Gravitationsbølger: Da vi begyndte at lytte til universet

I hundreder af år har astronomi handlet om lys – synligt lys, radiobølger, røntgenstråler. Den 14. september 2015 fik vi en helt ny sans: Detektorerne i det amerikanske LIGO-observatorium registrerede for første gang en gravitationsbølge, en krusning i selve rumtiden. Det var begyndelsen på det, der i dag kaldes gravitationsbølgeastronomi.

Hvad er en gravitationsbølge?

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 er tyngdekraft ikke en kraft i traditionel forstand, men en krumning af rum og tid. Når meget tunge objekter accelererer – fx to sorte huller, der kredser om hinanden – sender de krusninger ud i rumtiden, der breder sig med lysets hastighed. Einstein forudsagde dem i 1916, men regnede med, at de var alt for svage til nogensinde at blive målt.

Når en gravitationsbølge passerer, strækkes rummet en anelse i én retning og trykkes sammen i en anden – og så omvendt. Effekten er ekstremt lille: Selv fra en af universets voldsomste begivenheder ændrede bølgen længden af LIGO's fire kilometer lange arme med mindre end en tusindedel af en protons diameter.

Sådan virker LIGO

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) består af to næsten ens anlæg i Hanford i staten Washington og Livingston i Louisiana, ca. 3.000 km fra hinanden. Hvert anlæg er et L-formet interferometer:

1. En laserstråle deles i to, som sendes ned ad hver sin arm.
2. I enden af armene reflekteres lyset af spejle og samles igen.
3. Normalt er armene indstillet, så lysbølgerne udsletter hinanden. Ændres armenes længde en smule, slipper lidt lys igennem til detektoren.

To anlæg langt fra hinanden gør det muligt at skelne et ægte signal fra lokale rystelser – en lastbil eller et jordskælv påvirker kun det ene sted. Siden er det europæiske Virgo i Italien og det japanske KAGRA kommet til, hvilket gør det lettere at bestemme, hvor på himlen et signal kommer fra.

Første fund: GW150914

Signalet fra den 14. september 2015 – kaldet GW150914 efter datoen – blev offentliggjort i februar 2016. Det kom fra to sorte huller på omkring 36 og 29 gange Solens masse, der kredsede tættere og tættere og til sidst smeltede sammen ca. 1,3 milliarder lysår borte.

Det nye sorte hul vejede omkring 62 solmasser. Forskellen – svarende til ca. tre solmasser – blev omsat til energi i form af gravitationsbølger på en brøkdel af et sekund. Selve signalet varede omkring 0,2 sekunder og steg i frekvens til sidst, et såkaldt chirp.

Fundet bekræftede både, at gravitationsbølger findes, og at par af sorte huller af den størrelse eksisterer og kan smelte sammen. I 2017 fik Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne Nobelprisen i fysik for deres afgørende bidrag til LIGO.

17. august 2017: Neutronstjerner i både lys og tyngde

Det næste store gennembrud kom den 17. august 2017. LIGO og Virgo målte signalet GW170817 fra to neutronstjerner – de ultratætte rester af udbrændte stjerner – der smeltede sammen omkring 130 millioner lysår væk i galaksen NGC 4993.

Omkring 1,7 sekunder efter gravitationsbølgen registrerede rumteleskopet Fermi et kort udbrud af gammastråling fra samme område af himlen. I de følgende timer og dage fulgte omkring 70 observatorier verden over eksplosionen i alle bølgelængder – fra radio til røntgen. Det var første gang, en kosmisk begivenhed blev observeret både med gravitationsbølger og lys.

Den ene begivenhed gav en lang række resultater:

• Gravitationsbølger bevæger sig med lysets hastighed – inden for en ekstremt lille usikkerhed. Det udelukkede en række alternative tyngdeteorier.
• Korte gammaglimt kan skyldes neutronstjernekollisioner.
• Tunge grundstoffer: Eksplosionen – en såkaldt kilonova – viste tegn på dannelse af tunge grundstoffer. Sådanne kollisioner ser ud til at være en vigtig kilde til fx guld og platin i universet.
• Ny måde at måle udvidelse på: Ved at kombinere afstanden fra gravitationsbølgen med galaksens hastighed kunne man lave et uafhængigt skøn over Hubble-konstanten.

Siden da

Detektorerne er blevet opgraderet flere gange, og antallet af registrerede sammensmeltninger er i dag i størrelsesordenen hundreder. De fleste er par af sorte huller, men der er også fundet neutronstjernepar og blandede par. Nogle signaler har vist sorte huller, der er tungere end forventet, hvilket udfordrer teorierne for, hvordan store stjerner dør.

Fremtiden: Nye "ører"

• LISA – et planlagt ESA-observatorium i rummet med tre satellitter millioner af kilometer fra hinanden – skal lytte efter lavfrekvente bølger fra fx kæmpestore sorte huller i galaksers centrum.
• Einstein Telescope og Cosmic Explorer er planlagte, langt mere følsomme detektorer på jorden.
• Pulsar-timing: Ved at måle små uregelmæssigheder i radiopulser fra mange pulsarer har flere forskergrupper fundet tegn på en lavfrekvent "baggrundsbrummen" af gravitationsbølger.

Gravitationsbølger supplerer lyset og lader os "høre" begivenheder, der er helt mørke, som når to sorte huller smelter sammen. Hvis man en dag kan måle urtidens bølger, kan de også afprøve inflationsteorien. Slå rumtid og neutronstjerne op i vores ordbog.