Klassekampen.no
Torsdag 3. mars 2016
Mørk dans: Datasimulering av to svarte hull som kolliderer. Dette er en spektakulær hendelse som ble registrert for første gang noensinne 11. februar i år. Foto: Reuters/SXS (Simulating eXtreme Spacetimes)
Ploooupp, sa det. Lyden vil bli stående som et vitenskapshistorisk tidsskille – lenge, skriver Jostein Riiser Kristiansen.
Ny musikk fra det ytre rom

To enorme svarte hull kolliderte for 1,3 milliarder år siden. En kollisjon så voldsom at tid og rom begynte å skjelve – en skjelving som siden har bredt seg utover med lysets hastighet, og som 14. september sist høst passerte jordkloden.

På en pressekonferanse 11. februar ble vi presentert for et lydsignal: «Ploooupp». En puslete liten lyd som ga meg ukontrollerte skjelvinger av begeistring. Dette var verdenshistorie. Forskerne bak det USA-baserte LIGO-eksperimentet hadde gjort en oppdagelse som vil bli stående som en før-og-etter-markør i vitenskapshistorien i hundrevis av år.

Skjelvingene i tid og rom kalles gravitasjonsbølger, og de har nå blitt observert direkte for første gang. Oppdagelsen gir oss innsikt i de mystiske svarte hullenes fysikk. Dessuten er Albert Einsteins hundre år gamle forutsigelse av bølgene bekreftet. Einstein fikk rett – igjen.

Men det virkelig store er det nye vinduet som med ett har åpnet seg mot universet. En ny mulighet til å utforske kosmos – en mulighet av bølgende tid og rom som vi bare så vidt aner rekkevidden av.

Bølger av tid og rom kan høres abstrakt ut. Men bølger er i seg selv ikke et ukjent fenomen. Hvis vi rister en badeball opp og ned i vann, vil det skapes vannbølger. Når vannbølgene når fram til en annen badeball, vil også den begynne å riste opp og ned, i akkurat samme takt. Lys er også bølger, men der vannbølger skapes av ristende badeballer, vil lysbølger dannes når partikler med elektriske ladninger ristes.

Fakta:

Gravitasjonsbølger:

• Gravitasjonsbølger er svingninger i rommets geometri som brer seg som bølger i lysets hastighet. De er en konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori.

• For at et system skal sende ut gravitasjonsbølger, må det være asymmetrisk og rotere eller endre fasong, eksempelvis to stjerner som beveger seg rundt hverandre.

• Gravitasjonsbølgedetektoren LIGO (forkortelse for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, se bilde) består av to L-formede antenner; én i Hanford i Washington og én i Livingston i Louisiana.

• Når en gravitasjonsbølge passerer en slik L-formet detektor, endres lengdene til de to rette delene av L-en litt forskjellig.

Kilde: Store Norske Leksikon

Forfatteren:

• Jostein Riiser Kristiansen er astrofysiker og førsteamanuensis ved Høgskolen i Oslo og Akershus.

• Han er forfatter av den populærvitenskapelige boka «Det usynlige universet».

Gravitasjonsbølger er ikke helt ulike bølgene over. Men for å lage gravitasjonsbølger, rister vi ikke på elektroner eller badeballer. Vi rister på noe som har masse, noe som veier noe. For å få gravitasjonsbølger, må i tillegg den massen vi rister på, ha en ujevn struktur – for eksempel to tunge ting plassert nær hverandre.

I Einsteins generelle relativitetsteori er det vi opplever som tyngdekrefter et resultat av at rom og tid – romtiden – kan krumme, tøye og strekker seg som slike gumminett vi trer utenpå vinflaskene i taxfree-handelen. En gravitasjonsbølge er en bølge av tøyd rom og tid. Tenk deg en usannsynlig kraftig gravitasjonsbølge som passerer en flokk giraffer. Hvis vi observerer girafflokken fra utsiden, vil vi da kunne se at noen av giraffhalsene strekker seg oppover, mens andre klemmes nedover og blir tjukkere. Denne bevegelsen vil bre seg gjennom flokken med lysets hastighet.

Vi merker heldigvis lite til slike skjelvingene i romtiden i det daglige. Grunnen er at gravitasjonskreftene er ekstremt svake sammenlignet med for eksempel de elektriske kreftene. Dermed må vi riste ekstremt heftig på ekstremt massive objekter for å lage gravitasjonsbølger som er mulige å observere.

