Det var stort da forskere ved LIGO-observatoriene for første gang bekreftet å ha målt gravitasjonsbølger i 2016.

Det var to svarte hull som sirklet tett og smeltet sammen som var opphavet til signalet. Gravitasjonsbølger er krusninger i selve romtiden som forflytter seg i lysets hastighet.

Bølgene lages av ekstreme hendelser som kolliderende svarte hull og supernovaer. Det er også forventet at de kan komme fra nøytronstjerner som ikke er helt runde, ifølge LIGO. De kan til og med være vitne om eksotiske hendelser i det tidlige universet.

Gravitasjonsbølger åpner et nytt vindu for astrofysikken. I likhet med elektromagnetisk stråling, har gravitasjonsbølger forskjellige bølgelengder.

Forskere bak et samarbeid kalt NANOgrav har brukt pulsarer for å lete etter gravitasjonsbølger. Pulsarer er døde stjerner som «blinker» stødig som en klokke.

Ved å se etter forsinkelser i blinkingen over lang tid, kan forskere oppdage lavfrekvente krusninger i romtiden. Det går år mellom en bølgetopp til neste.

NANOgrav har sett sterke tegn på en lavfrekvent gravitasjonsbølgebakgrunn. De presenterer de foreløpige resultatene i en artikkel i tidskriftet The Astrophysical Journal Supplement Series.

Bakgrunnsummingen fra mange høyttalere

LIGO har kunnet spore sine funn av gravitasjonsbølger tilbake til spesielle hendelser i universet.

Men det skal også finnes en svakere summing, ekkoet av de mange hendelsene i verdensrommet, der er det vanskelig å skille det ene fra det andre.

- Det er som om du er omgitt av mange høyttalere, sier Germano Nardini ved Universitetet i Stavanger til forskning.no.

- Hvis du bare hører en høyttaler med fiolin, så oppfatter du den. Men se for deg at det er millioner av høyttalere som spiller av fioliner som høres mer eller mindre like ut, men som ikke er like.

Nardini forsker på hva man kan oppdage med gravitasjonsbølger og kjenner godt til de nye resultatene fra NANOgrav.

Vi kan se for oss at høytalerne er godt fordelt og at lyden kommer fra alle kanter. Du kan legge merke til de som spiller høyest. Men de fleste vil ikke være mulig å skille fra hverandre.

I det lavfrekvente området som forskere utforsker ved hjelp av pulsarer, er forventningen å finne «bakgrunnsummingen» fra supermassive svarte hull i ringdans. Supermassive svarte hull er de enorme gapene i midten av galakser.

Gjennom universets historie har galakser kommet i nærkontakt med hverandre og smeltet sammen. Dersom de svarte hullene i galaksene svingte seg rundt hverandre i årevis, vil det ha sendt en strøm av bølger gjennom universet.

Innsikt i historien til svarte hull

Det er nettopp et slik signal NANOgrav har funnet tegn på.

- Dette signalet er utrolig forlokkende. Det kan være at orkesteret vårt justerer seg opp, og antyder at vi er i ferd med å høre den store symfonien fra supermassive sorte hull som vi forventer at gjennomsyrer universet, sier Sarah Burke-Spolaor, medlem av NANOgrav, i en pressemelding.

- Hvis dette signalet faktisk er gravitasjonsbølger, vil fremtidig forskning gi mulighet for unik innsikt i hvordan de største svarte hullene og galaksene dannes og utvikler seg, sier hun.

Bølger fra universets begynnelse

Det finnes også andre typer kilder til gravitasjonsbølgebakgrunn. Og de er minst like spennende.

- Denne typen stokastisk bakgrunn er også forventet fra andre kilder som skal ha hendt i det tidlige universet, sier Nardini.

Og med «det tidlige universet» mener han ikke de første millioner år. Men det første minuttet av universets historie.

Denne typen bakgrunnsstøy av gravitasjonsbølger kan sammenlignes med den kosmiske mikrobølgebakgrunnstrålingen. Mikrobølgebakgrunnstrålingen fyller rommet nesten likt overalt og tolkes som en rest etter big bang.

Kildene til gravitasjonsbølger fra det tidlige universet kan komme fra den foreslåtte inflasjonsperioden, eller fra «kosmiske strenger».

En annen mulig kilde er såkalte førsteordens faseoverganger trigget av higgs-partikler, forteller Nardini. Faseoverganger er i det daglige når et stoff går fra en tilstand til en annen, som når is smelter og blir til vann.

Ifølge Nardini skal det være mulig å oppdage gravitasjonsbølgebakgrunnen fra det tidlige universet ved hjelp av pulsarer. Det skal også være mulig ved hjelp av andre metoder, som det planlagte romobservatoriet for gravitasjonsbølger, LISA.

