gravitasjonsbølger

Gravitasjonsbølger er en konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori.

Ifølge relativitetsteorien eksisterer ikke gravitasjon som en kraft. Men masse krummer rommet (se figur), og når en gravitasjonsbølge passerer en detektor, vil rommets geometri endres der detektoren befinner seg. Dermed oppstår en kortvarig endring av detektorens fasong. Dette er vanligvis en uhyre liten effekt. Derfor er det svært vanskelig å registrere gravitasjonsbølger direkte ved hjelp av en gravitasjonsbølgedetektor.

Én virkning av gravitasjonsbølger er observert. Fysikerne Russell A. Hulse og Joseph H. Taylor observerte i en 20-års periode dobbeltpulsaren PSR 1913+16. De beregnet hvordan perioden, det vil si tiden de to pulsarene bruker på å bevege seg rundt hverandre, ville endres på grunn av utstråling av gravitasjonsbølger (se figur). Observasjonene ga full overensstemmelse med beregningene. Dermed kunne forskerne konkludere med at nå var i det minste virkningene av gravitasjonsbølger observert. Dette regnes som et indirekte bevis på at gravitasjonsbølger eksisterer.

Hulse og Taylor fikk Nobelprisen i fysikk 1993 for dette arbeidet.

Gravitasjonsbølgedetektoren LIGO (forkortelse for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) består av to L-formede antenner; én i Hanford, Washington og én i Livingston, Louisiana. Når en gravitasjonsbølge passerer en slik L-formet detektor, endres lengdene til de to rette delene av L-en litt forskjellig. Dette kan måles ved å sende lys fra laboratoriet i huset i midten av detektoren (se fotografi) til enden av de rette rørene, la det reflekteres der og så bevege seg tilbake til laboratoriet i sentrum der lyset fra de to strålene møtes og danner et interferensmønster som avhenger av reisetiden til de to lysstrålene (se figur). LIGO-detektorene er konstruert slik at ikke noe lys kommer frem til lysdetektoren i normalmodus. Dersom en gravitasjonsbølge passerer detektoren, endres interferensmønsteret på en bestemt måte som forskerne har beregnet på forhånd, slik at det dukker opp et signal i lysdetektoren som de kan kjenne igjen.

Detektoren ble fullført i september 2015, og fra da av har man søkt etter signaler som skyldes gravitasjonsbølger. De første resultatene ble annonsert 11. februar 2016.

Allerede den 14. september 2015 dukket det opp et svært interessant signal i begge detektorene til Ligo (se figur).

På det sterkeste var signalet 24 ganger sterkere enn bakgrunnsstøyen. Simuleringer av signaler fra ulike typer kilder viste at det høyst sannsynlig dreide seg om gravitasjonsbølger sendt ut fra to kompakte legemer, nøytronstjerner eller svarte hull, som beveget seg i spiralbane inn mot hverandre og så kolliderte. Signalet ble kalt GW 150914. Dette er den første observasjon av gravitasjonsbølger med en gravitasjonsbølgeantenne.

Signalene varte i omtrent 0,2 sekunder og frekvensen økte da fra 35 Hz til 250 Hz. Det ble gjort simuleringer av hvilke signaler LIGO-detektoren får på grunn av gravitasjonsstråling fra kolliderende nøytronstjerner eller svarte hull i tette spiralbaner rett før de kolliderte (illustrert øverst i figur 9). Simuleringene passet best med at gravitasjonsbølgene kom fra et system av to svarte hull der det ene hadde 29 solmasser og det andre 36. Etter hvert som de nærmet seg hverandre, fikk de svarte hullene en vanvittig stor fart. Rett før de smeltet sammen beveget de seg rundt hverandre 125 ganger i sekundet med halvparten av lyshastigheten.

