Den første direkte detektion af gravitationsbølger forventes offentliggjort den 11. februar af forskere ved Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Ved hjælp af to gigantiske LIGO-detektorer - den ene i Livingston, Louisiana og den anden i Hanford, Washington - målte videnskabsmænd krusningerne i rumtiden, der er genereret ved kollisionen mellem to sorte huller og ser ud til at have endelig fundet, hvad de ledte efter.
En sådan erklæring ville bekræfte tyngdekraftsbølgerne, der var forudsagt af Albert Einstein, som han lavede en del af sin generelle relativitetsteori for 100 år siden, men konsekvenserne vil ikke ende der. Som en vibration af stof-tid-rummet sammenlignes gravitationsbølger ofte med lyd, endda omdannet til lydspor. Gravitationsbølgeteleskoper ville gøre det muligt for forskere at "høre" fænomener på samme måde som lette teleskoper "ser" dem.
Da LIGO kæmpede for finansiering fra den amerikanske regering i begyndelsen af 1990'erne, var astronomer dens største udfordrere under kongreshøringer.”Man troede på det tidspunkt, at LIGO ikke havde noget at gøre med astronomi,” siger Clifford Will, en generel relativitetsteoretiker ved University of Florida i Gainesville og en af de tidlige talsmænd for LIGO. Men meget har ændret sig siden da.
Velkommen til feltet med gravitationsbølge-astronomi. Lad os gennemgå de spørgsmål og fænomener, hun kunne afsløre.
Eksisterer sorte huller virkelig?
Det signal, der forventes fra LIGO-meddelelsen, kan være produceret af to fusionerende sorte huller. Begivenheder som disse er de mest energiske kendte; kraften i de tyngdepunktbølger, der udsendes af dem, kan kort formørge alle stjernerne i det observerede univers i alt. Sammenfletning af sorte huller er også ret lette at fortolke ud fra meget rene tyngdepunktbølger.
Salgsfremmende video:
Det signal, der forventes fra LIGO-meddelelsen, kan være produceret af to fusionerende sorte huller. Begivenheder som disse er de mest energiske kendte; kraften i de tyngdepunktbølger, der udsendes af dem, kan kort formørge alle stjernerne i det observerede univers i alt. Sammenfletning af sorte huller er også ret lette at fortolke ud fra meget rene tyngdepunktbølger.
Sammenfletning af sorte huller opstår, når to sorte huller spiral omkring hinanden og udsender energi i form af tyngdekraftsbølger. Disse bølger har en karakteristisk lyd (kvit), der kan bruges til at måle massen af disse to objekter. Derefter smelter sorte huller normalt sammen.
”Forestil dig to sæbebobler, der kommer tæt nok til at danne en boble. Den større boble er deformeret,”siger Tybalt Damour, en gravitationsteoretiker ved Institut for Avanceret Videnskabelig Forskning nær Paris. Det sidste sorte hul vil være perfekt sfærisk, men skal først udsende tyngdekraftsbølger af en forudsigelig type.
En af de vigtigste videnskabelige implikationer ved at opdage fusioner med sort hul vil være bekræftelse af eksistensen af sorte huller - i det mindste perfekt cirkulære genstande, der består af ren, tom, buet rumtid, som forudsagt af generel relativitet. En anden konsekvens er, at fusionen fortsætter, som forskerne forudsagde. Astronomer har en masse indirekte bekræftelse af dette fænomen, men indtil videre har dette været observationer af stjerner og overophedet gas i bane om sorte huller og ikke selve sorte huller.
”Det videnskabelige samfund, inklusive mig selv, kan ikke lide sorte huller. Vi tager dem for givet,”siger Frans Pretorius, specialist i generel relativitetssimulering ved Princeton University i New Jersey. "Men hvis du tænker over, hvad en fantastisk forudsigelse dette er, har vi brug for virkelig forbløffende bevis."
Bevæges gravitationsbølger med lysets hastighed?
Når forskere begynder at sammenligne LIGO-observationer med observationer fra andre teleskoper, er det første, de kontrollerer, om signalet ankom på samme tid. Fysikere mener, at tyngdekraften overføres af gravitonpartikler, fotonens gravitationsanalog. Hvis disse partikler, som fotoner, ikke har nogen masse, vil tyngdekraftsbølger bevæge sig med lysets hastighed, i overensstemmelse med forudsigelsen af hastigheden på tyngdebølger i klassisk relativitet. (Deres hastighed kan påvirkes af den accelererende ekspansion af universet, men dette bør manifestere sig i afstande, der er væsentligt større end dem, der er omfattet af LIGO).
