Albert Einstein (1879-1955) og hans to relativitetsteorier spiller i dag en afgørende rolle for vores forståelse af universet.
Det er en konsekvens af Einsteins almene relativitetsteori, at der eksisterer tyngdebølger.
De dannes, når en masse accelereres.
Tyngdebølger er dog ikke som alle andre bølger noget, der bevæger sig gennem rummet.
Tyngdebølger er i stedet en ændring af selve rummets geometri.
Det betyder, at dersom en tyngdebølge passerer et legeme, så ændrer det form, fordi rummet populært sagt strækkes eller presses sammen, når bølgen passerer.
Det kræver dog energi at skabe en tyngdebølge, og den energi kan kun tages fra den accelererede masse.
Du kan læse første del af boguddraget om sorte huller og relativitetsteorien i artiklen Ny bog om universet del 1: Smuglæs uddrag om Einstein og de sorte huller.
Denne artikel er opfølgeren og anden del af et kapitet fra bogen, men de to boduddrag kan læses uafhængigt af hinanden.
Tyngdebølger i vores solsystem
Når Jorden kredser om Solen, har Jorden en konstant acceleration ind mod Solen efter den klassiske formel:
Her er v Jordens fart på 30 km/s og r Jordens afstand til Solen på 150 millioner kilometer.
Indsætter man tallene får vi, at accelerationen kun er 6 mm/s2.
Den energi, som Jorden taber som følge af, at den udsender tyngdebølger, er så lille, at det ikke har nogen betydning for beregning af Jordens bane.
Effekten af tyngdebølgerne er nemlig kun 200 W, og det rækker kun til, at Jorden hver dag kommer 10-15 meter nærmere Solen, hvilket svarer til diameteren af en proton set i det størrelsesforhold.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
\ Læs mere
Tyngdebølger skaber kollisioner i rummet
Problemet er større, når to pulsarer kredser om hinanden.
Der findes en såkaldt dobbeltpulsar, der hedder Hulse-Taylor-pulsaren. Den befinder sig 21.000 lysår borte, og består af to pulsarer, som kredser om hinanden.
Omløbstiden er på bare 7,75 timer. De amerikanske astrofysikere Russel Hulse og Joseph Taylor Jr. målte, at omløbstiden hvert år blev 76,5 mikrosekunder kortere.
Det betyder, at pulsarerne taber energi og hvert år kommer 3,5 meter nærmere hinanden.
Om 300 millioner år vil de to pulsarer støde sammen.
Ud fra Einsteins relativitetsteori har man beregnet effekten af de tyngdebølger, som udsendes til 7,35∙1024 W, hvilket svarer til 1,9 procent af Solens udstråling. Denne beregnede effekt svarer nøje til den målte værdi for pulsarernes energitab på et år.
Hulse og Taylor delte i øvrigt Nobelprisen i 1993 for deres opdagelse.
Tyngdebølger er nu observeret
I 2015 fik astronomien et meget stort gennembrud, da det to gange lykkedes at observere tyngdebølger.
Det er meget vanskelige målinger, så derfor ventede astronomerne helt frem til 2016, før nyheden blev offentliggjort.
Målingerne blev foretaget af LIGO-projektet i USA, der ledes af to af USA’s mest anerkendte forskningscentre, nemlig Caltech i Californien og MIT i staten Massachusetts.
LIGO har to observatorier, det ene i staten Washington nær byen Hanford i det nordvestlige USA, og det andet i sydstaten Louisiana nær byen Livingston.
Før en måling kan accepteres, skal begge observatorier have registreret tyngdebølgerne.
\ Bogen 'Det levende univers' - få 10% rabat
Artiklen her er anden del af et uddrag fra Henrik og Helle Stubs nye bog 'Det levende univers'.
Du kan læse meget mere om universet i bogen, som kan købes i webshoppen hos forlaget Praxis.
Som læser af Videnskab.dk får du 10 procent rabat på bogen ved at indtaste rabatkoden:
DLU2020
Læs første del af boguddraget: Ny bog om universet del 1: Smuglæs uddrag om Einstein og de sorte huller.
Princippet bag LIGO
LIGO står for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Princippet i instrumentet er forholdsvis simpelt:
En laser sender lys mod en beamsplitter, der deler laserstrålen i to, som sendes ind i hvert sit 4 kilometer lange rør, der er pumpet tomt for luft.
De to rør står vinkelret på hinanden, og man lader de to laserstråler fare frem og tilbage 400 gange, før strålerne rekombineres og sendes til en detektor.
Uden tyngdebølger er instrumentet indstillet således, at bølgerne ved ankomsten er i modfase, og derfor slukker hinanden.
Hvis en tyngdebølge passerer instrumentet, vil den deformere rummet således, at de to arme nu ikke længere er lige lange. Det betyder, at de to laserstråler ikke længere er i modfase, når de mødes.
Detektoren registrerer derfor et svagt signal.
\ Læs mere
Meget følsomme målinger
LIGO er så følsomt, at det kan måle en forskel i vejlængden mellem de to stråler på under en protons diameter.
Grunden til, at man har bygget to observatorier 3.000 kilometer fra hinanden er naturligvis, at instrumenterne er ekstremt følsomme over for rystelser i undergrunden.