Det er slik ekstremristing av ekstremmasser de observerte svarte hullene har tilbudt oss. Svarte hull er objekter som er så kompakte og omgir seg med så sterke tyngdekrefter at selv ikke lyset kan slippe ut. De kolliderende svarte hullene som ble observert av LIGO hadde hver en masse som var rundt 30 ganger solas (som i sin tur er mer enn 300.000 ganger jordas masse). Men i disse svarte hullene var massen pakket så tett at hvis vi hadde plassert sentrum av et av dem i Oslo, ville ytterkanten befinne seg omtrent ved Kongsberg og Sarpsborg.

De svarte hullene hadde antagelig danset rundt hverandre i millioner av år før kollisjonen fant sted. Først var de langt fra hverandre, men gjennom runddansen ble gravitasjonsbølger sendt ut. I prosessen mistet de svarte hullene energi og falt litt nærmere hverandre. Dermed økte også farten i dansen, og det ble sendt ut enda mer gravitasjonsbølger. Slik fortsatte de svarte hullene inn mot hverandre, stadig tettere og raskere, som to intense og svettende dansepartnere til lyden av stadig raskere musikk. Til slutt var avstanden så liten at de to legemene beveget seg med halvparten av lyshastigheten og snurret flere runder hvert sekund. De utsendte bølgene var nå så kraftige at en endelig sammensmelting var uunngåelig. Og i en siste raptus smeltet de sammen og ble ett, som i et glefsende tungekyss ved dansens slutt. Det nye svarte hullet ristet litt på seg og sendte ut de siste og kraftigste gravitasjonsbølgene før det roet seg ned til ett stort, svart beist.

I denne, i menneskelig målestokk, uendelig lange dansen var det bare de heftigste gravitasjonsbølgene fra de siste 0,2 sekundene som ble registrert av LIGO-eksperimentet.

LIGO-eksperimentet kan godt sees på som et par oppskalerte, mekaniske giraffhalser. Oppsettet består av to fire kilometer lange armer som er plassert i en L-form. Langs armene sendes det ut laserlys som reflekteres av fritthengende speil i endene. Når lyset kommer tilbake, sammenlignes de to lysstrålene som har reist hver sin vei. Hvis en gravitasjonsbølge passerer, vil selve rommet i den ene retningen trekke seg sammen, mens rommet i den andre retningen strekker seg ut. Reisetiden til de to lysstrålene vil da endres, og det er denne endringen som måles.

Gravitasjonsbølgene som ble oppdaget førte til en nesten ufattelig liten endring i lengden til de to armene. Den ene armlengden strakte seg med en lengde tilsvarende en tusendel av en atomkjerne, mens den andre trakk seg sammen tilsvarende lite. Mens gravitasjonsbølgen passerte, byttet de to armene på å strekke seg og trekke seg sammen i takt med hvordan de svarte hullene hadde rotert rundt hverandre i løpet av det siste heftige tungekysset. Selv om signalet var ørlite, var det stort nok til at det kunne observeres tydelig. Og formen på bølgene stemte perfekt med hva man hadde forventet av to kolliderende svarte hull.

To like eksperimentoppsett er plassert to ulike steder i USA. Begge eksperimentene så det samme signalet, med en liten tidsforskjell som skyldes at bølgene brer seg med lysets hastighet. Ved å se på tidsforskjellen kan vi konkludere med at signalet må komme fra den sørlige himmelhalvkulen. Det har altså reist gjennom jordkloden, uten å stanse, på sin vei mot LIGOs mekaniske giraffhalser.

Ettersom svarte hull ikke sender ut lys, ga observasjonen oss et unikt innblikk i hva som foregår rundt disse myteomspunne objektene. Og det er interessant. Svarte hull er legemer som lenge har vært godt beskrevet i form av ligninger og simuleringer. Men observasjonene, selve sammenligningen med virkeligheten, har vært sparsommelige og indirekte. Så langt ser det ut til at teori og observasjoner stemmer perfekt overens.

Men først og fremst er oppdagelsen et startskudd for alt som skal komme. Når vi har sittet her i jordhjemmet vårt og sett ut mot universet, har vi så langt nesten utelukkende studert kosmos gjennom ett vindu. Gjennom det vinduet har vi sett lysbølger. Først synlig lys. Men etter hvert som teknologien har utviklet seg har vi fjernet dogget fra stadig nye ruter i vinduet og sett stadig flere typer av det vi kaller elektromagnetisk stråling. Vi har begynt å observere radiobølger, infrarødt lys, gammastråling og så videre. Og hver gang vi har tatt en kikk gjennom en ny vindusrute, har universet vist oss nye, uventede fenomener.

