Einstein og jakten på gravitasjonsbølgene

Einstein surfer på gravitasjonsbølger, og en flokk med giraffer blir utsatt for bølgenes strekkende evner.

Vannbølger, lysbølger, lydbølger og høyrebølger har det til felles at de beveger seg i tid og i rom. Her kommer historien om en annen type bølger – bølger laget av tid og rom, bølger som kan klemme deg sammen og strekke deg ut – såkalte gravitasjonsbølger. Skjønt, mye av historien om gravitasjonsbølgene er fortsatt uskrevet. For eksempel er gravitasjonsbølger aldri observert. Likevel er vi nesten helt sikre på at disse bølgene eksisterer rundt oss hele tiden, og den første oppdagelsen kan komme når som helst – eller om 20 år.

Ikke bare er gravitasjonsbølger langt opp på lista over fysikkens mest fascinerende fenomener. Jakten på gravitasjonsbølger har også ført til utarbeidelsen av noen av den eksperimentelle fysikkens mest imponerende måleinstrumenter. Bare les!

Elektronshake og ristede svarte hull

Ta et elektron i din hånd og rist det godt. Elektronet vil da sende ut elektromagnetiske bølger, for eksempel lys. Litt forenklet kan vi si at all elektromagnetisk stråling skyldes at elektriske ladninger akselereres – for eksempel ved å ristes på. Jo raskere risting, jo høyere frekevens på strålingen. Se for eksempel på en rødglødende kokeplate. Den høye temperaturen fører til at elektronene rister så kraftig at de sender ut elektromagnetisk stråling med frekvenser som øynene våre kan oppfatte – altså lysbølger.

Elektromagnetiske krefter oppstår via elektriske ladninger, og når vi rister disse ladningene lager vi altså elektromagnetiske bølger.

Og her kommer analogien: Gravitasjonskrefter oppstår via objekter som har en masse. Når vi rister på noe som har en masse lager vi gravitasjonsbølger.

Du har aldri sett snurten av en gravitasjonsbølge, sier du? Du er i så fall ikke alene. Gravitasjonsbølger har aldri blitt påvist eksperimentelt.

Hvis du rister litt på hånda di vil den sende ut gravitasjonsbølger, men bølgene vil være så svake at selv ikke det mest følsomme menneske vil merke noe som helst til dem. Skal vi lage en gravitasjonsbølge som monner må vi riste veldig kraftig på noe som som har en veldig stor masse, for eksempel en tung stjerne eller et par store svarte hull.

Rynker i tidrommet

Men hva er nå disse gravitasjonsbølgene? Hvordan kjennes det på kroppen hvis du skulle komme i nærheten av et hissig ristende, supermassivt svart hull? En gravitasjonsbølge dannes av masse som beveger seg, og den får masse til å bevege seg. Når kroppen din treffes av en gravitasjonsbølge vil kroppen strekke og dra seg i ulike retninger,  akkurat som giraffene i figuren øverst. Hvordan skjer dette?

I gravitasjonsteorien vi bruker i dag, Einsteins generelle relativitetsteori, er ikke gravitasjon en kraft på linje med de andre naturkreftene. Teorien inkluderer konseptet om et tidrom der tid og rom er flettet sammen. Tid og rom er fleksible, dynamiske størrelser.

I generell relativitetsteori oppfører gravitasjonsbølger seg som noe som sprer seg utover i rommet med lysets hastighet og som på sin vei trekker og drar på rommet selv. Effekten illustreres godt ved animasjonen under, som er hentet fra Wikipedia:

Du kan se for deg prikkene i animasjonen som en ring med steiner som har blitt plassert slik at de svever fritt i verdensrommet. Passerende gravitasjonsbølger strekker og drar i rommet slik at steinene strekkes i en retning og klemmes sammen i en annen. Effekten er den samme som er illustrert i girafflokken øverst.

LIGO leter

LIGO har to armer som hver er fire kilometer lange. En gravitasjonsbølge vil endre bittelitt på lengden til disse armene.

