Klassekampen.no
Torsdag 2. november 2017
Bølger og lys: Det delvis norskfinansierte Nordisk optisk teleskop på La Palma var blant de første teleskopene som kunne registrere gravitasjonsbølger fra de to kolliderende nøytronstjernene i høst. Foto: Jostein Riiser Kristiansen
Kolliderende nøytronstjerner milliarder av lysår unna kan forklare hvor gullet i gifteringen din stammer fra.
Bling fra kosmisk bang

Tenk deg at du tar et voksent menneske og presser det inn i en boks på størrelse med en sukkerbit. Da får du en temmelig tung og tettpakka sukkerbit. Tenk deg at du gjentar denne prosessen, gang på gang, til du har dytta alle menneskene i hele verden inn i denne sukkerbitboksen. Da har du laget deg en sukkerbit som veier noen hundre milliarder kilo. Og du har laget noe som er like tettpakka som en nøytronstjerne.

Men en nøytronstjerne er betydelig større enn en sukkerbit; et typisk eksemplar av arten er omlag 20 kilometer i diameter, den kunne fått plass på en øy som Smøla, og den veier rundt 10 ganger så mye som Sola. Og den er hardere enn diamant.

Tenk deg så at du tar to nøytronstjerner og smeller inn i hverandre med enorm kraft. En slik kollisjon setter spor etter seg. Det lyser, det sendes ut all tenkelig slags stråling, og de ekstreme forholdene gjør at det dannes enorme mengder av tunge grunnstoffer som gull og platina. Og ikke minst, rom og tid – Einsteins tidrom – begynner å skjelve; det sendes ut gravitasjonsbølger.

Nå har forskere for første gang sett gravitasjonsbølger fra kolliderende nøytronstjerner. Og kanskje enda mer spektakulært er det at man fra den samme kollisjonen har gjort observasjoner av radiobølger, infrarød stråling, lysbølger, ultrafiolett stråling, røntgenstråling og gammastråling. Til sammen har alle disse observasjonene brakt oss nærmere svaret på flere store spørsmål, som hvordan tyngdekreftene virker, hvor raskt universet vokser, og hvor gullet i gifteringen din kommer fra. Dessuten er denne nøytronstjernekollisjonen startskuddet for en ny epoke innen astronomien.

Fakta:

Nøytronstjerner:

• En nøytronstjerne er en enormt kompakt stjerne som kan dannes når en ordinær stjerne har endt sitt liv i en supernovaeksplosjon.

• En kollisjon mellom slike stjerner fører til dannelse av tunge grunnstoffer – som gull og platina – og skaper gravitasjonsbølger i tid og rom.

• Albert Einstein mente at slike gravitasjonsbølger måtte eksistere, men at de var for svake til å kunne observeres.

• I år ble det registrert bølger fra en nøytronstjernekollisjon 130 millioner lysår unna vår egen galakse. Dette er første gang man har observert gravitasjonsbølger og elektromagnetisk stråling fra samme kilde.

Om forfatteren:

• Jostein Riiser Kristiansen er astrofysiker og forfatter av boka «Det usynlige universet» (2015).

Hva er egentlig gravitasjonsbølger? Som alle andre typer bølger er det noe som produseres av at noe blir ristet på. Skal du lage bølger i vann, kan du for eksempel riste en badeball opp og ned i vannet. Tilsvarende vil det dannes gravitasjonsbølger når man rister på noe som har en masse. For eksempel sendes det ut gravitasjonsbølger når du rører en skje rundt i en tekopp eller en sleggekaster snurrer rundt seg selv. Men disse gravitasjonsbølgene er umerkelig svake. At ristende masser vil lage bølger, var noe Albert Einstein så allerede i 1916. I den generelle relativitetsteorien, som han hadde fullført et halvt år tidligere, hadde han revolusjonert fysikken ved å vise at gravitasjon, eller tyngdekrefter, kan beskrives som krumning i tid og rom. Gravitasjonsbølgene, som ramlet ut av den samme teorien, er sammentrekning og utstrekning av tid og rom som brer seg utover med lysets hastighet. Når en gravitasjonsbølge passerer deg, vil kroppen din vekselsvis klemmes sammen og strekkes ut.

Einstein innså umiddelbart at gravitasjonsbølgene må være ekstremt svake, og han konkluderte med at de aldri ville kunne observeres. Her tok han imidlertid feil, og det er ikke så rart; ikke visste han om eksistensen av svarte hull og nøytronstjerner, og ikke hadde han mulighet til å forutse den vanvittige teknologiutviklingen som vi har vært vitne til de siste hundre årene. I februar 2016 kunne forskere tilknyttet det USA-baserte Ligo-eksperimentet, etter flere tiårs innsats, presentere den første observasjonen av gravitasjonsbølger. Det var en epokegjørende oppdagelse som fikk en verden av fysikere og andre interesserte til i ren begeistring å skjelve i takt med tidrommet de befant seg i.

Den gangen kom bølgesignalet fra to kolliderende svarte hull, objekter som er så kompakte at selv ikke lys kan rive seg løs fra deres ekstreme tyngdekrefter. I en galakse 1,3 milliarder lysår unna oss hadde to svarte hull smeltet sammen i en innoverskruende dans. Svarte hull er nøytronstjernenes skumle storebrødre, og i den ville dansen mellom de to svarte beistene hadde såpass mye masse blitt ristet såpass kraftig at de resulterende skjelvingene i tid og rom hadde spredt seg helt til jorda. Her hadde Ligo-eksperimentets fire kilometer lange høyteknologiske armer strukket seg ut og trukket seg sammen en liten brøkdel av en atomkjernediameter i takt med bølgene i tidrommet, akkurat nok til at det kunne registreres.