Det er dog meget muligt, at gravitoner har en lille masse, hvilket betyder, at gravitationsbølger bevæger sig med en hastighed, der er mindre end lys. Så for eksempel, hvis LIGO og Jomfruen registrerer tyngdekraftsbølger og finder ud af, at bølgerne ankom på Jorden senere end forbundet med en kosmisk begivenhed af gammastråler, kan dette have fatale konsekvenser for grundlæggende fysik.
Er rumtid lavet af kosmiske strenge?
En endnu fremmed opdagelse kan ske, hvis der opdages bursts af tyngdebølger, der stammer fra "kosmiske strenge." Disse hypotetiske rum-tid krumning defekter, som måske eller måske ikke er relateret til strengsteorier, skal være uendeligt tynde men strækkes til kosmiske afstande. Forskere forudsiger, at kosmiske strenge, hvis de findes, kunne bøje ved et uheld; Hvis strengen bøjer sig, vil den forårsage en tyngdekraft, som detektorer som LIGO eller Jomfruen kunne måle.
Kan neutronstjerner være taggete?
Neutronstjerner er resterne af store stjerner, der kollapsede under deres egen vægt og blev så tæt, at elektroner og protoner begyndte at smelte til neutroner. Forskere har ringe forståelse af fysik i neutronhuller, men tyngdepunktbølger kunne fortælle meget om dem. For eksempel får den intense tyngdekraft på deres overflade neutronstjerner til at blive næsten perfekt sfærisk. Men nogle forskere har antydet, at de også kan have”bjerge” - nogle få millimeter høje - der gør disse tætte objekter, 10 kilometer i diameter, ikke mere, lidt asymmetriske. Neutronstjerner roterer normalt meget hurtigt, så den asymmetriske massedistribution vil fordreje mellemrum og producere et konstant sinusformet gravitationsbølgesignal, hvilket bremser stjernens rotation og udstråler energi.
Par af neutronstjerner, der kredser om hinanden, frembringer også et konstant signal. Ligesom sorte huller spiraler disse stjerner og smelter til sidst sammen til en karakteristisk lyd. Men dens specificitet adskiller sig fra specificiteten af lyden fra sorte huller.
Hvorfor eksploderer stjerner?
Sorte huller og neutronstjerner dannes, når massive stjerner holder op med at skinne og kollapse i sig selv. Astrofysikere mener, at denne proces er kernen i alle almindelige typer supernova-eksplosioner af type II. Simuleringer af sådanne supernovaer har endnu ikke afsløret, hvorfor de antændes, men at lytte til gravitationsbølgesprængninger udsendt af en rigtig supernova antages at give et svar. Afhængig af hvordan burst-bølgerne ser ud, hvor høje de er, hvor ofte de forekommer, og hvordan de korrelerer med supernovaer, der spores af elektromagnetiske teleskoper, kan disse data hjælpe med at udelukke en masse eksisterende modeller.
Hvor hurtigt ekspanderer universet?
Universets udvidelse betyder, at fjerne objekter, der bevæger sig væk fra vores galakse, ser rødere ud end de faktisk er, da lyset, de udsender, strækker sig, når de bevæger sig. Kosmologer estimerer universets udvidelseshastighed ved at sammenligne rødskiftet i galakser med hvor langt væk de er fra os. Men denne afstand er normalt estimeret ud fra lysstyrken for type Ia supernovaer, og denne teknik efterlader en masse usikkerheder.
Hvis flere gravitationsbølgedetektorer verden over detekterer signaler fra fusionen af de samme neutronstjerner, kan de sammen helt nøjagtigt estimere signalets lydstyrke såvel som den afstand, som fusionen fandt sted. De vil også være i stand til at vurdere retningen og med den identificere den galakse, hvor begivenheden fandt sted. Ved at sammenligne rødskiftet af denne galakse med afstanden til de fusionerende stjerner, kan man opnå en uafhængig hastighed af kosmisk ekspansion, muligvis mere nøjagtig end de nuværende metoder tillader.