Hva er gravitasjonsbølger?

Mandag (16. oktober 2017) kunngjorde LIGO og Virgo den første deteksjonen av gravitasjonsbølger produsert av kolliderende nøytronstjerner. Men hva er gravitasjonsbølger? Her er en forklaring fra Gren Ireson, Nottingham Trent University

For å forstå fenomenet best, la oss gå tilbake i tid noen hundre år. I 1687 da Isaac Newton publiserte Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, tenkte han på gravitasjonskraften som en attraktiv kraft mellom to masser - det være seg Jorden og månen eller to erter på en bordplate. Naturen til hvordan denne styrken ble overført ble imidlertid mindre godt forstått på den tiden. Selve gravitasjonsloven ble ikke testet før den britiske forskeren Henry Cavendish gjorde det i 1798, mens han målte jordens tetthet.

Spol frem til 1916, da Einstein presenterte fysikere en ny måte å tenke rom, tid og tyngdekraft på. Basert på arbeid publisert i 1905, knyttet teorien om generell relativitet til sammen at det vi ofte anser som separate enheter - rom og tid - i det som nå kalles “rom-tid”.

Romtid kan betraktes som universets stoff. Det betyr at alt som beveger seg, beveger seg gjennom det. I denne modellen forvrenger alt med masse romtidsstoffet. Jo større masse, jo større er forvrengningen. Og siden hvert bevegelig objekt beveger seg gjennom romtid, vil det også følge forvrengningene forårsaket av objekter med stor masse.

En måte å tenke på dette er å vurdere to barn, det ene tyngre enn det andre, og leke på en trampoline. Hvis vi behandler overflaten på trampolinen som stoffet, forvrenger det mer massive barnet stoffet mer enn det andre. Hvis det ene barnet plasserer en ball nær føttene til det andre, vil ballen rulle mot, eller følge forvrengningen, mot føttene. Tilsvarende, når jorden går rundt solen, forvrenger den enorme massen av solen rommet rundt den, og etterlater vår relativt bittesmå planet som "rett" en sti som den kan, men i et buet rom. Dette er grunnen til at det ender med at det går i bane rundt solen.

Trampoliner: morsom og lærerik. Bilde via cotrim / pixabay.

Hvis vi aksepterer denne enkle analogien, har vi grunnleggende om tyngdekraften. Å gå videre til gravitasjonsbølger er et lite, men veldig viktig trinn. La et av barna på trampolinen trekke en tung gjenstand over overflaten. Dette skaper en krusning på overflaten som kan observeres. En annen måte å visualisere det på er å vurdere å flytte hånden gjennom vann. Krusningene eller bølgene sprer seg fra sitt opphav, men forfaller raskt.

Ethvert objekt som beveger seg gjennom romtidsstoffet, forårsaker bølger eller krusninger i det stoffet. Dessverre forsvinner også disse krusningene ganske raskt, og bare de mest voldelige hendelsene produserer forvrengninger som er store nok til å bli oppdaget på Jorden. For å sette dette i perspektiv, vil to kolliderende sorte hull hver med en masse på ti ganger solen fra solen vår føre til at en bølge forårsaker en forvrengning på 1% av diameteren til et atom når det når jorden. I denne skalaen er forvrengningen i størrelsesorden 0, 0000000000001m endring i jordens diameter sammenlignet med 1m endring på grunn av en tidevannsutbuelse.

Hva kan gravitasjonsbølger brukes til?

Med tanke på at disse krusningene er så små og så vanskelige å oppdage, hvorfor har vi gjort en slik innsats for å finne dem - og hvorfor skal vi bry oss om å oppdage dem? To øyeblikkelige grunner kommer til hjernen (jeg vil legge fra meg min egen interesse i å bare ønske å vite). Den ene er at de ble spådd av Einstein for 100 år siden. Bekreftelse av eksistensen av gravitasjonsbølger gir derfor ytterligere sterk observasjonsstøtte for hans generelle relativitetsteori.

I tillegg kan bekreftelsen åpne for nye fysiske områder som gravitasjonsbølge-astronomi. Ved å studere gravitasjonsbølger fra prosessene som sendte dem ut i dette tilfellet to sammenslåtte sorte hull kunne vi se intime detaljer om voldelige hendelser i kosmos.

LISA, et planlagt rombasert laserinterferometer, kunne studere astrofysiske kilder til gravitasjonsbølger i detalj. Bilde via NASA.

For å få mest mulig ut av slik astronomi er det best å plassere detektoren i verdensrommet. Den jordbaserte LIGO klarte å fange gravitasjonsbølger ved hjelp av laserinterferometri. Denne teknikken fungerer ved å dele en laserstråle i to vinkelrett retninger og sende hver ned en lang vakuumtunnel. De to stiene blir deretter reflektert tilbake av speil til det punktet de startet ved, der en detektor er plassert. Hvis bølgene blir forstyrret av gravitasjonsbølger på vei, ville de rekombinerte bjelkene være forskjellige fra originalen. Imidlertid vil rombaserte interferometre som er planlagt for det neste tiåret bruke laserarmer som spenner opptil en million kilometer.

Nå som vi vet at de eksisterer, er håpet at gravitasjonsbølger kan åpne opp døra for å svare på noen av de største mysteriene i vitenskapen, for eksempel hva majoriteten av universet er laget av. Bare 5% av universet er vanlig materie, med 27% som mørk materie, og de resterende 68% er mørk energi, mens de to sistnevnte kalles dark da vi ikke forstår hva de er. Gravitasjonsbølger kan nå være et verktøy for å undersøke disse mysteriene på en lignende måte som røntgenbilder og MR har tillatt oss å undersøke menneskekroppen.

Gren Ireson, professor i naturfagundervisning, forskningskoordinator innen School of Education, Nottingham Trent University

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation. Les den opprinnelige artikkelen.

Datasimulering av to sammenslåtte sorte hull som produserer gravitasjonsbølger. Bilde via Werner Benger.

Poenglinjen: En forklaring på gravitasjonsbølger.