Radioastronomer vil bruke blinkende stjerner, pulsarer, til å lete etter de mystiske tyngdekraftbølgene. Einstein forutså dem, men ennå har ingen kunnet påvise dem direkte. Dette er en pulsar i Krabbetåken, omgitt av en glødende gassky. Bildet er sammensatt av fotografier i synlig lys (rødt) og røntgenstråler (blått) tatt med romteleskopet Hubble. (Foto: Synlig lys: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. Røntgen: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.)
Radioastronomer vil bruke blinkende stjerner, pulsarer, til å lete etter de mystiske tyngdekraftbølgene. Einstein forutså dem, men ennå har ingen kunnet påvise dem direkte. Dette er en pulsar i Krabbetåken, omgitt av en glødende gassky. Bildet er sammensatt av fotografier i synlig lys (rødt) og røntgenstråler (blått) tatt med romteleskopet Hubble. (Foto: Synlig lys: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. Røntgen: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.)

Radioblink over hav av tyngdekraft

Finnes bølger av tyngdekraft? Et nytt, stort radioteleskop vil prøve å se svaret i universets fyrtårn – pulsarene. 

Published

Radioblikk mot de første tider

Det nye radioteleskopet Square Kilometre Array vil bestå av hundretusener av antenner på to kontinenter. Hva kan det fortelle oss om det første og det største i universet?

Del 1: Radioøyne mot det første lyset

Her får du oversikten over hvor radioteleskopene skal bygges, hvordan de blir og hva de skal brukes til.

Del 2: Stoffet som forener universet

Hydrogen finnes i vannet vi drikker og i universets fjerneste egner. Astronomene sporer universets historie i radiobølger fra kosmisk hydrogen.

Del 3: Radioblink over hav av tyngdekraft

Her får du høre hvordan universets fyrtårn – pulsarene – kan brukes til å lete etter de mystiske tyngdekraftbølgene som Albert Einstein forutså.

Del 4: Skeivt univers

I middelalderen trodde de fleste at jorda og menneskene befant seg i universets sentrum. Siden har astronomer funnet ut at alle deler av universet er like. Eller – er de det?

I 2024 vil tusener av antenner stå som en metallskog i Sør-Afrikas halvørken. Verdens største radioteleskop, Square Kilometre Array, skal lete etter svar på de store kosmiske spørsmålene. Ett av disse spørsmålene er: Finnes virkelig tyngdekraftbølger?

Tyngdekraftbølgene ble spådd av Albert Einstein da han laget sin generelle relativitetsteori. Bølgene slår ut fra kolliderende svarte hull og andre himmellegemer med veldig sterk tyngdekraft.

Så sprer tyngdekraftbølgene seg som dønninger over havet av tid og rom. De aller høyeste og lengste dønningene burde komme fra eksplosjonen som skapte universet, det store smellet. Da var all masse i universet samlet. Sier teorien.

Sjokkbølgene av tyngdekraft fra det store smellet er preget inn i radiostrålingen fra universet den dag i dag, som et ekko av de første tider. Sier en nyere hypotese.

Sensasjonen fra Sydpolen

Våren 2014 eksploderte en nyhet som også spredte sjokkbølger blant fysikere og videre ut i media: Et observatorium på Sydpolen hadde funnet spor av tyngdekraftbølgene. Hypotesen så ut til å være sann.

BICEP-2, instrumentet som forskerne trodde hadde oppdaget gravitasjonsbølger på Scott-Amundsen-sydpolstasjonen i Antarktis. (Foto: National Science Foundation - Steffen Richter, Harvard University)
BICEP-2, instrumentet som forskerne trodde hadde oppdaget gravitasjonsbølger på Scott-Amundsen-sydpolstasjonen i Antarktis. (Foto: National Science Foundation - Steffen Richter, Harvard University)

Forskere på sydpolstasjonen Amundsen-Scott utnyttet radiostillheten og den klare atmosfæren i isødet. Radioteleskopet BICEP2 fanget opp ørsmå variasjoner i de urgamle radiobølgene fra verdensrommet, den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Det som varierte, var svingeretningen til bølgene. Svingeretningen kalles også polariseringen.

