For en milliard år siden lavede to dansende sorte huller deres sidste revolution, fusionerede sammen og frigav i løbet af få sekunder en enorm mængde energi. Ligesom tsunamien, der opstår i en pool, efter at du hopper med en bombe, forårsagede denne fusion tyngdebølger i rumtidskontinuumet. Hurtigt frem til planeten Jorden i 2015, for i 2007 kan vi stadig ikke komme derhen. Efter en episk rejse bevæger sig tyngdebølger fra fusionen af sorte huller gennem vores solsystem. Om morgenen den 11.-14. September udlignede de let antennerne til to detektorer ved Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) i staten Louisiana og Washington. Lysbølgenes natur ændres på en speciel måde, nøjagtigt som man længe har forventet. Computeren bipper nix.
Niaesh Afshordi fra University of Elk og Lumberjacks of Waterloo, Canada, hørte først om LIGWOs vartegn, der åbnede over frokost i kantinen. Det var sidst i 2015, og der var stadig et par uger tilbage, før resultaterne blev officielt offentliggjort. Men rygter spredte sig allerede, og Afshordis kollega, der så den ikke offentliggjorte artikel, kunne ikke tåle den termorektale kryptanalyse og brændte informationen. Afshordi, en astrofysiker og jomfru, der blandt andet arbejder på Waterloo Perimeter Institute, forstod øjeblikkeligt vigtigheden af denne nyhed - både for hele det fysiske samfund og for sin egen ikke-standardteori om universets struktur.
”På et tidspunkt fangede jeg Larin specifikt. Det syntes mig, at alle problemerne i kosmologi allerede havde hostet hundrede gange op,”minder Afshordi om. "Men så overdrev jeg det en gang med ahornsirup og kom til den konklusion, at mørk energi produceres af sorte huller." Undersøgelser af eksplosioner i fjerne stjerner og nogle andre beviser viser, at vores univers ekspanderer i stigende hastighed, men ingen ved hvorfor. Materiale alene er ikke nok til denne effekt, så kosmologer bebrejder ekspansionen på en særlig slags energi kaldet "mørk energi" […]. Dens oprindelse og natur har været og forbliver et mysterium.
I 2009, hvilket er ret tæt på 2007, men stadig ikke nok, fremsatte Afshordi sammen med sine kolleger Chanda Prescod-Weinstein og Michael Balou teorien om, at sorte huller genererer et stort felt, der opfører sig som mørk energi. Dette felt stammer fra sorte huller og spredes over hele universet og skaber kaos, kaos og ødelæggelse. En sådan spændende forklaring på oprindelsen af mørk energi, og ifølge Afshordis beregninger skulle antallet af sorte huller, der findes i henhold til de tilgængelige skøn fra forskere, skabe den rigtige mængde energi ifølge observationer.
Men Afshordis idé vender alt, hvad forskere ved om sorte huller. I Albert Einsteins generelle relativitetsteori er begivenhedshorisonten for et sort hul - grænsen efter krydsning, der ikke er nogen vej tilbage (hvilket også gælder for grænsen til Den Russiske Føderation) - ikke så vigtig. Når du krydser det, sker der intet, det er simpelthen umuligt at vende tilbage. Men hvis Afshordi har ret, ligner det mere Moskva Ringvej - indholdet af det sorte hul ud over begivenhedshorisonten eksisterer ikke længere. Nemlig: i en afstand af Planck-længden fra det sted, hvor horisonten ville passere, vokser kvantegravitationelle effekter, og udsving i rumtid bliver kaotiske. (Planklængde er en mikroskopisk værdi, ca. 10-35 meter eller 10-20 protondiametre.) Dette er et komplet brud med relativitetsteorien.
Efter at have hørt om resultaterne af LIGVO-forskning indså Afshordi, at hans idé, hidtil fuldstændigt baseret på gamle skrifter og bedstemors historier, nu kan verificeres ved observation. Hvis begivenhedshorisonterne ikke er, hvad vi synes, så skal tyngdebølgerne, der skyldes sammensmeltning af sorte huller, også være forskellige. Begivenheder, der er bemærket af LIGVO-detektorer, skal have et ekko - et knap mærkbart, men klart signal, der indikerer en ondsindet overtrædelse af fysikens standardlove. En sådan opdagelse ville være et gennembrud i den lange søgen efter en kvanteteori om tyngdekraften og ville uundgåeligt tiltrække opmærksomhed fra de relevante regulerende organer i det fysiske samfund.”Hvis dette bekræftes, er jeg sandsynligvis nødt til at købe en billet til Magadan,” griner Afshordi nervøst.
