Annons
X
Annons
X

Mikael Smedbäck: Gravitationsvågorna en genväg till rymden

(uppdaterad)

På torsdagen presenterades upptäckten av gravitationsvågor, vars ­existens Einstein räknade ut men själv hade svårt att tro på. Fyndet innebär att vi fått ett nytt verktyg för att utforska universum, en milstolpe i paritet med uppfinnandet av teleskopet.

Datorgenererad bild av två svarta hål på väg att kollidera.

Datorgenererad bild av två svarta hål på väg att kollidera. Foto: Ligo

Har universum ett ljud? Och hur ­skulle det i så fall låta? Det var de amerikanska urinvånarna som i forna tider la örat mot marken för att kunna höra hästar och andra djur långt, långt borta. Och man kan lägga örat mot spårrälsen för att höra tåg närma sig. Tänk om vi kunde lägga örat mot universum. Vad skulle vi höra? Tystnad, eller en värld full av liv och rörelse?

Forskarteamet Ligo påstod i torsdags att de hört ljud från universum. Ligo står för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. De vågor de lyssnar efter är inte ljudvågor, utan något som ­kallas för gravitationsvågor. Att de tillkännager denna upptäckt just nu är således mycket välplanerat: det är nästan exakt 100 år sedan Einstein insåg att gravitationsvågor var en konsekvens av hans egen nya teori för gravitationen. Men Einstein var själv osäker på om de verkligen fanns, eller bara var en matematisk artefakt.

Einstein var verkligen ett geni. Men ibland framstod han lite som ett barn som hade dragit upp fjädern i leksaksbilen alldeles för mycket, för att sedan bli skräckslagen när han såg hur snabbt bilen åkte iväg. Så var det med hans teori för gravitationen. Einstein konstruerade teorin, men var länge väldigt skeptisk till många av de förutsägelser den förde med sig. Det verkligt revolutionerande, och sam­tidigt svårgreppbara med Einsteins teori, är att ­själva rumtiden är dynamisk. Men dynamiken gick långt bortom vad ens en Einstein kunde föreställa sig.

Annons
X

Enligt Einsteins modell var universum inte längre statiskt, utan kunde expandera. För att försöka stabilisera universum bökade Einstein in en ny term, den kosmologiska konstanten, i sina ekvationer. Einsteins teori förutsade också att det fanns en möjlighet att gravitationen gick överstyr. Om man placerar för mycket materia på samma plats kollapsar rumtiden till ett svart hål, i vars mitt det finns en reva i rumtiden: en singularitet. Detta var för mycket för Einstein, och han trodde aldrig på svarta hål.

Men Einsteins ekvationer fick ett eget liv, och de förutsägelser de gett upphov till har inte gått att hejda. Bland annat har man tänkt sig att spektakulära så kallade kataklysmiska händelser kunde ge upphov till våldsamma gravitationsvågor. Det som krävs är en stjärna som antingen kollapsar till ett svart hål eller exploderar som en supernova. Det kan också handla om två svarta hål eller två neut­ronstjärnor som faller in mot varandra. Det som då händer liknar de vattenvågor som uppstår när man kastar en tung sten i mitten av en damm: rumtidsväven deformeras så kraftigt att gravitationsvågor lösgör sig från systemet och sprids åt alla håll i rymden.

Det är en nervkittlande tanke, och drömmen om gravitationsvågorna har funnits länge. Den amerikanske fysikern Joseph Weber påstod redan 1969 att han lyckats påvisa deras existens. Han hade konstruerat en aluminiumcylinder som han menade vibrerade med sin resonansfrekvens varje gång en gravitationsvåg passerade. Han hävdade att han kunde notera ett par sådana vågor per dag, men hans metod vann aldrig något erkännande. Indirekt har vi dock bevittnat gravitationsvågorna förut. År 1993 gick Nobelpriset i fysik till amerikanerna Joseph Taylor och Russell Hulse för de mätningar de gjort 1974 på två neutronstjärnor som gick i en bana kring varandra. Banan förändrades på precis det sätt man kan förvänta sig av ett system som förlorar energi genom att utstråla gravitationsvågor.

Stäng

KULTURCHEFENS NYHETSBREV – veckans viktigaste kulturtexter direkt i mejlkorgen

    Anmäl dig här kundservice.svd.se

    Men någon direkt upptäckt av gravitationsvågor har aldrig tidigare gjorts. Hur ser det egentligen ut när en sådan våg kommer farande? När en elektromagnetisk våg sveper genom rummet får den ­laddade partiklar att röra på sig. Det är ungefär så våra ögon fungerar när de fångar upp ljusets reflektioner, så att vi kan se. En gravitationsvåg verkar ­istället direkt på rummet, och får avstånd att svälla och krympa i olika riktningar. Om man träffas av en sådan våg kommer det därför att se ut som att man först blir kort och tjock, sedan lång och smal.

    Att upptäcka en gravitationsvåg borde därför vara mycket enkelt. Sätt bara två linjaler vinkelrätt mot varandra. När gravitationsvågen passerar blir den ena linjalen kortare, medan den andra blir längre. Problemet är bara att det rör sig om så ­oerhört små förändringar. Rummet expanderar med en längd som bara utgör någon bråkdel av ­diametern på en proton. Einstein trodde av detta skäl att det aldrig skulle gå att uppfatta gravitationsvågor.

