Tyngdekraften fra et supermassivt hull suger til seg gass fra en nærliggende stjerne. Slike svarte hull sender også ut tyngdekraftbølger som kan sette Einsteins generelle relativitetsteori på nye og tøffere prøver – og dermed kanskje vise ny vei mot den store forente teorien – som forener teoriene for det aller minste og det aller største, kvantefysikken og den generelle relativitetsteorien. (Illustrasjon: NASA/JPL Caltech)
Tyngdekraften fra et supermassivt hull suger til seg gass fra en nærliggende stjerne. Slike svarte hull sender også ut tyngdekraftbølger som kan sette Einsteins generelle relativitetsteori på nye og tøffere prøver – og dermed kanskje vise ny vei mot den store forente teorien – som forener teoriene for det aller minste og det aller største, kvantefysikken og den generelle relativitetsteorien. (Illustrasjon: NASA/JPL Caltech)

Imponerende funn bekrefter bare gamle teorier

Men gravitasjonsbølge-oppdagelsen gir håp om ny fysikk.

Publisert

Gravitasjonsbølger er endelig funnet ved hjelp av ørsmå vibrasjoner i kilometerlange laserstråler.

Eksperimentet LIGO viser det forskere helt siden Einsteins tid har trodd, men ikke visst: Voldsomme kosmiske hendinger kan sende sjokkbølger av tyngdekraft gjennom rommet med lysets hastighet – bølger som fordreier selve tidrommet.

Endelig bevis

Det vil si – allerede i 1974 klarte to forskere å frambringe indisier for disse bølgene.

Russell Alan Hulse og Joseph Hooton Taylor, Jr. studerte to nøytronstjerner i rask rotasjon rundt hverandre, og fant tegn til gravitasjonsbølger påvirket banene deres. For dette fikk de Nobelprisen i 1993.

De siste observasjonene med LIGO-instrumentet er likevel det endelige beviset på at gravitasjonsbølger finnes.

Illustrasjon av hvordan tyngdekraftbølger vil spre seg ut fra to stjerner som roterer omkring hverandre. Disse stjernene er nøytronstjerner. De har en stor tetthet, og dermed sterk tyngdekraft, som lager bølgene. (Foto: (Illustrasjon: SKA Organisation/Swinburne Astronomy Productions))
Illustrasjon av hvordan tyngdekraftbølger vil spre seg ut fra to stjerner som roterer omkring hverandre. Disse stjernene er nøytronstjerner. De har en stor tetthet, og dermed sterk tyngdekraft, som lager bølgene. (Foto: (Illustrasjon: SKA Organisation/Swinburne Astronomy Productions))

Håp om motbevis

Men hva om de ikke fantes? Det ville vært en mye, mye viktigere oppdagelse for fysikken. Da ville Einstein rotert i graven, men ikke nødvendigvis av fortvilelse.

Uventede funn er nemlig mer interessante for fysikerne. De åpner for nye teorier. Derfor er flere forsøk gjort på å gjendrive Einsteins generelle relativitetsteori.

Intet nytt under solen

Ett av de mest spektakulære er Gravity Probe B – en enda større teknisk prestasjon enn LIGO, om mulig.

To små glasskuler – polert til presisjon tilsvarende en meter hvis kula var på størrelse med jordkloden – roterte vektløse i en satellitt.

Kulene skulle vise en spesiell subtil konsekvens av relativitetsteorien – kalt framedragging.

Også den gangen – i 2011 – var pressekonferansen en triumf for teknologien og en nedtur for forskningen. Einstein hadde rett, nok en gang. Det var intet nytt under solen.

Gravity Probe B ble skutt opp i 2004. De roterende kulene fungerte som gyroskoper. Avdriften deres var så liten at hvis de ble satt til å spinne mens dinosaurene levde på jorda, ville rotasjonsaksen fortsatt være innenfor en grads avvik i dag. Med denne presisjonen og en enorm datakraft klarte forskerne i 2011 å vise at Einsteins generelle relativitetsteori fortsatt holdt. (Foto: (Illustrasjon: NASA))
Gravity Probe B ble skutt opp i 2004. De roterende kulene fungerte som gyroskoper. Avdriften deres var så liten at hvis de ble satt til å spinne mens dinosaurene levde på jorda, ville rotasjonsaksen fortsatt være innenfor en grads avvik i dag. Med denne presisjonen og en enorm datakraft klarte forskerne i 2011 å vise at Einsteins generelle relativitetsteori fortsatt holdt. (Foto: (Illustrasjon: NASA))

Bølger fra kraftige tyngdefelt

Så – er det intet nytt under solen denne gangen også? Det virkelig interessante med LIGO-funnet er ikke at gravitasjonsbølger er funnet.