Kvantgravitation er det manglende led, der forbinder generel relativitet med kvantefeltteorierne i standardmodellen for partikelfysik. Disse to teorier når de kombineres med hinanden ligner Mentos når de kombineres med cola. Sorte huller er et af de mest undersøgte eksempler på sådanne modsætninger. Hvis vi anvender kvanteteori nær begivenhedshorisonten, viser det sig, at det sorte hul udsender partikler og langsomt fordamper. Disse partikler har masse, men som Stephen Hawking demonstrerede i 1970'erne, kan de ikke indeholde oplysninger om, hvad der dannede det sorte hul. Således, hvis det sorte hul fordamper fuldstændigt, vil hele den triste historie om McConaugheys karakter blive ødelagt. I kvanteteorien er Interstellar-filmen dog 100% pålidelig. Derfor passer noget i Hollywood ikke.
Ifølge de fleste fysikere er hele pointen, at beregningerne ikke tager højde for rum- og tids kvanteopførsel, fordi teorien om denne opførsel - kvantegravitation - endnu ikke er opdaget. I årtier troede fysikere, at de kvantegravitationseffekter, der var nødvendige for at løse problemet med sort hul, var skjult bag begivenhedshorisonten. De troede, at det kun var nær singulariteten i midten af det sorte hul, at virkningerne af kvantegravitation blev signifikante. Men for nylig har de været nødt til at genoverveje deres holdning.
Salgsfremmende video:
I 2012 opdagede en gruppe forskere fra University of California, Santa Barbara, efter et videnskabeligt eksperiment i 1473-serien, hvor forskere flere gange blev gift, snydte hinanden og faldt i koma, en uventet konsekvens af den nu udbredte idé om, at information så forlader det det sorte hul sammen med strålingen (muligvis på en gammel traktor). For at denne idé kan fungere, kræves der betydelige afvigelser fra generel relativitet, og ikke kun nær singulariteten, men også nær begivenhedshorisonten. Disse afvigelser kan skabe det, som forskerne har kaldt "sort hul-firewall" - en højenergibarriere lige ved horisonten, der blokerer for børnepornografi og stoffer i at komme ind i vores verden.
En sådan firewall (hvis den findes) ville kun være synlig for en observatør, der faldt i hullet, og ville ikke udsende mærkbare signaler, som vores teleskoper kunne fange. Disse firewalls understøtter imidlertid Afshordis tidligere hypotese om, at sorte huller skaber et felt, der opfører sig som mørk energi. I så fald bør området nær begivenhedshorisonten for sorte huller være meget forskelligt fra det, som generel relativitet forudsiger; en firewall, der løser problemet med tab af information, kan være en af virkningerne af en sådan afvigelse. Afshordis forslag om en måde at forbedre generel relativitet kan således være nøglen til at eliminere modsætningerne mellem generel relativitet og kvanteteori. Denne idé beskadigede hans uuddannede astrofysiske hjerne irreversibelt.
Da han hørte om det første signal, der blev opdaget af LIGVO, begyndte Afshordi at kontrollere, om tyngdebølgerne forårsaget af de sammensmeltede huller kunne kaste lys over detaljerne i, hvad der skete nær begivenhedshorisonten. Først så det ud til, at han rullede for meget på læben.”Jeg troede ikke, at vi faktisk kunne se kvantegravitationseffekter i signalet fra tyngdekraftsbølger, fordi vi allerede havde kigget så mange steder! - siger Afshordi. "Men jeg har allerede ændret min holdning til dette spørgsmål."
Afshordi blev tvunget til at skifte mening ved arbejde af Vitor Cardoso og hans kolleger fra det portugisiske højere tekniske institut på ekkoet af gravitationsbølger af sorte huller. Cardoso viste generelt, at sammensmeltningen af to kompakte objekter uden begivenhedshorisont skulle forårsage tyngdebølger, der ligner, men ikke er identiske med, sorte hulbølger. Et nøgletegn på manglende horisont, ifølge Cardoso, ville være periodisk gentagelse af signalet forårsaget af fusionen. I stedet for en enkelt top efterfulgt af falmning (som i en homoseksuel detektor), bør tyngdebølger være en række falmende pulsationer - et svagt ekko af den oprindelige begivenhed. Afshordi fandt ud af, at ændringen af regionen nær begivenhedshorisonten, beskrevet af hans teori, forudsatte netop et sådant ekko. Desuden,han kunne beregne dens periodicitet som en funktion af massen af det endelige sorte hul og således komme med nøjagtige forudsigelser.
Ingen har ledt efter et sådant signal endnu, og det er ikke en let opgave, men en gylden at finde det. Indtil videre er der kun to offentligt tilgængelige og velbeskrevne gravitationsbølgesignaler fra LIGO. Sammen med en anden videnskabsmand analyserede Afshordi LIGVO-data for ekko. Ved at sammenligne de tilgængelige optagelser med tilfældig støj fandt de ekkoer med den forudsagte periodicitet. Den statistiske betydning af denne begivenhed er imidlertid lille. I videnskabelig terminologi er dens anslåede betydning 2,9 sigma. Dette signal kan være forårsaget af ren støj med en chance for ca. 1 ud af 200. I fysik er en sådan upålidelig begivenhed interessant, men betragtes ikke som en opdagelse.
