Den første direkte deteksjonen av gravitasjonsbølger forventes kunngjort 11. februar av forskere ved Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Ved å bruke to gigantiske LIGO-detektorer - en i Livingston, Louisiana og den andre i Hanford, Washington - målte forskere krusningene i romtiden som er generert ved kollisjonen av to sorte hull og ser ut til å ha endelig funnet det de lette etter.
En slik uttalelse ville bekrefte gravitasjonsbølgene som ble spådd av Albert Einstein, som han utgjorde en del av sin generelle relativitetsteori for 100 år siden, men konsekvensene vil ikke ende der. Som en vibrasjon av stoffet fra romtid, blir gravitasjonsbølger ofte sammenlignet med lyd, til og med transformert til lydspor. Gravitasjonsbølgeteleskoper ville gjort det mulig for forskere å "høre" fenomener på samme måte som lette teleskoper "ser" dem.
Da LIGO kjempet for finansiering fra den amerikanske regjeringen på begynnelsen av 1990-tallet, var astronomer dens viktigste utfordrere i kongresshøringer. "Man trodde den gang at LIGO ikke hadde noe med astronomi å gjøre," sier Clifford Will, en generell relativitetsteoretiker ved University of Florida i Gainesville og en av de tidlige talsmennene for LIGO. Men mye har endret seg siden den gang.
Velkommen til feltet for gravitasjonsbølgeastronomi. La oss gå gjennom problemstillingene og fenomenene som hun kunne avsløre.
Eksisterer sorte hull?
Signalet som forventes fra LIGO-kunngjøringen kan ha blitt produsert av to sammenslåtte sorte hull. Hendelser som disse er de mest energiske som er kjent; kraften til gravitasjonsbølgene som sendes ut av dem, kan kort formørke alle stjernene i det observerte universet totalt. Sammenslåing av sorte hull er også ganske lett å tolke fra veldig rene gravitasjonsbølger.
Salgsfremmende video:
Signalet som forventes fra LIGO-kunngjøringen kan ha blitt produsert av to sammenslåtte sorte hull. Hendelser som disse er de mest energiske som er kjent; kraften til gravitasjonsbølgene som sendes ut av dem, kan kort formørke alle stjernene i det observerte universet totalt. Sammenslåing av sorte hull er også ganske lett å tolke fra veldig rene gravitasjonsbølger.
Sammenslåing av sorte hull oppstår når to sorte hull spiral rundt hverandre, og som avgir energi i form av gravitasjonsbølger. Disse bølgene har en karakteristisk lyd (kvitring) som kan brukes til å måle massen til disse to objektene. Etter det smøres sorte hull vanligvis sammen.
«Se for deg to såpebobler som kommer nær nok til å danne en boble. Den større boblen er deformert, sier Tybalt Damour, en gravitasjonsteoretiker ved Institute for Advanced Scientific Research i nærheten av Paris. Det siste sorte hullet vil være perfekt sfærisk, men må først avgi gravitasjonsbølger av en forutsigbar type.
En av de viktigste vitenskapelige implikasjonene av å oppdage sammenslåinger av svart hull vil være bekreftelse av eksistensen av sorte hull - i det minste perfekt sirkulære gjenstander laget av ren, tom, buet romtid, som forutsagt av generell relativitet. En annen konsekvens er at fusjonen fortsetter slik forskerne forutså. Astronomer har mye indirekte bekreftelse på dette fenomenet, men så langt har dette vært observasjoner av stjerner og overopphetet gass i bane rundt sorte hull, og ikke selve sorte hull.
”Det vitenskapelige samfunnet, inkludert meg selv, liker ikke sorte hull. Vi tar dem for gitt, sier Frans Pretorius, spesialist i generell relativitetssimulering ved Princeton University i New Jersey. "Men hvis du tenker på hva en fantastisk forutsigelse dette er, trenger vi virkelig fantastisk bevis."
Beveger gravitasjonsbølger seg med lysets hastighet?
Når forskere begynner å sammenligne LIGO-observasjoner med observasjonene fra andre teleskoper, er det første de sjekker om signalet kom på samme tid. Fysikere mener at tyngdekraften overføres av gravitonpartikler, gravitasjonsanalogen til fotoner. Hvis disse partiklene, som fotoner, ikke har masse, vil gravitasjonsbølger bevege seg med lysets hastighet, i samsvar med prediksjonen for hastigheten på gravitasjonsbølgene i klassisk relativitet. (Hastigheten deres kan påvirkes av den akselererende ekspansjonen av universet, men dette bør manifestere seg på avstander som betydelig overstiger dekket av LIGO).