Det interessante er at forskerne nå har fått et instrument som gjør dem i stand til å undersøke hvordan disse gravitasjonsbølgene faktisk oppfører seg.

– Alle tidligere tester av den generelle relativitetsteorien er gjort i svake tyngdekraftfelt, som for eksempel Gravity Probe B i bane rundt jorda, sier Per Barth Lilje til forskning.no. Lilje er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk på Universitet i Oslo.  

Nytt vindu mot universet

Det LIGO nå har sett, er bølgene fra de enormt sterke tyngdefeltene rundt to svarte hull som smelter sammen til ett.

Per Vidar Barth Lilje (Foto: UiO)
Per Vidar Barth Lilje (Foto: UiO)

–Vi kan nå sette Einsteins generelle relativitetsteori på prøve i sterke tyngdefelt. Det kan gi uventede resultater, sier Lilje.

– Gravitasjonsbølgene har også åpnet et nytt vindu mot universet for oss, fortsetter han.

En ny gren av astronomien er født – gravitasjonsbølgeastronomi.

Bølger fra de første tider

Gravitasjonsbølger har egenskaper som gjør dem mye bedre egnet til å se utover i universet enn de bølgene som astronomer og kosmologer hittil har brukt – lys, radiobølger, røntgenstråler, gammastråler – alle slags elektromagnetiske bølger.

Gravitasjonsbølger lar seg ikke stoppe av noe. De bølger gjennom tidrommet fra universets yttergrenser – gjennom galaksehoper, støvskyer, alt som kan stenge for eller forstyrre lys og andre elektromagnetiske bølger.

Ja – gravitasjonsbølgene duvet også gjennom urplasmaet i universets første hundretusener år etter det store smellet – den fortsatt hypotetiske men sannsynlige starten på vårt univers.

På den tida var universet ugjennomsiktig for lys, men ikke for gravitasjonsbølger. Det betyr at forskerne kan bruke gravitasjonsbølger til å se helt tilbake mot det store smellet.

NASA har illustrert universets begynnelse og utvikling slik. Størrelsen økte voldsomt i begynnelsen. Etterpå fortsatte det å utvide seg, men i et lavere tempo. (Foto: (Illustrasjon: NASA))
NASA har illustrert universets begynnelse og utvikling slik. Størrelsen økte voldsomt i begynnelsen. Etterpå fortsatte det å utvide seg, men i et lavere tempo. (Foto: (Illustrasjon: NASA))

Gravitasjonsbølger opp i støv

En teori – framsatt av blant andre fysikerne Alan Guth og Andrej Linde – gikk ut på at ørsmå kvantefluktuasjoner – partikler som oppstår og går til grunne hele tiden – var så intense i de første mikrosekundene etter det store smellet at de skapte gravitasjonsbølger.

Disse gravitasjonsbølgene fra de første tider ble så voldsomt oppforstørret da universet – fortsatt etter Guth og Lindes hypotese – utvidet seg voldsomt og raskt i disse første mikrosekundene.

Restene av påvirkningen fra disse gravitasjonsbølgene burde vi fortsatt kunne se i form av variasjoner i den kosmiske bakgrunnsstrålingen – den svake hviskingen av radiobølger fra alle universets hydrogenatomer.

Våren 2014 trodde forskerne at disse variasjonene var funnet. Instrumentet BICEPS på Sydpolen hadde sett mønstre i den kosmiske bakgrunnsstrålingen som svarte til forventningene.

Så ble det klart at disse mønstrene skyldes virkningen av støv i vårt eget Melkeveisystem.

Svarte hull finnes

LIGO-eksperimentet har ikke sett gravitasjonsbølger fra det store smellet. Bølgene de har oppdaget er fra to svarte hull som smeltet sammen for rundt en milliard år siden i retning av de magellanske skyene på den sydlige stjernehimmel.

Funnet bekrefter altså enda noe som forskerne lenge har regnet for sikkert, men nå vet sikkert: Svarte hull finnes. LIGO har funnet gravitasjonsbølger som er de først direkte påvisbare effekter av svarte hull.