Man har speidet etter gravitasjonsbølger i mange år, men så langt har jakten vært forgjeves. Grunnen er rett og slett at bølgene er så fantastisk svake. Det mest følsomme eksperimentet som er i drift i dag, LIGO,  består av to fire kilometer lange tunneller i en L-konfigurasjon. Lengden på tunnellene overvåkes kontinuerlig ved hjelp av laser, og man ser etter ørsmå variasjoner i denne lengden. Og når jeg skriver ørsmå, mener jeg ørsmå. Eksperimentet skal kunne observere at lengden på de fire kilometer lange armene endrer seg med bare 10^{-18}   (altså 0, 000 000 000 000 000 001) meter. Det er 100 millioner ganger mindre enn diameteren på et hydrogenatom. Ikke dårlig? Men ingen gravitasjonsbølger er å se.

LIGO gir ikke opp av den grunn. Håpet er at det skal dukke opp en astronomisk hendelse der så mye masse ristes såpass kraftig såpass nær Jorda at de resulterende gravitasjonsbølgene vil strekke laserarmene på LIGO de nødvendige 10^{-18}  metrene.

Dansende svarte hull

Hva slags astronomisk hendelse kan det være snakk om? Det kan for eksempel være to ekstremt kompakte objekter – for eksempel svarte hull eller nøytronstjerner – som spiralerer inn mot hverandre før de smelter sammen. Vi forventer at dette skjer med relativt jevne mellomrom i vårt galaktiske nabolag. Med litt flaks kan vi dermed plutselig få en heftig astronomisk sammenspiralering som feier en bris av gravitasjonsbølger innover Jorda, slik at det endelig blir litt rock’n roll hos LIGO.

Men vent litt… Spiralere inn mot hverandre? Astronomiske objekter som styres av gravitasjon – slik som Jorda og Sola – går jo i bane rundt hverandre, de spiralerer vel ikke innover? Joda, det gjør de faktisk. I sin bane rundt Sola er Jorda akselerert, og sender derfor kontinuerlig ut gravitasjonsbølger. Gravitasjonsbølgene stikker av med seg litt av Jordas rotasjonsenergi, noe som fører til at Jorda faller langsomt innover mot Sola. Effekten her er imidlertid bitte liten, og i løpet av et år fører denne effekten Jorda ynkelige 10^{-14}   meter nærmere Sola, altså en titusendel av diameteren til et hydrogenatom. Effekten er altså fullstendig neglisjerbar for Jordas del.

Men jo tyngre ting og tettere baner, jo mer energi sendes ut gjennom gravitasjonsbølger. Og jo mer energi som avgis gjennom gravitasjonsstråling, jo raskere vil objektene spiralere inn mot hverandre, noe som vil føre til at de sender ut enda mer gravitasjonsbølger. Vi snakker altså om en spiral i dobbelt forstand. Det er den siste, dramatiske og raskt spiralerende delen av livet til et dobbeltsystem av for eksempel to svarte hull eller to nøytronstjerner som man håper skal kunne sende ut de observerbare gravitasjonsbølgene som LIGO venter på.

Men LIGO gjør også mer enn bare å vente. For tiden oppgraderes instrumentene til det som skal bli Advanced LIGO, som skal være i drift fra 2014 og ha ti ganger større følsomhet enn sin  forgjenger.

Spiralerende nøytronstjerner observeres i real time

Observasjoner av rotasjonstiden til Hulse-Taylor-binærpulsaren. y-aksen angir endringen i rotasjonstid, mens x-aksen angir årstall. De røde punktene er målinger, og den blå kurven viser forutsigelsen av hvordan rotasjonstiden skal avta på grunn av utsending av gravitasjonsbølger. Overensstemmelsen er imponerende!

Selv om gravitasjonsbølger ennå ikke er observert direkte, kan vi være temmelig sikre på at vi finnes. For det første forutsies de av generell relativitetsteori. For det andre har man observert gravitasjonsbølger indirekte gjennom studier av den såkalte Hulse-Taylor binærpulsaren. Dette er to nøytronstjerner som går i tett bane rundt hverandre.

Nøytronstjerner er ekstremt kompakte stjernerester, og her er det snakk om to slike som går i svært tett bane. Vi kan altså forvente at de sender ut en god porsjon gravitasjonsbølger og spiralerer innover. Selv om ikke disse bølgene er kraftige nok til å detekteres direkte av LIGO, kan vi indirekte se etter gravitasjonsbølgene gjennom spiraleringseffekten.