Det er imidlertid mulig at graviton har en liten masse, noe som betyr at gravitasjonsbølger vil bevege seg i en hastighet som er mindre enn lys. Så for eksempel hvis LIGO og Jomfruen oppdager gravitasjonsbølger og finner ut at bølgene ankom på Jorden senere enn forbundet med en kosmisk hendelse av gammastråler, kan dette få fatale konsekvenser for grunnleggende fysikk.
Er romtid laget av kosmiske strenger?
En enda fremmed oppdagelse kan skje hvis det oppdages utbrudd av gravitasjonsbølger som stammer fra "kosmiske strenger." Disse hypotetiske rom-tid krumningsdefektene, som kanskje eller ikke er relatert til strengteorier, skal være uendelig tynne, men strekkes ut over kosmiske avstander. Forskere spår at kosmiske strenger, hvis de eksisterer, kunne bøyes ved et uhell; hvis strengen bøyes, vil det føre til en tyngdekraft som detektorer som LIGO eller Jomfruen kan måle.
Kan nøytronstjerner tagges?
Neutronstjerner er restene av store stjerner som kollapset under egen vekt og ble så tette at elektroner og protoner begynte å smelte til nøytroner. Forskere har liten forståelse av fysikken i nøytronhull, men gravitasjonsbølger kan fortelle mye om dem. For eksempel fører den intense tyngdekraften på overflaten til at nøytronstjerner blir nesten perfekt sfæriske. Men noen forskere har antydet at de også kan ha “fjell” - noen få millimeter høye - som gjør disse tette gjenstandene, 10 kilometer i diameter, ikke mer, litt asymmetriske. Neutronstjerner snurrer vanligvis veldig raskt, så den asymmetriske massefordelingen vil fordre romfart og produsere et konstant sinusformet gravitasjonsbølgesignal, og senker stjernens rotasjon og utstråler energi.
Par nøytronstjerner som kretser rundt hverandre gir også et konstant signal. I likhet med sorte hull, spiraler disse stjernene og smelter til slutt til en særegen lyd. Men dens egenart skiller seg fra spesifisiteten til lyden av sorte hull.
Hvorfor eksploderer stjerner?
Svarte hull og nøytronstjerner dannes når massive stjerner slutter å skinne og kollapser i seg selv. Astrofysikere tror denne prosessen er kjernen i alle vanlige typer supernovaeksplosjoner av type II. Simuleringer av slike supernovaer har ennå ikke avslørt hvorfor de antenner, men det å antyde å lytte til gravitasjonsbølgesprengningene som sendes ut av en ekte supernova, antas å gi et svar. Avhengig av hvordan burst-bølgene ser ut, hvor høye de er, hvor ofte de oppstår og hvordan de korrelerer med supernovaer sporet av elektromagnetiske teleskoper, kan disse dataene hjelpe til med å utelukke en haug med eksisterende modeller.
Hvor raskt utvider universet seg?
Det ekspanderende universet betyr at fjerne objekter som beveger seg vekk fra galaksen vår virker rødere enn de faktisk er, da lyset de sender ut blir strukket ut når de beveger seg. Kosmologer estimerer utvidelsesgraden av universet ved å sammenligne rødskiftet av galakser med hvor langt de er fra oss. Men denne avstanden blir vanligvis estimert ut fra lysstyrken til supernovaer av type Ia, og denne teknikken etterlater mye usikkerhet.
Hvis flere gravitasjonsbølgedetektorer over hele verden oppdager signaler fra sammenslåingen av de samme nøytronstjernene, kan de sammen helt nøyaktig estimere signalets lydstyrke, så vel som avstanden fusjonen fant sted. De vil også kunne vurdere retningen, og med den identifisere galaksen hendelsen skjedde i. Ved å sammenligne rødskiftet av denne galaksen med avstanden til de sammenslående stjernene, kan man oppnå en uavhengig hastighet av kosmisk ekspansjon, muligens mer nøyaktig enn dagens metoder tillater.
