellegemer krummer rommet rundt seg.
Illustrasjon: Wikipedia

National Science Foundation inviterte torsdag ettermiddag forskere fra Caltech, MIT og LIGO Scientific Collaboration (LSC) til pressekonferanse vedrørende oppdagelser gjort med LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) som er konstruert for å lete etter gravitasjonsbølger – krusninger i tidrommet.

Den fantastiske oppdagelsen som nå er gjort, åpner et nytt vindu mot verdensrommet og gjør oss i stand til å observere eksotiske og merkelige fenomener milliarder av lysår unna. Gravitasjonsbølgene som ble observert i september 2015 skyldes to sorte hull som smeltet sammen 1,3 milliarder lysår unna oss.

De sorte hullene hadde hver en masse på henholdsvis 29 og 36 ganger Solens masse, mens eventhorisontene hadde en diameter på rundt 180 kilometer. Objektene beveget seg stadig nærmere hverandre og med stadig økende hastighet mens de forårsaket bølger i selve rommet rundt – gravitasjonsbølger. Til slutt dundret eventhorisontene inn i hverandre mens de sorte hullene beveget seg med halvparten av lysets hastighet. De stadig sterkere gravitasjonsbølgene spredte seg som ringer i vann helt til de nådde LIGO-instrumentet i USA sist høst. Hendelsen var den uten sammenligning voldsomste som har blitt observert i Universet, og et kort øyeblikk sendte fenomenet ut 50 ganger mer energi enn hele resten av Universet sender ut i synlig lys! På brøkdelen av et sekund ble en masse tilsvarende tre solmasser omdannet til energi i form av gravitasjonsbølger.

Gravitasjonsbølger både strekker og komprimerer selve rommet mens de passerer forbi og kan registreres som en slags rystelse dersom man har et tilstrekkelig fintfølende instrument, slik som LIGO.

Gravitasjonsbølger ble forutsagt av Albert Einstein i 1916 gjennom den generelle relativitetsteorien som sier at når en masse akselererer, sender den ut energi i form av gravitasjonsstråling som ingen på den tiden hadde forventet. Bevis for slike gravitasjonsbølger er den eneste komponenten i Einsteins teorier som man ennå ikke har klart å finne bevis for via observasjoner eller eksperimenter.

Se Brian Greene forklare oppdagelsen av gravitasjonsbølger på “The Late Show”!

Hva er egentlig gravitasjonsbølger?

På samme måte som et objekt skaper bølger i vann, vil bevegelser i rommet forårsaket av for eksempel to sorte hull som kolliderer eller to pulsarer som smelter sammen, skape gravitasjonsbølger – masse skyver på selve rommet og skaper bevegelse. Men siden denne forskyvningen er ekstremt liten, mye mindre enn bredden på et atom, er det ingen enkel sak å registrere slike bølger. En slik hendelse bør ikke bare spre seg gjennom galaksen, men overalt i tidrommet. Det betyr at vi i prinsippet kan observere gravitasjonsbølger selv fra de fjerneste objektene i verdensrommet.

Todimensjonal fremstilling av gravitasjonsbølger som dannes av to nøytronstjerner som går i bane rundt hverandre.
Animasjon: NASA

Binært system bestående av to masserike objekter som går i bane rundt hverandre, er en viktig kilde for gravitasjonsbølge-astronomi. Systemet avgir gravitasjonsbølger mens objektene sirkler rundt hverandre, og disse tar med seg energi og moment fra objektene og gjør derfor at banene minsker. Bildet viser et binært system med to hvite dverger, en viktig kilde for rombaserte måleinstrumenter som eLISA. Når de to hvite dvergene etter hvert smelter sammen, kan det resultere i en supernovaeksplosjon, vist i det nederst bildet.
Illustrasjon: NASA

I 2014 trodde forskere som arbeidet ved BICEP-2-teleskopet i Antarktis at de hadde sett tegn på gravitasjonsbølger fra Big Bang, men etter nærmere analyser av observasjonene viste det seg at det de hadde sett, var effektene av støv i fjerne deler av verdensrommet.