Var disse variasjonene virkelig sporet etter de første sjokkbølgene av tyngdekraft, preget inn i bakgrunnsstrålingen?

Til støv skal du bli …

Utover sommeren og høsten 2014 kom motforestillingene. Retningsmønstrene, polariseringen, kunne blant annet skyldes skyer av støv i vårt eget kosmiske nabolag.

– Støvkornene er magnetiske. Som ørsmå kompassnåler retter de seg inn etter magnetfeltet til Melkeveien. Dermed sender de ut radiobølger med samme retning, samme polarisering, sier den britiske kosmologen Phil Bull til forskning.no.

Romsonden Planck bekreftet disse mistankene. Vinteren 2015 var håpet om å se spor av gravitasjonsbølger døende. Av støv er de oppstått, og til støv ser håpet ut til å bli.

Bølger fra tiden før lyset

Hvorfor lengter fysikerne etter å se gravitasjonsbølger? Hvis de virkelig finnes, så er de i stand til å krysse avgrunner der andre bølger dør hen.

– Gravitasjonsbølgene kan fortelle oss noe om hvor raskt universet utvidet seg etter det store smellet, forteller Bull.

Tyngdekraftbølgene fra kolliderende svarte hull kan også fortelle om hvordan tyngdekraft virker og dermed om de svarte hullenes hemmelighetsfulle indre, forteller han.

Hvis astronomene kunne se gravitasjonsbølger direkte, ville de også få svar på det grunnleggende spørsmålet: Holder Einsteins relativitetsteori fortsatt? Eller må den forkastes for å lage en ny teori, en teori som kan forenes med teorien til partikkelfysikerne – kvantemekanikken?

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))

Svar fra pulsar

Leteaksjonen etter tyngdekraftbølger fortsetter. Om noen år får Bull og kollegene hans det nye verktøyet som kan hjelpe dem et kvantesprang framover. I 2024 vil det enorme radioteleskopet Square Kilometre Array (SKA) stå klart i Sør-Afrika.

Bull er en av mange kosmologer fra hele verden som nå arbeider i grupper for å utvikle SKA.

De mange hundre radioantennene skal blant annet lytte etter gravitasjonsbølger i summingen, fresingen og knatringen fra universets radiofyrtårn – pulsarene.

Små grønne menn

Den første pulsaren ble oppdaget i 1967. Den nordirske astronomen Jocelyn Bell Burnell siktet mot stjernebildet Vulpecula – Reven – med et antenneanlegg ute på landsbygda mellom gress og sauer ved Cambridge i England.

Helt tilfeldig fikk hun høre kosmiske revebjeff: pulser av radiostøy med 1,3 sekunds mellomrom. Pulsene var presise hinsides all nøyaktighet.

De var som et tidssignal fra stjernene. Ikke underlig at Burnell i første omgang døpte det mystiske, regelmessige radiosignalet for LGM-1 – forkortelsen for Little Green Men, små grønne menn.

Pulsar i stjernebildet Vela (seilet) på den sørlige stjernehimmelen, fotografert i røntgenstråler fra romteleskopet Chandra. Vi kan se den raskt roterende, lille supermassive nøytronstjernen i midten som en gulhvit prikk, omgitt av varm gass. Jetstrålen øverst til høyre snor seg som en brannslange, holdt på plass av et kraftig magnetfelt. (Foto: (Bilde: NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al.))
Pulsar i stjernebildet Vela (seilet) på den sørlige stjernehimmelen, fotografert i røntgenstråler fra romteleskopet Chandra. Vi kan se den raskt roterende, lille supermassive nøytronstjernen i midten som en gulhvit prikk, omgitt av varm gass. Jetstrålen øverst til høyre snor seg som en brannslange, holdt på plass av et kraftig magnetfelt. (Foto: (Bilde: NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al.))

Himmelske fyrtårn

Nå vet astronomene at pulsarene ikke er tidssignal fra små grønne menn. De er rester av stjerner som eksploderer – supernovaer.