Det unge universet bestod nesten bare av hydrogen. Dette hydrogenet glødet, og denne gløden kan vi fortsatt se som radiobølger i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, her observert fra romobservatoriet Planck. (Foto: (Bilde: ESA/Planck Collaboration))
Det unge universet bestod nesten bare av hydrogen. Dette hydrogenet glødet, og denne gløden kan vi fortsatt se som radiobølger i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, her observert fra romobservatoriet Planck. (Foto: (Bilde: ESA/Planck Collaboration))

Super-LIGO i rommet

LIGO baner også veien for nye og enda mer ambisiøse tekniske prosjekter som lodder dybdene i tid og rom ved hjelp av gravitasjonbølger.

Slike instrumenter kan flyttes ut i verdensrommet. Her kan instrumentene også bygges mye større.

Flere satellitter med millioner kilometers avstand kan forstørre opp de ørsmå avbøyningene av laserstrålene enda mer enn den fire kilometer lange tunnelen til LIGO.

– ESA har vedtatt å sende opp et slikt eksperiment rundt 2034, forteller Lilje.

Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) vil bestå av tre satellitter i bane rundt sola. Avstanden mellom dem vil være rundt en million kilometer.

Gravitasjonsbølger fra universets ungdom

Dette gjør dem i stand til å oppdage gravitasjonsbølger fra større objekter. Jo større objektene er, desto lengre vil nemlig gravitasjonsbølgene være.

Og jo større objektene er, desto mer intense vil tyngdefeltene være, og Einsteins teorier vil settes på enda tøffere prøver.

– De neste 20 år vil vi også kunne se gravitasjonsbølger fra supermassive svarte hull og kvasarer, sier Lilje.

eLISA vil bestå av tre romobservatorier i bane rundt sola. De vil fly en million kilometer fra hverandre. Laserstråler over slike avstander vil avbøyes av gravitasjonsbølger fra for eksempel supermassive svarte hull, som vist i illustrasjonen. (Foto: (Illustrasjon: EADS Astrium/ESA))
eLISA vil bestå av tre romobservatorier i bane rundt sola. De vil fly en million kilometer fra hverandre. Laserstråler over slike avstander vil avbøyes av gravitasjonsbølger fra for eksempel supermassive svarte hull, som vist i illustrasjonen. (Foto: (Illustrasjon: EADS Astrium/ESA))

Kvasarer er strålingen fra områdene rundt svarte hull i sentrum av galakser. Disse galaksene er veldig langt unna. Bølgene fra dem har vært underveis siden universets ungdom.  

Men vil slike observatorier kunne se gravitasjonsbølgene fra selve det store smellet?

Ut av dødvannet

– Nei, det er umulig. Disse bølgene er like lange som universet selv. De kan bare påvises indirekte ut fra den kosmiske strålingen, sier Lilje.

Likevel – i siste instans kan tyngdekraftbølger fra kvasarer, svarte hull og andre kraftige tyngdefelt bringe fysikken ut av et dødvann som også et annet storstilt eksperiment foreløpig sirkler rundt i – Large Hadron Collider i CERN.

Higgs-partikkelen er funnet. Imponerende teknisk, men hva så? Standardmodellen er bare stedt enda mer til hvile i sin nåværende form, slik LIGO foreløpig bare har latt Einstein hvile i fred.

Inn mot den store, forente teorien

Ville Einstein vært fornøyd i dag hvis han fikk høre at gravitasjonsbølgene er funnet? Sikkert. Og samtidig – kanskje ikke.

Nysgjerrige og ærgjerrige forskere håper nemlig på den neste store radbrekkende observasjonen som skal splintre det gamle for å bane veien for det nye.

Det gamle – som sperrer – er den foreløpig uangripelige standardmodellen og Einsteins generelle relativitetsteori, de to store teoriene som ikke lar seg forene i det alle fysikere lengter etter men ikke finner – den store forenede teorien.

Kan gravitasjonsbølgeastronomien gi denne radbrekkende observasjonen en gang i framtida?

– Gravitasjonsbølger fra kraftige tyngdefelt kan bli den kilen vi trenger for å bryte opp gamle teorier og trenge inn mot den store forente teorien, sier Lilje.

Lenker:

Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction, nyhetsmelding fra LIGO Caltech

Nettstedet til Advanced LIGO ved MIT

Gravitational waves found, black-hole models led the way, nyhetsmelding fra Los Alamos National Laboratory

eLISA, informasjon om de tre romsondene som skal lete etter gravitasjonsbølger

Advance thoughts on LIGO, blogginnlegg av fysikeren Matt Strassler.