Den store afstand skulle sikre, at de to observatorier ikke vil blive udsat for de samme rystelser på én gang, hvilket skulle gøre det lettere at udskille de signaler, som skyldes tyngdebølger.
Men der er yderligere et argument: Tyngdebølger bevæger sig med lysets hastighed, og det betyder, at bølgerne ikke vil passere de to observatorier på præcis samme tid.
Afhængig af bølgens retning kan tidsforskellen variere mellem næsten ingenting og op til 10 millisekunder, og denne tidsforskel anses for et afgørende bevis for, at det virkelig er en tyngdebølge, der har passeret begge instrumenter.
Desuden skal de to signaler være ens.
Det indiske LIGO forventes at komme i gang tidligst 2024. (Foto: ??)
De første målinger
Den første måling blev foretaget den 14. september 2015 og fik det imponerende navn GW150914, hvilket bare står for Gravitational Wave samt datoen i rækkefølgen år, måned og dag.
Det var noget af en bedrift, for tyngdebølgerne ændrede kun forskellen i vejlængde mellem de to laserstråler med 1/1.000 af en protons diameter...
Først skulle målingen bekræftes for at se, om den var 'ægte'. Derefter skulle man opstille en model, som kunne forklare målingen.
Resultatet blev, at målingen bedst kunne forklares ved, at to sorte huller med masser på henholdsvis 36 og 29 solmasser var smeltet sammen til et stort sort hul efter at have kredset om hinanden.
Det er Hulse-Taylor pulsaren om igen – bortset fra, at det energitab, som skyldes tyngdebølger, er meget større for de to store sorte huller end for de to neutronstjerner.
Derfor skrumper banerne meget hurtigt, især når de to sorte huller er kommet meget tæt på hinanden.
Einsteins berømte formel må i brug
Nu skulle man tro, at massen af det nydannede store sorte hul ville være 36 + 29 = 65 solmasser.
Men den bliver kun 62 solmasser, fordi den energi, der er udsendt i form af tyngdebølger, svarer til omdannelse af de sidste 3 solmasser til ren energi efter Einsteins formel E = m∙c2.
Sagt på en anden måde, så har de to sorte huller udstrålet en energi svarende til 4,6 procent af deres totale masse på 65 solmasser.
Til sammenligning omdanner fusion af brint til helium kun 0,7 procent af massen til energi.
Enorme kræfter!
Observationen varede som nævnt 0,2 sekund = 200 milisekunder.
I løbet af denne tid steg hullernes indbyrdes hastighed fra 30 procent til 60 procent af lysets hastighed.
I de sidste 20 milisekunder, hvor afstanden mellem de to sorte huller var nede på få hundrede kilometer, steg effekten af tyngdebølgerne til over 1049 W, hvilket er mere end effekten af udstrålingen fra samtlige stjerner i det synlige univers!
Den anden måling fandt sted 26. december 1915 og fik derfor navnet GW151226.
Her varede udbruddet 1 sekund, og den model, der passede bedst med målingerne, var en sammensmeltning af to sorte huller med masser på omkring 14 og 8 solmasser.
Energien af tyngdebølgerne svarede til omdannelsen af omkring 1 solmasse til energi, så det nydannede sorte hul menes at have en masse på 20- 21 solmasser, hvilket skulle passe med at 4,6 procent af den oprindelige masse er forsvundet.
Tallene er dog ret upræcise.
Flere målte kollisioner
For begge målinger anslås det, at afstanden til de sorte huller er over en milliard lysår.
Herefter er det gået hurtigt.
I en oversigt fra september 2019 lyder statistikken:
Der er i alt 23 bekræftede målinger af tyngdebølger. 20 af disse målinger tilskrives, at to sorte huller er stødt sammen.
To af målingerne forklares som sammenstød mellem to neutronstjerner, og forklaringen på den sidste måling menes at være det første kendte tilfælde af en sammensmeltning af et sort hul og en neutronstjerne.
Gammaglimt og stjernesammenstød
En af målingerne er særlig interessant.
Det var et sammenstød mellem to neutronstjerner, hvor man var så heldig at observere både gammaglimtet og tyngdebølgerne fra sammenstødet.
De ankom til Jorden med en tidsforskel på bare 1,6 sekunder.
Da det ikke er helt sikkert, at gammaglimtet og tyngdebølgerne blev dannet på nøjagtigt samme tid ved sammenstødet, bliver den meget lille tidsforskel taget som et tegn på, at tyngdebølger udbreder sig med lysets hastighed, som forudsagt af relativitetsteorien.
Tænker man kvantemekanisk betyder det, at gravitoner – hvis de findes – er masseløse ligesom fotoner.
Europa er med
Set fra et europæisk synspunkt, så er det værd at bemærke, at på de pressekonferencer, hvor målingerne blev præsenteret, var der ikke bare forskere fra LIGO gruppen med, men også forskere fra EGO, European Gravitational Ob- servatory.
EGO har ansvaret for Virgo-observatoriet nær Pisa i Italien. De samarbejder tæt med LIGO folkene, og er derfor med i meget af analysen og beregningsarbejdet.
Virgo, der er opkaldt efter Virgo hoben af galakser, omfatter landene Frankrig, Italien, Holland, Polen og Ungarn.
