Gravitasjonsbølger: Einsteins triumf fra 1915 til i dag

Universet vibrerer

I 1915 publiserte Albert Einstein den generelle relativitetsteorien, som beskriver hvordan masse og energi forvrider rom og tid, ifølge Store norske leksikon.

En konsekvens av teorien er at massive objekter som beveger seg i spiralbane mot hverandre, sender ut bølger i romtiden, ifølge Store norske leksikon.

Disse bølgene bærer informasjon om hendelser i universet som ellers ikke kan observeres direkte.

Allerede den 14. september 2015 dukket det opp et svært interessant signal i begge detektorene til LIGO, ifølge Store norske leksikon.

Signalet varte i omtrent 0,2 sekunder, frekvensen økte fra 35 Hz til 250 Hz, og simuleringer tydet på at det stammet fra to kompakte legemer som nøytronstjerner eller svarte hull, ifølge Store norske leksikon.

Det ble kalt GW 150914 og regnes som den første observasjonen av gravitasjonsbølger med en gravitasjonsbølgeantenne, ifølge Store norske leksikon.

Einstein og romtidens hemmelighet

Albert Einstein regnes som en av historiens største vitenskapspersoner og er særlig kjent for relativitetsteorien, ifølge Store norske leksikon.

I 1905 publiserte han fire artikler som ble svært viktige for fysikken, blant annet den spesielle relativitetsteorien med den berømte ligningen E = mc², ifølge Lille norske leksikon.

Han arbeidet som assistent på et patentkontor i Sveits før han tok doktorgraden i 1905, ifølge Store norske leksikon.

Den generelle relativitetsteorien, som kom i 1915, endret forståelsen av gravitasjon fundamentalt, ifølge Store norske leksikon.

Teorien beskriver gravitasjon ikke som en kraft, men som en konsekvens av at masse og energi bøyer romtiden rundt seg.

Einstein mottok Nobelprisen i fysikk i 1921 for arbeid med teoretisk fysikk, spesielt for sin oppdagelse av loven for den fotoelektriske effekten, ifølge Store norske leksikon.

I 1933 flyttet han til USA på grunn av jødeforfølgelsene i Tyskland, ifølge Store norske leksikon.

At rom og tid er vevd sammen i en felles romtid, er et sentralt trekk i hans teorier, ifølge Lille norske leksikon.

Rippel i selve romtiden

Når massive objekter som svarte hull eller nøytronstjerner beveger seg i spiralbane mot hverandre, sender de ut bølger i romtiden, ifølge Store norske leksikon.

En gravitasjonsbølge som passerer en detektor, endrer lengden på de to rette delene av L-en litt forskjellig, ifølge Store norske leksikon.

Dette kan måles ved at lys sendes fra laboratoriet i midten til enden av de rette rørene, reflekteres der og beveger seg tilbake til sentrum der lyset fra de to strålene møtes og danner et interferensmønster, ifølge Store norske leksikon.

Endringene er ekstremt små, og det krever svært følsomme instrumenter for å måle dem.

En hundreårs venting

Einstein publiserte den generelle relativitetsteorien i 1915, ifølge Store norske leksikon. Den første direkte deteksjonen av gravitasjonsbølger skjedde i 2015, ifølge Store norske leksikon. Dermed gikk det omtrent hundre år fra teori til observasjon.

Maskiner som kan måle det umulige

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

Allerede den 14.

Laserlys sendes fra laboratoriet i midten til enden av de rette rørene, reflekteres der og beveger seg tilbake til sentrum der lyset fra de to strålene møtes og danner et interferensmønster som avhenger av reisetiden, ifølge Store norske leksikon.

Når en gravitasjonsbølge passerer, endres lengdene litt forskjellig, og dette kan måles i interferensmønsteret, ifølge Store norske leksikon.

For at målingene skal lykkes, må detektorene skjermes mot ytre forstyrrelser.

Når universets kraftigste objekter kolliderer

Et svart hull er et område i verdensrommet hvor gravitasjonskreftene er så sterke at ikke noe kan unnslippe, selv ikke lys, ifølge Store norske leksikon.

Svarte hull er en teoretisk konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori, ifølge Store norske leksikon.

Det finnes både hull med omtrent stjernemasse og supermassive hull på opptil flere milliarder ganger solas masse, ifølge Store norske leksikon.