De aller fleste stjerner roterer mer eller mindre. Vår egen glødende gasskule, sola, roterer for eksempel rundt en gang i måneden, langsommere ved polene.

Når en stjerne eksploderer, slynger den mesteparten av stoffet sitt ut i alle retninger. Bare en kjerne blir igjen. Den roterer mye fortere, fordi den er mye mindre. Effekten er den samme som når en piruettdanser snurrer fortere ved å trekke armene inn mot kroppen.

Rotasjonen gir den snurrende stjernen mye energi. Energien kommer ut i form av et kraftig magnetfelt. Fra de magnetiske polene spytter stjernen ut en smal sprut av radioglødende gass.

Radiogløden sveiper rundt når stjernen snurrer. Noen pulsarer treffer tilfeldigvis jorda med sveipene sine, som fyrtårn på himmelhavet. Dermed kan vi fange opp strømmene av elektrisk gass som radioblink.

Kosmiske tidssignal

Sakte, men sikkert mister pulsarene fart. Det tar likevel opptil 100 millioner år. Målt i korte tidsrom snurrer pulsarene så presist at de kan brukes som kosmiske tidssignaler.

– De er ekstremt presise, like presise som atomklokker, sier Bull.

Med disse tidssignalene håper han at radioteleskopet SKA vil spore opp bølger av tyngdekraft. Einsteins generelle relativitetsteori sier nemlig at jo sterkere tyngdekraft, desto langsommere går tiden.

Med andre ord: Hvis en tyngdekraftbølge glir forbi mellom oss og pulsaren, burde takten på radiopulsene synke ørlite grann.

Gravitasjonsbølgene, tegnet som blått rutenett, glir som dønninger gjennom verdensrommet. Strålene (hvite spiraler) fra pulsarene, tegnet i rødt, blir litt forsinket eller framskyndet av tyngdekraftbølgene. Denne lille tidsforskjellen kan trolig måles av Square Kilometre Array, slik at gravitasjonsbølgene første gang kan påvises direkte. (Foto: (Illustrasjon: SKA Organisation/Swinburne Astronomy Productions, modifisert med rødfarge av forskning.no))
Gravitasjonsbølgene, tegnet som blått rutenett, glir som dønninger gjennom verdensrommet. Strålene (hvite spiraler) fra pulsarene, tegnet i rødt, blir litt forsinket eller framskyndet av tyngdekraftbølgene. Denne lille tidsforskjellen kan trolig måles av Square Kilometre Array, slik at gravitasjonsbølgene første gang kan påvises direkte. (Foto: (Illustrasjon: SKA Organisation/Swinburne Astronomy Productions, modifisert med rødfarge av forskning.no))

Når tiden bølger

For å se disse variasjonene må kollegene til Bull sikte inn SKA mot pulsarer som roterer veldig raskt, flere tusen ganger i sekundet. De må også måle perioden til flere pulsarer samtidig.

– Som regel finner vi perioden ved å trekke gjennomsnittet av mange pulser. Det er mye vanskeligere å måle perioden til hver enkelt puls fra pulsaren, presiserer Bull.

Hvis SKA klarer denne jobben, håper Bull og kollegene hans å se ørsmå forsinkelser på langt under et milliondels sekund forplante seg fra pulsar til pulsar og gli som en usynlig bølge over himmelen. En tyngdekraftbølge.

– Denne bølgen er veldig lang, forteller Bull. – Normalt må du måle over flere år for å kunne se den. Hvis bølgen har en periode på ett år, vil pulsene komme 20 nanosekunder for tidlig i juli og 20 for seint i januar.

Flere radioteleskoper bruker allerede pulsarer for å lete etter tyngdekraftbølger. Noen av dem har begynt å samarbeide internasjonalt.

– Når Square Kilometer Array står klart rundt 2024, vil gravitasjonsbølgene få enda større problemer med å gjemme seg for oss, sier Phil Bull.

Lenke:

Square Kilometre Array, nettsted for prosjektet