    Ligo-teamet har emellertid lyckats uppnå en oerhörd känslighet på ett genialiskt sätt. De har byggt två vakuumrör, vinkelräta mot varandra. En laserstråle delas upp och passerar genom ­vardera röret, träffar en spegel, och ­sammanförs igen vid startpunkten. ­Sedan kalibreras systemet så att rören hamnar ur fas. Det blir då helt svart på skärmen. Men om en gravitationsvåg passerar kommer det ena röret att förlängas och det andra röret att förkortas. Effekten förstärks ytterligare av att vardera röret är fyra kilometer långt. Om allt går som det ska uppstår det en ljusfläck – varpå champagneflaskorna kan korkas upp.

    Konstruktör i arbete med den fyra kilometer långa rören vid Ligo-observatoriet, nära Richland i Washington, USA. Foto: Tracy Montauk/AP

    Fast till en början hände inte mycket. Under åren 2002–2010 var man konstant beredd med champagneflaskorna, men fick aldrig öppna dem. Bara brus hördes. Man har därför de senaste fem åren gjort olika uppgraderingar för att ytterligare förstärka känsligheten. I september 2015 slog man på apparaten igen, och då blev det jackpot direkt. Mätningarna började officiellt den 18 september, men signalen man presenterade i torsdags härrör från den 14 september. De månader som förflutit sedan dess har man använt på bästa sätt, till att analysera och återanalysera signalen för att se till att den inte kan förväxlas med någon trivial händelse.

    Ligo sägs vara det känsligaste instrument som någonsin konstruerats, så potentiella störningar är snarare regel än undantag. Det berättas att det ibland smattrade till i detektorn vid mycket konstiga tillfällen, även efter det att man filtrerat bort kända störfaktorer som jordbävningar och andra seismiska händelser. Till slut gick man upp på taket och tittade omkring sig med kikare. Det visade sig att när lastbilar körde ner i gropar på en närbelägen väg reagerade detektorn. Detektorn är faktiskt så känslig att man även måste ta hänsyn till strålningstrycket i laserstrålen, som trycker till spegeln.

    Men signalen från den 14 september 2015 har man inte kunnat förklara bort, tvärtom har man blivit alltmer säker på att det är den första direkta detektionen av en gravitationsvåg som någonsin gjorts. Numeriska och analytiska undersökningar av Einsteins ekvationer har möjliggjort en exakt matchning till troliga astrofysiska källor. Att säga att slutsatsen är häpnadsväckande är århundradets underdrift. Det rör sig om två svarta hål, som fångat in varandra i en kosmisk ringlek, en dans som varat i miljarder år. Men för svarta hål är det farligt att dansa: deras banor destabiliseras av den energi som går förlorad i utstrålad gravitationell energi, för att till slut helt kollapsa.

    Under några tiondelar av en sekund, för 1,3 miljarder år sedan, gav kollisionen mellan de svarta hålen ifrån sig mer energi per tidsenhet än ­universums alla samlade stjärnor tillsammans. Systemet förlorade ­totalt sett energi motsvarande tre solmassor, vilket är ofattbart mycket. Gravitationsvågorna har sedan varit på väg mot oss, för att till slut den 14 september passera genom jorden och Ligo-detektorn.

    Det går inte att nog understryka hur fantastisk denna upptäckt egentligen är, på så många sätt samtidigt. Återigen har Einstein visat sig ha mer rätt än han någonsin kunde ana: gravitationsvågor existerar, svarta hål är verkliga och Einsteins fältekvationer är giltiga långt bortom de svagfältsapproximationer som hittills använts och testats.

    Kan vi lita på Ligo-resultatet? Ligo-teamet har två detektorer: en i Hanford, Washington, och en i Livingston, Louisiana. Båda såg exakt samma signal med den fördröjning man kan förvänta sig. Detta, menar man, är övertygande bevis på att det man sett inte bara är en dimridå, utan på riktigt. Det är samma standard som partikelfysiklaboratoriet Cern använde när man upptäckte Higgspartikeln. Då utförde man två åtskilda experiment längs ­acceleratorringen, som båda kom fram till samma resultat. Varken Ligo eller Cern kan sägas ha två helt oberoende experiment, men de tycks ändå i båda fallen ha gjort så gott de kunnat. Den ansedda fysiktidningen Physical Review Letters har granskat och godkänt Ligo-artikeln.

    Det mänskliga örat har ett ytteröra som fångar upp ljudvågor. De leds in till trumhinnan som börjar vibrera. Ligo har istället två gigantiska armar som börjar vibrera när gravitationsvågen passerar. Trumhinnans vibration kan överföras till ljud och detsamma gäller för Ligo-armarna. Faktum är att Ligo-teamet med glädje spelar upp ljudet av de ­kolliderande svarta hålen för den som vill höra det. Det låter som ett fågelkvitter, som tilltar i både frekvens och amplitud i takt med intensifieringen av de svarta hålens dans, för att sedan snabbt lugna ner sig när de två hålen smält samman till ett.

    Ligo-detektorerna är våra två nya öron mot rymden, och fler är på väg. För 400 år sedan såg Galileo Galilei för första gången stjärnor genom sitt teleskop, och efter det blev världen sig aldrig lik igen. Detta år kan vara startpunkten för en liknande ­omvälvning inom den observationsbaserade kosmologin. Med gravitationsvågorna har vi fått ett nytt verktyg för att utforska universum. Vi har varit döva, men kan nu för första gången lyssna till ­universum. Och ingen vet egentligen vad mer vi kommer att få höra.

    Läs mer på Ligos hemsida

    ligo.caltech.edu

    Datorgenererad bild av två svarta hål på väg att kollidera.

    Foto: Ligo Bild 1 av 2

    Konstruktör i arbete med den fyra kilometer långa rören vid Ligo-observatoriet, nära Richland i Washington, USA.

    Foto: Tracy Montauk/AP Bild 2 av 2
    Annons
    X
    X
    X
    X
    Annons
    X