LIGO-signalet i 2015 stammet trolig fra to svarte hull der det ene hadde 29 solmasser og det andre 36, ifølge Store norske leksikon.

Rett før sammensmeltningen beveget de seg rundt hverandre 125 ganger i sekundet med halvparten av lyshastigheten, ifølge Store norske leksikon.

Kollisjonen sendte ut energien 5,4·10^47 joule i form av gravitasjonsbølger, tilsvarende at 3 solmasser ble omformet til energi, ifølge Store norske leksikon.

Nye øyne for å se universet

Svarte hull sender ikke ut lys, og er derfor umulige å ta direkte bilde av, ifølge Store norske leksikon.

Likevel kan de sende ut gravitasjonsbølger som kan måles med instrumenter som LIGO, ifølge Store norske leksikon.

Nøytronstjerner kan sende ut både gamma-, røntgen-, optisk og radiostråling, ifølge Store norske leksikon.

De kan også være kilder til gravitasjonsbølger når de beveger seg i bane mot hverandre, ifølge Store norske leksikon.

Kombinasjon av ulike observasjonsmetoder gir forskerne mer komplette data om slike hendelser.

Gravitasjonsbølgene etter 2015

Etter den første observasjonen i 2015 har forskere fortsatt å lete etter og analysere gravitasjonsbølgesignaler fra ulike kilder.

Nøkkelbegreper i gravitasjonsbølgeverden

Hvis du skal forstå diskusjoner om gravitasjonsbølger, er det lurt å kjenne til disse ordene og ideene:

• Romtid: Et felles begrep for rom og tid som er vevd sammen ifølge relativitetsteorien, ifølge Lille norske leksikon.
• Interferometer: Instrument som bruker interferens mellom lysstråler for å måle små avstander eller bølgelengder, ifølge Store norske leksikon.
• Svart hull: Område i rommet der gravitasjonen er så sterk at ingenting, ikke engang lys, kan unnslippe, ifølge Store norske leksikon.
• Nøytronstjerne: Lite og tett himmellegeme som dannes når en tung stjerne kollapser etter en supernova, ifølge Store norske leksikon.
• Pulsar: En type nøytronstjerne som ble observert for første gang i 1967, ifølge Store norske leksikon.

Det folk tror feil om gravitasjonsbølger

Gravitasjonsbølger forårsaker svært små endringer i avstander, og effektene kan ikke merkes av mennesker.

Relativitetsteorien har vært testet og bekreftet siden den ble publisert, blant annet gjennom en solformørkelse i 1919, ifølge Lille norske leksikon.

Det er feil å tro at gravitasjonsbølger er ubrukelige fordi de kommer fra fjerne objekter; de gir fundamental informasjon om fysikkens lover under ekstreme forhold.

En annen misforståelse er at gravitasjonsbølgene kan påvirke jorden på en måte som er farlig for livet her, men signalene er altfor svake til å ha noen merkbar effekt.

Hva kommer neste?

ESA planlegger den rombaserte detektoren LISA, som skal studere gravitasjonsbølger fra blant annet sammensmeltende svarte hull, ifølge ESA.

Med større og mer sensitive detektorer vil forskere kunne fange opp svakere signaler og studere hendelser lenger unna eller med mindre masse.

Romdetektorer kan oppdage typer gravitasjonsbølger som bakkebaserte instrumenter ikke kan fange, fordi de er følsomme for andre frekvenser.

Utviklingen av denne teknologien vil gi forskerne dypere innsikt i både svarte hull, nøytronstjerner og muligens helt nye fenomener i universet.

Hvordan komme i gang selv

Hvis du vil lære mer om gravitasjonsbølger, finnes det flere veier å gå.

Du kan starte med å lese om relativitetsteorien i populærvitenskapelige bøker eller på nettsteder som tilbyr innføringer i fysikk.

Mange universiteter tilbyr nettkurs i astronomi og generell relativitetsteori som er åpne for alle.

For deg som vurderer en karriere innen fysikk eller ingeniørfag, er gravitasjonsbølgeforskning et internasjonalt felt der det samarbeides på tvers av landegrenser.

Forskere jobber både med å forbedre detektorer, analysere data og utvikle nye teoretiske modeller for hva man kan finne.

Å følge med på publiseringer fra LIGO, Virgo og ESA er en god måte å holde seg oppdatert på nye oppdagelser.