Gravitasjonsbølger og lyden av universet — Einsteins oppdagelse blir virkelighet

Universet som instrument

I september 2015 detekterte to lange interferometer i USA noe som absolutt ikke burde kunne finnes — og noe som ville forandre fysikken for alltid. For første gang i historien oppdaget mennesker gravitasjonsbølger, de rykkende vibrasjoner i selve strukturen av rommet og tiden. Det var en bekreftelse av en oppfinnelse fra Albert Einstein fra 1916, som i hundre år hadde vært usynlig teori uten eksperimentell bevis.

Gravitasjonsbølger er ikke som vanlige bølger du kjenner fra vann eller lyd. De er bølger av romtid selv — distorsjonene i det grunnleggende stoffet av virkeligheten. Når to sorte hull kolliderer miliarder kilometer unna, skvetter de en enorm mengde energi som gravitasjonsbølger som reiser gjennom hele universet. Disse bølgene er ekstremt svake når de når jorda, men moderne detektorer så sensitive at de kan måle endringer mindre enn en atomkjerne.

Tall og trender

Siden den første deteksjonen i 2015 har fysikere oppdaget hundrevis av gravitasjonsbølge-hendelser, som hver gir ny informasjon om universets struktur. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) og Virgo-detektorene er nå deler av et globalt nettverk som kontinuerlig søker disse svake signalene.

Einsteins mest svimlende spådom

I 1916, ett år etter å ha publisert sin generelle relativitetsteori, realiserte Einstein at hans likninger tillot en helt ny klasse av fenomener — bølger av gravitasjon som spreder seg med lyshastigheten. Han var selv skeptisk til at disse bølgene kunne oppdages noen gang, siden de ville være så svake. Han skrev at 'disse bølgene er helt umulig å detektere', noe som viste seg å være urettferdig.

I mange tiår ble gravitasjonsbølger ansett som en teoretisk kuriositet, noe som oppfyllte Einsteins likninger men aldri ville sees i virkeligheten. Fysikere jobbet på problemet som et teoretisk puslespill, men få trodde på at eksperimentell bevis var mulig. Så, på slutten av 1970-tallet, viste indirekte bevis fra en pulsar at gravitasjonsbølger faktisk eksisterte — noe som ga både hope og momentum til feltet.

Da LIGO-detektorene endelig ble sensitive nok i 2015, sto fysikerne over for sitt længtede øyeblikk. Et signal der to sorte hull med henholdsvis 36 og 29 ganger solmassen smalt sammen 1,3 milliarder år siden, reiste gjennom rommet som gravitasjonsbølger. Den 14. september 2015 registrerte LIGO denne koblingen — og universet hadde endelig blitt hørbart.

"Den dagen vi oppdaget gravitasjonsbølger, visste jeg at vi hadde åpnet en helt ny vindu til universet. Det er som om ørene våre endelig ble åpne etter at vi alltid hadde brukt bare øynene."

Hvordan vi detekterer det udetekterbare

LIGO-detektoren fungerer som et enormt interferometer — to lange armer på 4 kilometer hver ligger i en L-form. En laserstråle deles og sender ned begge armene, reflekteres tilbake, og kombineres igjen. Under normale forhold interfererer lysene perfekt — de avbryter hverandre.

Men når en gravitasjonsbølge passerer, strekker den rommet i en retning og komprimerer det i den andre. Dette forandrer lengdene på armene med et ufattelig lite beløp — mindre enn en tusenstedel av en proton. Likevel forandrer dette interferensmønsteret av lyset, og detektorer fangar denne små forandringen som et signal.

Det er viktig å forstå hvor lite dette signalet er. En gravitasjonsbølge fra to sorte hull en milliard kilometer unna forandrer lengden på en fire-kilometer arm med mindre enn en atomkjernes diameter. For å detektere dette, må LIGO være så følsom som mulig — Selv en fotograf som slår på en lampe nær detektoren kan forstyrre målingene.

Hva gravitasjonsbølger forteller oss

Hver deteksjon av gravitasjonsbølger gir astronomer ny informasjon om universet. Når vi detekterer gravitasjonsbølger fra to sorte hull som smelter sammen, kan vi bestemme hvor langt unna hendelsen var, hvor stor energien var, og hvor raskt de sorte hullene roterte. Dette er informasion vi ikke kunne få på noen annen måte.

Gravitasjonsbølger har allerede avslørt sorte hull som er større enn teoretikere forventet. De har bekreftet at sorte hull faktisk eksisterer, og at deres kollisioner er langt mere vanlige enn vi trodde. De har til og med oppdaget kollisjoner av neutron-stjerner, hendelser av enorm astronomisk betydning.

Viktigst av alt, gravitasjonsbølger gir oss en helt ny måte å observere universet på. Vi kan nå 'høre' universet i stedet for bare å se det. Dette som er liksom at vi hadde øyne som fungerte, men endelig fikk ører — plutselig oppfatting av verden blir mye rikere og mer komplett.

Framtiden for gravitasjonsbølgeastronomien

Neste generasjon detektorer som Er-ER (Einstein Telescope) og LISA (Laser Interferometer Space Antenna) vil være ennå mer sensitive, og LISA vil selv være en satellitt-basert detektor i rommet, fri fra jordvibrasjonene som begre ned LIGO. Dette vil åpne for oppdagelser av kilder vi ikke engang vet eksisterer ennå.

Astronomia i gravitasjonsbølger er nå en etablert felt, og hver funnet gravitasjonsbølge-kilde studeres av teleskoper verden over som søker etter tilsvarende elektromagnetisk stråling. Mange kilder produserer både gravitasjonsbølger og lys — og ved å kombinere informasjonen fra begge, får vi et dypere forståelse av hendelsene.

I framtiden vil det å 'lytte' til universet gjennom gravitasjonsbølger være like viktig som å se det gjennom teleskoper. Det er en av de store vitenskaplige triumfene i moderne fysikk — at en ren tanke fra en mann for hundre år siden endelig har blitt bekreftet, og at den bekreftalsen åpner helt nye sektorer av forståelsen vår av kosmos.