– Et nyåpna vindu mot universet

For tre milliarder år siden smelta to sorte hull sammen, omtrent 1,3 milliarder lysår unna oss. For hundre år siden lanserte Albert Einstein idéen om at massive, akselererte objekter ville fremprovosere krusninger i romtiden – gravitasjonsbølger. 14. september 2015 registrerte to forskjellige laboratorier, et i Washington og et i Louisiana, etterdønningene av sammensmeltinga, observasjonen varte bare i et femtedels sekund. Dermed var den årelange jakta på gravitasjonsbølger over.

– En av de aller største oppdagelsene innen astronomi og fysikk fra de siste tiårene, sier Jostein Riiser Kristiansen.

– De er et nyåpna vindu mot universet, sier Bjørn Hallvard Samset.

• ​Les: Den vakreste teorien

I dag ble det klart at Ronald W. P. Drever og Kip S. Thorne, begge fra California Institute of Technology, og Rainer Weiss, Massachusetts Institute of Technology får Kavliprisen i astrofysikk for direkte påvisning av gravitasjonsbølger.

Bølger i fire dimensjoner

For å kunne forstå hva gravitasjonsbølger egentlig er, må vi starte med romtid. Romtiden er firedimensjonal, noe som kan være litt forvirrende å forholde seg til siden verden unektelig virker tredimensjonal – den har utstrekning i høyden, bredden og dybden.

Den fjerde dimensjonen er tid. Se for deg at du skal avtale et møte med en annen person i et svært hus. Hvis dere blir enige om koordinater for bredde og dybde vet dere hvor på gulvet dere skal møtes. Kommer dere fram til et tredje koordinat for høyde ender dere også opp i samme etasje. Men vil dere være sikre på at dere faktisk møtes, må dere finne ut når det skal skje, dere må altså inkludere et fjerde koordinat, tid.

• Les: Einstein og jakten på gravitasjonsbølgene | Kollokvium

Hvis vi forholder oss til Einsteins generelle relativitetsteori, noe blant annet påvisninga av gravitasjonsbølger forteller oss at vi gjør lurt i, er tid og rom altså fletta sammen. For å forstå hvordan gravitasjon fungerer, kan det være greit å bruke trampolineanalogien. Da må vi forestille oss at den firedimensjonale romtida nå er komprimert ned til en todimensjonal og elastisk overflate:

Legg ei bowlingkule på ei slakk trampoline. Hva skjer? Jo, overflata tøyes, og kula lager et søkk. Legger vi enda ei bowlingkule på trampolina vil kulene rulle mot hverandre. Sånn virker gravitasjon, objektene krummer romtiden, noe som fører til at de trekker på hverandre.

Så over til gravitasjonsbølgene. Ei bowlingkule som ligger i ro på trampolina lager ingen bølger. Det gjør derimot ei kule som ruller fram og tilbake. Søkket i trampolina følger kula, i tillegg lager den bølger som sprer seg utover i alle retninger. Det er omtrent på samme måte med gravitasjonsbølger – et objekt som står i ro lager ikke bølger, mens et objekt som akselererer lager bølger i romtida.

Gravitasjonsbølgene brer seg utover med lysets hastighet, og strekker og klemmer på selvet rommet, og alt i det. Du blir også til stadighet utsatt for gravitasjonsbølger, og da strekkes og klemmes kroppen din. Vi kommer tilbake til gravitasjonsbølgenes kraft senere, men kan allerede nå avsløre at du ikke trenger å bekymre deg nevneverdig for proporsjonene dine.

Bevist for andre gang

Fjorårets oppdagelse av gravitasjonsbølger var ingen overraskelse, tvert imot. For det første har Einsteins generelle relativitetsteori tålt tidens tann, og den sier at de finnes. For de andre ble gravitasjonsbølgenes eksistens tilnærma bevist gjennom indirekte observasjon allerede i 1982.

De amerikanske fysikerene Joseph Taylor og Russel Hulse oppdaga i 1974 en binærpulsar, to nøytronstjerner som går i bane rundt hverandre. Hulse og Taylor observerte de kompakte stjernerestenes omløpstid over flere år, og fant ut at den stadig kortere omløpstida stemte nøyaktig overens med Einsteins forutsigelse av utsending av gravitasjonsbølger.

En indirekte observasjon er vel og bra, men en direkte observasjon er enda bedre. Og det er her LIGO-eksperimentet (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) og Kavli-pris-vinnerne Drever, Thorne og Weiss kommer inn i bildet.

Idéen om at et interferometer kunne påvise gravitasjonsbølger ble født allerede på sekstitallet, men LIGO var ikke ferdigbygd før i 2002. LIGO består av to enorme interferometer som står 300 mil fra hverandre, et i Hanford, Washington, og et i Livingston, Louisiana. De fungerer, veldig forenkla, på følgende måte:

En laserstråle sendes gjennom en strålesplitter. Splitteren deler stråla i to, én fortsetter rett frem, én bøyer 90 grader av. Strålene går gjennom hver sin fire kilometer lange tunnel, i enden treffer de hvert sitt speil, og kastes tilbake mot splitteren. Under normale omstendigheter vil de to strålene nå nulle ut hverandre, og lyssensoren bak splitteren registrerer ingenting. En gravitasjonsbølge vil derimot forandre bittelitt på lengden til de to armene og føre til at strålene ikke lenger nuller hverandre ut, noe som fører til at lyssensoren registrerer et signal.