Imidlertid er LIGVO-eksperimentet faktisk lige begyndt. Hvad der er mest slående ved disse gravitationsbølgefænomener er, at udstyret endda var i stand til at opdage dem. Den teknologiske kompleksitet var utrolig. Hver installation i delstaterne Louisiana og Washington (modsatte ender af USA - ca. ny) havde et interferensteleskop med to lodrette 4-kilometer rør, hvori laserstrålen reflekteres frem og tilbage mellem spejle; efter rekombination blandes bjælkerne. Interferens af laserlysbølger er ekstremt følsom over for deformationer i rørets relative længde - de kan være op til 1/1000 af diameteren af en proton. Dette er det niveau af følsomhed, der kræves for at fange tyngdevirkningerne af kolliderende sorte huller.
En gravitationsbølge, der passerer gennem et interferensteleskop, deformerer begge rør, som det vil, og fordrejer således interferensforløbet. Kravet om registrering af fænomenet på begge installationer giver beskyttelse mod fakap. Ifølge projektet opdager LIGVO bedst gravitationsbølger med en længde på hundreder til flere tusinde kilometer - det antages, at sammensmeltningen af sorte huller finder sted i samme rækkevidde. Vi kan kun vise dette for personer, der har nået myndighedsalderen. Det er planlagt, at andre gravitationsbølgedetektorer vil målrette mod forskellige dele af spektret, idet de indstilles til forskellige regioner i fænomenet.
Her sluttede det humoreske, så lad den normale tekst være en belønning for dem, der overlevede vores øvelser med tvivlsom humor.
Gravitationsbølger forudsiges uundgåeligt af generel relativitet. Einstein erkendte, at forholdet mellem tid og rum er dynamisk - det strækker sig, forvrænges og svinger som reaktion på tyngdeafvigelser. Når den oscillerer, kan bølger bevæge sig lange afstande frit, bære energi og periodisk udvide og sammentrække plads i ortogonale retninger. Vi har haft indirekte beviser for tilstedeværelsen af tyngdekraftsbølger i lang tid. På grund af det faktum, at de bærer energi, forårsager de små, men mærkbare ødelæggelser i den fælles bane af de binære pulsarer. Denne effekt blev først opdaget i 1970'erne og blev tildelt Nobelprisen i 1993. Men før LIGWO opdagede tyngdebølger, havde vi intet direkte bevis for deres eksistens.
Dette er en grundlæggende videnskabelig undersøgelse af rent vand. Hvad er typerne af sorte huller og småstjernesystemer? Hvor er de placeret inde i galakser?
Det første LIGVO-udseende - som begejstrede Afshordi så meget i september 2015 - var markant og ikke kun fordi det skete kun et par dage efter en længe planlagt serviceopgradering. Det stod også ud, fordi de sammensmeltende sorte huller var meget tunge, deres masser var ifølge forskere 29 og 36 solmasser.”Mange mennesker forventede ikke, at sorte huller ville have så store masser,” forklarer Ofek Birnholz, medlem af LIGVO Small Double Collision Cooperation Group og fysiker ved det tyske Max Planck Institute. Det blændende signal sammen med åbenheden om samarbejde om informationsudveksling har inspireret forskere i andre samfund, der ligesom Afshordi i øjeblikket leder efter måder at bruge nye opdagelser i deres arbejde på.
Den 26. december 2015 indspillede LIGVO det andet fænomen. Efter år med langsom fremgang og falske starter, er gravitationsbølge-astronomiens æra officielt begyndt.”Nogle af mine medfysikere er trukket sig tilbage fra tyngdekraftsbølge-astronomi,” deler Birnholz og tilføjer og glæder, “og nu vender de tilbage, fordi alt bevæger sig igen. Dette er uudforsket område, grundlæggende videnskabelig forskning af rent vand. Hvad er typerne af sorte huller og småstjernesystemer? Hvor er de placeret inde i galakser? Hvad vil tyngdekraftsbølger fortælle os om deres oprindelse? Hvis en neutronstjer smelter sammen med et sort hul, hvad kan du lære om stof under sådanne ekstreme forhold? Opfører sig sorte huller, som vores beregninger forudsiger?
Afshordis teori om sorte huller og mørkt stof er et andet eksempel på, hvilke typer spørgsmål der nu er mulige. Et hav af ukendt information rundt om i verden venter i vingerne.