Med gravitasjonsbølger får vi ikke bare tilgang til en ny vindusrute. Dette er observasjoner som er fundamentalt annerledes enn den elektromagnetiske strålingen. Vi oppdaget et helt nytt vindu, på den andre siden av huset, som vi kan begynne å kikke ut gjennom for første gang. Vi har en god del ideer om hva vi kan forvente å se. I tillegg til svarte hull, forventer vi å kunne bruke gravitasjonsbølger til å blant annet studere noe som kalles nøytronstjerner. I likhet med svarte hull er nøytronstjernene blant universets mest ekstreme objekter. Eller vi kan bruke de nye bølgene til å måle hvor raskt universet har utvidet seg til ulike tider. Og kanskje vi en dag kan bruke gravitasjonsbølgene til å se ekkoet etter selve ursmellet, Big Bang.

Likevel, det kanskje aller mest spennende er hvilke nye og uventede fenomener som vil vise seg gjennom det nye vinduet vårt. Kanskje vil det dukke opp spor av noen underlige, gigantiske strukturer som kalles kosmiske strenger og domenevegger – fenomener som enn så lenge bare er usikre skrivebordshypoteser. Eller kanskje noe helt annet, noe vi ennå ikke har tenkt på?

For det vil komme mer. Oppdagelsen av de kolliderende svarte hullene kom bare en uke etter en større oppgradering av LIGO-eksperimentet. Nå forventer vi at LIGO skal kunne se lignende fenomener med jevne mellomrom. Og LIGO har mer å gå på! I årene som kommer vil ytterligere oppgraderinger føre til at LIGO vil kunne se enda svakere signaler. Dermed vil oppdagelsene både bli flere og annerledes.

Og det stopper ikke med LIGO. 3. desember i fjor sendte den europeiske romorganisasjonen Esa opp romsonden LISA Pathfinder. Denne sonden skal ikke observere gravitasjonsbølger, men skal teste ut teknologi for romobservatoriet eLISA, som er planlagt skutt opp i 2034. eLISA vil bestå av tre satellitter som skal gå i bane rundt sola. Mellom satellittene vil det være laserstråler som reflekteres, akkurat som i LIGO-eksperimentet. Men der LIGO har «armer» på fire kilometer, vil eLISAs armer være én million kilometer lange. Det er mer enn dobbelt så langt som avstanden mellom jorda og månen. Med sine enorme armer vil eLISA kunne observere gravitasjonsbølger med mye større bølgelengde enn det LIGO kan. Dermed vil vi kunne se gjennom nok en liten vindusrute i det nye vinduet vårt.

Det er også en rekke andre planer for hvordan gravitasjonsbølger vil kunne observeres i framtida – gravitasjonsbølger med stadig nye bølgelengder og frekvenser, dannet av stadig nye kjente og ukjente kosmiske fenomener. Vår innsamling av kunnskap om universet har beveget seg inn i en ny era.

Det hele startet med LIGOs observasjon av to kolliderende svarte hull. I sammensmeltingen sendte de svarte hullene ut mer energi enn lyset fra alle stjernene i det observerbare universet til sammen. Resultatet så vi på jorda 1,3 milliarder år senere: 0,2 sekunder med ørlite bøy og strekk i tid og rom. Frekvensen til de oppdagede bølgene ble bestemt av den siste heftige dansen til de svarte hullene. Raskere og raskere rotasjon, høyere og høyere frekvens. Signalet kan oversettes til hørbare lydbølger som kan spilles av gjennom små PC-høyttalere. Et kort, lite lydsignal som øker i tonehøyde etter hvert som de svarte hullenes dans intensiveres: «ploooupp». Så blir lyden borte. Dansen var over for denne gang. Men dansegulvet er åpnet.

joskri@hioa.no

Artikkelen er oppdatert: 16. mars 2016 kl. 10.01

Klassekampen benytter informasjons­kapsler (cookies) så vi kan gi deg bedre service, og for å holde styr på om du er logget inn på våre tjenester. Du kan lese mer om vår bruk av informasjons­kapsler her.

Lukk