Siden den gang har Ligo observert et par nye hendelser der to svarte hull har kollidert, men uten den banebrytende nyhetens interesse har disse nye hendelsene fått lite oppmerksomhet. Det er rart hvordan gårsdagens spektakulære nyhet har blitt dagens gjesp.

Men siden midten av august i år har ryktene versert om en ny epokegjørende oppdagelse, og mandag 16. oktober ble nye observasjoner presentert i en lang pressekonferanse. Oppdagelsen viste seg å være like spennende som de mest optimistiske ryktene hadde hintet om: Ligo hadde observert gravitasjonsbølger fra to kolliderende nøytronstjerner i en galakse 130 millioner lysår unna (en tidel av avstanden til de svarte hullene). Siden sist hadde Ligo nå fått støtte av et europeisk gravitasjonsbølgeobservatorium, Virgo, i Italia, og ved å sammenligne størrelsen på signalet i de ulike observatoriene, kunne de raskt peke ut hvor på himmelen signalet måtte ha kommet fra. Ved å sammenligne signalet med datasimuleringer, kunne man umiddelbart slå fast at signalet stammet fra kolliderende nøytronstjerner. Det viste seg at to satellitter på samme tidspunkt hadde observert gammastråling fra det samme området. Varsler gikk ut til astronomiske observatorier over hele verden, som satte sine planlagte observasjoner på vent og rettet teleskopene sine mot det utpekte stedet på himmelen. De neste timene, dagene og ukene ble det fra det samme lille området observert alle mulige slags elektromagnetiske bølger: radiobølger, infrarødt lys, synlig lys, ultrafiolett og røntgen. 70 teleskoper over hele verden gjorde observasjoner, og det delvis norskfinansierte Nordisk optisk teleskop på kanariøya La Palma var et av de første teleskopene til å rette sitt parabolspeil mot de kolliderende nøytronstjernene.

Dette er første gang man har observert både gravitasjonsbølger og elektromagnetisk stråling fra samme objekt, og det gjorde man altså til gangs. Det i seg selv er epokegjørende. Som det ble sagt under pressekonferansen: Før har vi sett stumfilm og hørt på musikk hver for seg. Nå har vi for første gang fått film med lyd.

Men hva lærte vi om de kolliderende nøytronstjernene? Temmelig mye. For eksempel:

• Vi lærte om kildene til såkalte gammaglimt. Gammastråling er elektromagnetisk stråling, akkurat som synlig lys, men med ekstremt høy energi. Helt siden 1960-tallet, da USA sendte opp satellitter som var designet for å se etter gammastråling fra sovjetiske atomprøvesprengninger, har man observert plutselige og voldsomme utbrudd av gammastråling fra universet. Kilden til disse såkalte gammaglimtene har vært uviss, selv om vi naturligvis har hatt våre hypoteser. Gammastrålingen som ble observert fra de to kolliderende nøytronstjernene, var et typisk eksempel på et såkalt kort gammaglimt. En fremtredende hypotese har vært at slike korte gammaglimt stammer fra nettopp kolliderende nøytronstjerner. Nå er det bekreftet.

En av forutsigelsene fra standardformen for relativitetsteorien er at tyngdekrefter og gravitasjonsbølger brer seg gjennom rommet med lysets hastighet. Å teste denne forutsigelsen med stor nøyaktighet har vært vanskelig. Og en slik test har vært savnet. Det finnes nemlig en mengde alternative gravitasjonsteorier – de fleste mer eller mindre utvidelser av Einsteins originale teori – som er designet for å løse ulike teoretiske og observasjonelle problemer. En del av disse alternative teoriene forutsier at lys og gravitasjonsbølger ikke skal bre seg like raskt gjennom rommet. Nå har vi sett en hendelse der gravitasjonsbølger og lys har reist i 130 millioner år gjennom rommet – og ankommet jorda samtidig. Hastighetene til lys og gravitasjonsbølger må altså være så godt som identiske. Einstein hadde rett – igjen.

Et mysterium som har plaget forskere siden kjernefysikkens barndom (og sikkert lenge før den tid), er hvor alle de tunge grunnstoffene kommer fra. Opprinnelig inneholdt universet stort sett hydrogen og helium. Tyngre grunnstoffer blir dannet i kjernereaksjoner i stjerner; det er slik sola og andre stjerner lager lys og varme. Men å lage grunnstoffer tyngre enn jern er vanskelig i vanlige stjerner. Likevel ser vi betydelige mengder slike grunnstoffer rundt oss, blant annet kjenninger som gull og platina. Hvor kommer alt gullet fra? Kolliderende nøytronstjerner har vært foreslått som en viktig kilde. Nå er det bekreftet.

Når man har analysert lyset fra disse kolliderende nøytronstjernene har man sett fingeravtrykkene til store mengder tunge grunnstoffer som en del av en sky som ble blåst vekk fra kollisjonen. Man regner med at det i denne ene kollisjonen ble dannet tunge grunnstoffer i en mengde som tilsvarer over seksten tusen ganger jordas masse. Bare gullet og platinaet som ble dannet, tilsvarer antagelig rundt ti ganger jordas masse. Nå svever disse tunge grunnstoffene ute i det omkringliggende rommet, der de kanskje en dag vil bli en del av en liten steinplanet som ligner jorda.

Ut i fra de nye observasjonene kan vi anta at minst halvparten av gullet i universet er dannet av kolliderende nøytronstjerner. Dét er noe å tenke på neste gang du ser på favorittgullgjenstanden din.

Artikkelen er oppdatert: 28. desember 2017 kl. 16.14

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