Fyrtårn i rommet

«Observatoriet» som forskerne i NANOgrav har brukt, er en samling med pulsarer i Melkeveien.

De har observert og analysert 45 pulsarer over en periode på 12,5 år. Hver pulsar i minst tre år.

Pulsarer er nøytronstjerner som roterer raskt. De sender ut radiostråling fra polene. Mens de roterer vil det se ut som pulsaren blinker i det den sveiper over himmelen.

- Pulsaren er som et fyrtårn. Du ser lyset fra fyrtårnet når du er på linje med det ute på sjøen, sier Germano Nardini til forskning.no.

De raskeste pulsarene kan rotere flere hundre ganger i sekundet.

- Disse pulsarene snurrer omtrent like raskt som kjøkkenblenderen din, sier Joseph Simon, en av forskerne bak studien i en pressemelding.

Slike pulsarer nærmer seg å være like gode tidsangivere som atomklokker.

Bølger forsinker eller framskynder

Så hvordan kan forskere påvise gravitasjonsbølger ved hjelp av blinkende stjerner?

Her passer det å bruke havet som analogi igjen. Germano Nardini forklarer.

- Se for deg en båt som kommer fra England og en fra Danmark. De ankommer Stavanger. Hvert sekund hver dag reiser en ny båt. Hele tiden følger de samme vei og har samme fart, si 10 kilometer i timen.

- Etter en stund vet du nøyaktig når hver båt vil ankomme, dette er modellen, sier Nardini.

Men så blir det store bølger på sjøen.

- Båten reiser fortsatt med en fart på ti kilometer i timen, men veien vil bli lenger.

Da vil båtene begynne å komme inn til Stavanger senere enn forventet.

Litt på samme måte ser forskere på om signalet fra pulsarer er forsinket eller fremskyndet. Det kan bety at det er bølger som strekker og komprimerer rommet mellom pulsaren og jorden.

To muligheter

Forskerne i NANOgrav ser at timingen på blinking fra pulsarene avviker noe fra det som er forventet.

- Dette er veldig interessant fordi vi har stor tillit til at modellene er korrekte. Så det faktum at det ikke stemmer overens er et spennende problem, sier Nardini.

Da er det to muligheter, sier han.

- Den ene er at noe er feil med modellen.

Forskere må for eksempel ta høyde for at jorden beveger seg, og et knippe andre faktorer.

- Den andre muligheten er årsaken til at dette eksperimentet eksisterer, tilstedeværelsen av gravitasjonsbølger, sier Nardini.

For å bekrefte at det er gravitasjonsbølger som er opphavet til uoverstemmelsen, må et særegent mønster dukke opp. Ifølge en pressemelding fra JPL skal «gravitasjonsbølgebakgrunnen påvirke timingen for pulsarene litt annerledes basert på deres posisjoner i forhold til hverandre».

Foreløpig er ikke mønsteret tydelig nok i NANOgrav-dataene. Forskerne planlegger å utvide datasettet med resultater fra andre prosjekter som også har fulgt pulsarer.

Etter et par år vil de ha et svar, forventer Scott Ransom, leder av NANOgrav.

- Vi analyserer for øyeblikket over et dusin år med data, men en endelig deteksjon vil trolig ta et par år til. Det er flott at disse nye resultatene er akkurat det vi forventer å se når vi kryper nærmere en deteksjon.

- Viktig

Dersom det viser seg at NANOgrav har oppdaget gravitasjonsbølger, vil det være stort, sier Nardini.

- Hvis det kommer fra supermasssive svarte hull, er det det veldig viktig. Vi kjenner ikke fullstendig historien av hvordan binære supermassive svarte hull blir til.

- Og om det er fra det tidlige universet, så ville det vært fantastisk. Det tidligste signalet vi har fra universet er den kosmiske mikrobølgebakgrunnstrålingen.

Det er ikke mulig å se lenger tilbake i tid enn 380 000 år etter big bang, til mikrobølgebakgrunnen. Da hadde universet kjølt seg ned nok til at hydrogen kunne formes. «Tåken» lettet, fotoner kunne reise gjennom rommet. Det ble sikt i universet.

Ved hjelp av gravitasjonsbølger kan forskere kanskje «se» enda lenger tilbake i tid.

Referanse:

Md F. Alam, m. fl: «The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Observations and Narrowband Timing of 47 Millisecond Pulsars», The Astrophysical Journal Supplement Series, 21. desember 2020. Sammendrag.

Nå vet forskerne mye mer om The Big Bang, men venter på gode nok måleinstrumenter som kan oppdage strålene fra starten på universet

De kaller det et epokegjørende gjennombrudd i analyser av gravitasjonsbølger.