Etterhvert som nøytronstjernene sender ut gravitasjonsbølger og spiralerer innover mot hverandre, vil de få stadig kortere omløpstid. Omløpstiden til dette systemet er observert med stor nøyaktighet over mange år, og som vi kan se i figuren til høyre stemmer observasjonene perfekt overens med forutsigelsene om gravitasjonsbølger fra generell relativitetsteori. Oppdagelsen førte til at R. A. Hulse og J. H. Taylor ble tildelt nobelprisen i fysikk i 1993.

Men vi har fortsatt aldri observert bølgene direkte. Arg!

LISA kan feie all tvil til side

LISA vil bestå av tre frittsvevende romsonder som har en innbyrdes avstand som er 12 ganger så stor som avstanden mellom Jorda og Månen

Noen gigantomane fysikere har funnet ut av LIGOs puslete fire kilometer lange armer er for korte, og har designet et annet eksperiment, LISA. LISA skal ha tre armer som hver er fem millioner kilometer lange – det er 12 ganger så langt som avstanden mellom Jorda og Månen. LISA skal selvfølgelig ikke være plassert på bakken, men bestå av tre frittsvevende romsonder som kontinuerlig måler avstanden mellom seg ved hjelp av laser. På tross av de enorme avstandene skal romsondene kunne måle variasjoner i avstanden mellom seg på bare 20 pikometer, eller 2 \cdot 10^{-12} m!

Hvis gravitasjonsbølger finnes, vil LISA garantert kunne oppdage dem. I tillegg til å utgjøre en ny og viktig test av Einsteins generelle relativitetsteori, vil LISA kunne forsyne astronomer med en mengde ny kunnskap om for eksempel ekstreme dobbelststjernesystemer og kolliderende svarte hull, kunnskap som det vil være umulig å skaffe seg gjennom å studere elektromagnetisk stråling.

Det eneste problemet med LISA er at eksperimentet er svindyrt, i størrelsesorden en milliard euro. Opprinnelig var LISA planlagt som et samarbeid mellom amerikanske NASA og europeiske ESA, men på grunn av en knappe budsjetter har NASA trukket seg ut. Om ESA går videre med LISA alene, eventuelt med en litt enklere og billigere versjon av eksperimentet, skal bestemmes i februar 2012.

LISA vil uansett ikke være oppe og fly før tidligst i 2022, så LIGO har god tid på seg til å vinne kappløpet om å observere de første gravitasjonsbølgene – det gjelder bare å finne noen massive ting som ristes tilstrekkelig hardt tilstrekkelig nær Jorda til at det blir litt baluba i de fire kilometer lange armene. Giraffene, på sin side, vil nok neppe la seg affisere altfor mye.

6 comments

  1. Bjørn Sørhøy · desember 14, 2011

    Fornøyelig lesning og veldig godt forklart. Takk!
    Deler denne gjerne med elevene 🙂

  2. Jostein Riiser Kristiansen · desember 14, 2011

    Takk for hyggelig tilbakemelding. Forresten er det en veldig fin facebookside du har 🙂

    • Bjørn Sørhøy · desember 14, 2011

      Takk for det. Det er greit å bruke de muligheter man har i dag til å formidle realfagenes spennende og viktige posisjon og nytteverdi. FB har et bredt nedslagsfelt og gjør det lettere å nå både elever, studenter, foresatte, kollegaer og andre interesserte.
      Det er synd at ikke det er en funksjon for søking på slike sider, men budskapet kommer frem 🙂
      Håper dere etterhvert vil nå et stort publikum med siden deres, for den er så bra at den kan bli en av de mest besøkte bloggene (realistens optimisme). Kjør litt reklame på FB-siden? Uansett så håper jeg alle som besøker denne siden deler den ut i alle mulige dimensjoner 🙂

  3. Tilbaketråkk: Vi kan trenge en relativitetsteori for varme | Kollokvium
  4. Tilbaketråkk: Rykter: Vil BICEP avsløre Big Bang-bølger? | Kollokvium
  5. Tilbaketråkk: Hva tenker kosmologer verden over om universet? | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s