Det var dette som skjedde 14. september i fjor. Og nå kommer den tidligere utlovte perspektiviseringa av gravitasjonsbølgenes kraft: Lengdeendringa på LIGO-arma tilsvarer en tusendel av diameteren til et proton. Det er ganske lite.

Drever, Thorne og Weiss gjorde ikke dette på egen hånd. I pressemeldinga fra Det Norske Videnskaps-Akademi står det at «påvisningen av gravitasjonsbølger er en bedrift som hundrevis av forskere, ingeniører og teknikere verden rundt deler æren for. Drever, Thorne og Weiss utmerker seg med sin oppfinnsomhet, sitt engasjement, sitt intellektuelle lederskap og sin standhaftighet, som var drivkreftene bak denne særdeles betydelige oppdagelsen».

– Her kommer det mer

Hvor viktig er så dette, lurer du kanskje? Vi lar fysiker Bjørn Hallvard Samset og astrofysiker Jostein Riiser Kristiansen svare på det. Samset først:

– Oppdagelsen er gigantisk. Det er så få sammenlignbare at jeg kan liste dem opp i ett avsnitt: En gang i tiden var den eneste informasjonen som steg ned til oss fra universet, det synlige lyset øynene våre kunne se. Så fikk vi teleskop, og kunne se mye svakere ting. Oppdagelsen av det elektromagnetiske spektrumet ga oss gamma- og røntgen-astronomi, radiobølger, infrarød astronomi og så videre. Så fant vi partiklene i den kosmiske strålinga, og til slutt nøytrinoene og den kosmiske bakgrunnstrålinga.

Samset sier at alle disse har åpna universet for oss, på nye og gjerne helt uventa måter, og at oppdagelsen av gravitasjonsbølger er helt på høyde med dette.

Kristiansen sier at dette er en av de aller største oppdagelsene innen astronomi og fysikk fra de siste tiårene.

– Oppdagelsen av Higgs-bosonet er en naturlig sammenligning. Higgs-oppdagelsen resulterte i en nobelpris ved første mulige anledning, og det skulle ikke forundre meg om det samme vil skje med gravitasjonsbølgene. I så fall er det jo litt artig at den "norske" Kavli-prisen har vært først ute.

Dette er altså svære greier, såpass skjønner vi. Men hvorfor? Hva kan vi lære?

– I første omgang lar gravitasjonsbølgene oss måle voldsomme hendelser som skjer såpass langt unna, og for så lenge siden, at informasjonen aldri ville nå oss på noen annen måte. Oppdagelsen selv, som ble gjort på restene av en tre milliarder år gammel kollisjon mellom sorte hull, er et nydelig eksempel. Det er ingen annen måte vi kunne ha “observert” dette på, sier Samset.

Kristiansen lister opp flere konkrete fenomener vi ønsker å undersøke nærmere:

• Gravitasjonsbølger kan brukes til å finne ut mer om universets historie og innhold. Ved å observere sammensmeltende svarte hull ved ulike avstander fra oss, kan vi lære om hvor raskt universet har vokst ved ulike tidspunkter i historien. Dette kan igjen brukes til å lære mer om mørk energi.

• Vi leter etter en grunnleggende kvantegravitasjonsteori som kan beskrive både gravitasjon og kvantefenomener. Generell relativitetsteori og kvantefysikk henger foreløpig ikke helt sammen. Vi regner med at gravitasjonsbølger formidles gjennom kvantefysiske partikler som vi kaller gravitoner. Å lære mer om gravitoner kan være en viktig nøkkel for å åpne døra til kvantegravitasjon.

• På sikt kan vi også håpe på å få et nytt innblikk i universets gjøren og laden i tiden rett etter Big Bang. De første 380 000 årene av universets historie var rommet fylt av en tett tåke, fullstendig ugjennomsiktig for elektromagnetiske bølger. Så langt har vi derfor ikke hatt mulighet til å direkte observere forholdene i universet fra tiden før tåka lettet. Gravitasjonsbølger vil imidlertid passere rett gjennom universets urtåke, og kan derfor gi oss ny informasjon om universets tidlige historie.

Samset og Kristiansen er enige om at det aller mest spennende er det vi ikke forventer.

– Historien har vist oss at nye måter å observere universet på, når vi har begynt å observere nye typer elektromagnetisk stråling, veldig ofte har bydd på store overraskelser. Nå snakker vi ikke bare om en ny type elekektromagnetisk stråling, men en fundamentalt ny måte å observere på. Dermed vil også fundamentalt nye overraskelser kunne dukke opp, sier Kristiansen.

Samset supplerer:

– Gravitasjonsbølger kommer garantert til å lære oss noe helt uventa. De er et nyåpna vindu mot universet. Enn så lenge har vi bare tatt det minste lille blikk ut mot en ny flik av naturen. Her kommer det mer.

Vi gleder oss voldsomt til å finne ut hva vi kan se gjennom det nyåpna vinduet, og gratulerer Ronald W. P. Drever, Kip S. Thorne og Rainer Weiss med Kavli-prisen i astrofysikk!