Da de smeltet sammen oppsto den kraftigste eksplosjonen vi vet om, nest etter universets begynnelse i et kjempesmell. Det doble svart hull-systemet sendte ut energien 5,4·10⁴⁷ joule (tallet er skrevet på standardform) i form av gravitasjonsbølger. Dette svarer til at 3 solmasser ble gjort om til energi (E = mc²), slik at det ble igjen et svart hull med 62 solmasser. Til sammenlikning sender et system av kolliderende nøytronstjerner ut et gammaglimt som typisk har energien 10⁴² joule. Her ble det altså sendt ut over 500 000 ganger mer energi i form av gravitasjonsbølger enn den energien to kolliderende nøytronstjerner sender ut i form av gammastråling.

Den maksimale gravitasjonsbølge-luminositeten ble beregnet å være 3,6·10⁴⁹ watt. Det er 10²³ ganger solas luminositet, godt og vel den samlete luminositeten av alle stjernene i den observerbare delen av universet. Ut fra observasjonene som førte til registreringen av GW 150914, har forskerne beregnet at innenfor en avstand på 3,26 milliarder lysår skal det skje mellom 2 og 400 slike kollisjoner per år.

Systemet er 1,3 milliarder lysår fra jorda. På denne store avstanden fra kilden er bølgefrontene plane flater vinkelrett på bevegelsesretningen. Gravitasjonsbølgene endret lengden av armene med ca. 1/200 av radien til et proton.

Detektoren i Louisiana oppdaget bølgene 7 millisekunder før den i Washington. Denne tidsdifferansen avhenger av bølgefrontenes orientering og gravitasjonsbølgenes hastighet. Dermed kunne forskerne utlede at kilden er et sted over den sørlige halvkule og at bølgene ikke kan ha større hastighet enn 1,7 ganger lyshastigheten. Relativitetsteorien forutsier imidlertid at gravitasjonsbølgene beveger seg med lyshastigheten i tomt rom.

Den 17. august 2017 registrerte LIGO og Virgo et gravitasjonsbølgesignal som varte i 100 sekunder. Det økte i styrke og ble avsluttet med et markert maksimum. Andre observatorier ble raskt kontaktet, og et gammaglimt ble observert med Fermi romobservatoriet 1,7 sekunder etter signalets maksimum. Kilden er senere blitt observert over en stor del av det elektromagnetiske spekteret. Elleve timer etter gammaglimtet ble det fotografert en optisk etterglød, en kilonova. Etter henholdsvis 9 og 16 dager dukket det opp ettergløder i røntgen- og radiodelen av spekteret. Kilden viste seg å være kolliderende nøytronstjerner i en galakse 130 millioner lysår fra jorda. En analyse av dataene tyder på at en stor del av grunnstoffene tyngre enn jern er dannet i kollisjoner av nøytronstjerner.

Disse observasjonene har åpnet et nytt felt av astronomien, på engelsk kalt multi-messenger astronomy, og på norsk omtalt som flersignal-astronomi. En ny éra i astronomien er innledet. Den 17. august 2017 vil bli husket som dagen da flersignal-astronomi oppsto.

De nye observasjonene har åpnet et nytt vindu til studier av kilder som sender ut gravitasjonsbølger, for eksempel områder nærmere det supermassive svarte hullet i Melkeveiens senter enn man har vært i stand til å observere tidligere.

Ved å observere universet ved hjelp av gravitasjonsbølger med forskjellige bølgelengder kan man studere ulike fysiske prosesser:

• Millisekunder: roterende nøytronstjerner og supernova-eksplosjoner.
• Sekunder og timer: prosesser i sentrum av galakser.
• År: Kolliderende supermassive svarte hull.
• Milliarder år: Kvantefluktuasjoner i det tidlige univers (se figur).

Teorien for universets begynnelse i form av et kjempesmell (big bang) forutsier at det skal dannes kosmiske gravitasjonsbølger i denne prosessen som det skal være mulig å se spor av i den kosmiske mikrobølgestrålingen. Man er i tvil om disse signalene er sterke nok til å kunne bli registrert med dagens utstyr. Forskerne er også redd for at de drukner i liknende signaler fra andre kilder som ikke har noe med gravitasjonsbølger å gjøre.

• Romsonden LISA Pathfinder prøver ut ny en metode for å registrere gravitasjonsbølger