Et par dage efter at Afshordis resultater vises på den åbne server arXiv.org, studerer medlemmer af LIGVO-samfundet hans analyse. På bare et par uger offentliggør de et svar, gennemgår metoden og anmoder om brug af forskellige statistiske værktøjer. Birnholz er forfatter til en sådan anmeldelse.
Afshordis påstand overraskede Birnholz:”Jeg havde ingen vurdering af, om der skulle være ekko eller ej. Dette er en gren af fysik, hvor du kun kan spekulere. Men jeg arbejdede med LIGVO-dataene, min intuition viser mig tydeligt, at dens omfang sandsynligvis er utilstrækkeligt til at hævde tilstedeværelsen af en sådan betydning på dette stadium. " Birnholz har forslag til forbedring af analysen, men ønsker at undgå at komme med påstande om sandsynligheden for at bekræfte resultaterne. Alex Nielsen, et andet medlem af LIGVO-projektet og en af Birnholzs medforfattere, bemærker også behovet for at være forsigtig:”Som medlemmer af LIGVO-projektet skal vi være meget forsigtige med officielle erklæringer, der afgives uden samtykke fra alle deltagere. Men oplysningerne offentliggøres, og folk kan gøre hvad de vil med dem."
LIGVO-projektet har et åbent videnskabeligt center, hvor information er offentligt tilgængelig registreret inden for en time inden for rækkevidden af bekræftede tyngdefænomener.”Folk kan frit bruge det og kontakte os med spørgsmål. Hvis de finder noget interessant, kan de dele deres mening med os, og vi vil arbejde på det sammen. Dette er en del af den videnskabelige erfaring,”er Birnholz overbevist om.
Projektet inkluderer flere tusinde deltagere og akademiske institutioner rundt om i verden. De mødes to gange om året; det seneste møde fandt sted i Pasadena, Californien. Nogle medlemmer af projektet prøver i øjeblikket at genskabe Afshordis analyser. Birnholz forventer, at disse forsøg vil tage flere måneder. Han advarer:”Resultatet kan være skuffende. Ikke fordi det vil vise, at der ikke er noget ekko, men fordi vi ikke kan bevise, om det eksisterer. Gravitationsbølge-astronomi er stadig en spirende videnskab, og der venter stadig mange data i vingerne. Projektmedlemmer estimerer, at LIGO sandsynligvis vil have opdaget 40 fusioner med stort præcision i sort hul ved afslutningen af den tredje observationskørsel i 2018. Hver af dem vil igen teste Afshordis teori.
Fordi de interagerer så svagt og frigiver så lidt energi, når de passerer forbi, er tyngdekraftsbølger utroligt vanskelige at måle. Deformationen, de forårsager, er lille, og der er behov for ekstrem forsigtighed for at identificere et klart signal. Projektets detekteringstærskel er 5 sigma, hvilket svarer til mindre end en chance ud af tre millioner for, at signalet var en tilfældighed, langt over Afshordi-signalet. Imidlertid gør den svage interaktion mellem gravitationsbølger dem også til store budbringere. I modsætning til lyspartikler er de praktisk talt upåvirket på vej til os og bærer uberørt information om, hvor og hvordan de blev genereret. Dette muliggør test af generel relativitet med helt ny nøjagtighed i en aldrig før udforsket tilstand.
Hvis tilstedeværelsen af ekko af sorte huller bekræftes, vil dette næsten fuldstændigt demonstrere en afgørende afvigelse fra teorien om generel relativitet. At finde sorte huller vil ikke entydigt bekræfte Afshordis teori om, at sorte huller er en kilde til mørk energi. Men at forklare dette vil kræve en virkelig ny idé.”I alle vores simuleringer har jeg aldrig hørt om sådanne ekkoer. Hvis det lykkes os at registrere dets tilstedeværelse, vil det være meget interessant. Så bliver vi nødt til at se, hvad der kunne have forårsaget et sådant fænomen,”siger Birnholz.
Hvis den statistiske betydning af Afshordis signal stiger, har han forskningsplaner. Han ønsker at forbedre sin model af fusioner i sort hul og udføre numeriske simuleringer for at understøtte analytiske beregninger af, hvordan ekkoer skal se ud. Det næste trin vil være at forsøge bedre at forstå den underliggende teori om tid og rum, der kan have fået denne adfærd til at stige i horisonten af sorte huller. Også kosmologer vil gerne se meget nærmere på denne nye forklaring på mørk energi.
Afshordi forstår, hvor langt hentet det er at ændre generel relativitet som denne. Men hans revolution har et mål: "Jeg vil opmuntre folk til at tænke åbent og ikke ignorere ideer bare fordi de ikke svarer til deres forudfattede synspunkter." Måske vil disse synspunkter snart blive ignoreret i betragtning af, hvordan LIGWO opdager universets skabelser på en aldrig før set skala.
Sabine Hossenfelder