I 1993 fikk to forskere nobelprisen for studier av en binær pulsar som oppførte seg på en måte som var naturlig å forklare ut ifra Einsteins forutsigelser: Gravitasjonsbølger ville trekke bort baneenergi fra de to masserike objektene slik at disse ville gå i spiral stadig nærmere hverandre. Men dette ble betraktet som et indirekte og ikke et endelig bevis.

Men forskerne er sikre på at slike bølger i rommet finnes, ellers ville ikke kosmisk fysikk hatt mening. Og for å finne endelige bevis, har fysikerne foreslått flere rombaserte observatorier, men kanskje får vi dette beviset allerede i dag!

Datasimulering av gravitasjonsbølger sendt ut av to gigantiske sorte hull som går i spiral mot hverandre.
Illustrasjon: C. Henze/Nasa

Hva betyr et endelig bevis for gravitasjonsbølger?

Den endelige bekreftelse på Einsteins teori om gravitasjonsbølger vil som sagt fullføre den siste «missing link» i Einsteins teorier, men åpner også for helt nye spørsmål om Universet, som for eksempel hvorfor 96 % er usynlig og umålbar i form av mørk materie samt den enda mer mystiske, mørke energien. Hvorfor er Universet stabilt, og finnes det flere univers? Hvordan oppsto Universet? Svarene på disse spørsmålene vil vi få få vite mer om nå som gravitasjonsbølger er påvist.

Siden tyngdekraft kan gi svar på spørsmål om starten på Universet for 13,8 milliarder år siden, ser astronomene også tilbake i tid. Men de er ikke i stand til å se helt tilbake til begynnelsen. De siste 380 000 årene var det så tett og ugjennomsiktig lyset ikke kunne bevege seg gjennom den tykke «suppen». Det vi ser ved dette tidspunktet, kalles den siste spredningsflate.

Utvidelsen av universet fra start (til venstre) for 13,8 milliarder år siden og frem til i dag (til høyre). Siste spredningsflate vises i grønt og blått ved t = 380 000 år. Klikk på bildet for større versjon. 
Illustrasjon: NASA/WMAP.

Gravitasjonsbølger fra starten av Big Bang

De mest anerkjente teoriene for Universets opprinnelse beskriver hvordan det helt i starten gjennomgikk en dramatisk, men ytterst kortvarig epoke med ekstremt kraftig ekspansjon – inflasjon – og som fikk store konsekvenser for Universet slik vi observerer det i dag. Forskerne mener at inflasjonsperioden trolig forårsaket gravitasjonsbølger, og at disse i tilfelle fortsatt finnes i dagens univers. Ved å registrere og måle slike bølger fra Big Bang, kan vi derfor få fantastisk kunnskap om forholdene helt i starten av Universets begynnelse! I tillegg mener forskerne at effekten av gravitasjonsbølgene bør kunne observeres i den kosmiske bakgrunnsstrålingen – lyset fra den siste spredningsflaten.

Gravitasjonsbølger kan også gi oss mulighet til å studere ekstreme og voldsomme fenomener milliarder av lysår unna i alle deler av dagens univers!

Film som viser kollisjonen mellom Andromedagalaksen og Melkeveien om 4 milliarder år og gravitasjonsbølgene som blir sendt ut når de superstore sorte hullene i sentrum smelter sammen. Animasjon: NASA

Datasimulering som viser kollisjonen mellom to sorte hull, en fenomenalt voldsom hendelse observert for første gang med LIGO-instrumentet. Simuleringen viser hvordan sammensmeltningen ville sett ut dersom vi hadde vært i nærheten. Filmen viser utviklingen 100 ganger saktere enn virkelig hastighet. Klikk på bildet for å starte animasjonen.
Illustrasjon/animasjon: LIGO team

Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!

MER INFORMASJON

LISA Pathfinder