Ny lasermåler skal afdække universets første sekunder

For snart 100 år siden fremlagde en forholdsvis ukendt professor fra Berlin en teori om, at universet bøjer sig omkring stjerner og planeter.

Det kunne blandt andet forklare små uregelmæssigheder i tyngdeloven, som kunne observeres anderledes i rummet end på jorden.

Hans teori indeholdt også eksistensen af tyngdebølger (også kaldet gravitationsbølger), der kan forklares som krusninger i universet - lidt som at sætte en skål budding i bevægelse.

For små til at kunne bevises

Tyngdebølgerne er efterladenskaber af voldsomme astronomiske begivenheder, for eksempel stjerner der støder sammen, og sorte huller der fusionerer.

Den yngre professor, hvis navn – Albert Einstein – i dag er berømt over hele verden, fandt aldrig i sin levetid fysisk bevis for, at hans teorier om tyngdebølger var korrekte.

De var simpelthen for små til, at de kunne måles med datidens teknologi. Alligevel danner de baggrund for hypoteser som Big Bang og sorte hullers opståen.

LISA tager danske forskere med

Det Europæiske Rumagentur sætter rum-missionen LISA i værk i nye bestræbelser på at finde det fysiske bevis, Einstein forgæves søgte. Danske forskere fra DTU Space er med i front i forberedelserne.

Det er målinger af denne type bittesmå variationer, som DTU Space arbejder på skal blive mulige ude i rummet, så der endelig kan føres bevis for Einsteins hypoteser.

Sammen med det tyske Albert Einstein Institut og den danske virksomhed Axcon deltager DTU i forberedelserne til ESA’s rummission LISA, der står for Laser Interferometer Space Antenna.

»Det er en lille – men vigtig – sten i det store byggeri, hvor der er mange andre vigtige teknologiske udfordringer. Vores opgave er at vise, at det er muligt at måle med tilstrækkelig stor præcision over store afstande ude i rummet,« siger Søren Brandt, seniorforsker på DTU Space.

Præcis laser skal registrere tyngdebølger

LISA-missionen går ud på at sende tre satellitter i kredsløb om solen, så de danner en ligebenet trekantet formation. Længden af hvert ben skal være fem millioner kilometer.

Afstanden på fem millioner kilometer skal holdes præcis. For når en tyngdebølge passerer gennem solsystemet, vil den samtidig skubbe til måleinstrumentet inde i en af satellitterne, som vil forskyde sig en anelse i forhold til de øvrige.

Dermed får man en direkte måling, der ikke bare beviser, at bølgerne eksisterer, men også kan bestemme retning og fart. Men variationen er så lille, at det registreres på en såkaldt picometerskala. En picometer svarer til 0.00000000001 centimeter - det svarer groft sagt til et brintatom.

Så tæller man lysbølger

Når man skal måle afstande, bruger man en laserstråle. Og så tæller man populært sagt lysbølger. Laserlysbølger har en længde på 500 nanometer, og dem går der en del af, hvis man skal nå op på 5 millioner kilometer.

Hvis afstanden skal holdes præcis på picometerniveau, skal man ikke bare kunne identificere de mange faser (fra top til top af lysbølgen), der går på de fem millioner kilometer.

Det måleudstyr, der skal udvikles, skal være i stand til at aflæse, at en fase kommer en lille smule ud af takt, når en gravitationsbølge passerer.

Jordiske forstyrrelser har man ikke i rummet

Endnu er det ikke lykkedes at udvikle et så fintfølende instrument på jorden, hvor måleudstyret også er udfordret af jordiske forstyrrelser. Et jordskælv langt væk, laboratoriets ventilationssystem eller en lastbil på vejen udenfor kan være nok til, at målingen bliver upræcis.

De problemer vil man ikke have i rummet. For nok kan en satellit blive forstyrret af for eksempel solvind, men selve måleinstrumentet vil referere til en terning, der svæver rundt i vægtløs tilstand inde i satellitten.

»Selve satellitten kan godt blive påvirket af solvind, men små motorer sørger for, at satellitten flytter og tilpasser sig, når den bliver skubbet til. Terningen som man måler variationerne på, vil på den måde beskyttes for påvirkning udefra,« forklarer Søren Brandt.

Viden driver samfundet fremad

Hvorfor skal vi vide alt muligt om gravitationsbølger, når nu Newtons tyngdelov fungerer ganske fint her på jorden? Svaret giver Allan Hornstrup, leder af Astrofysik på DTU Space:

»Vi ved ikke, hvad der kan komme ud af at være i stand til at måle gravitationsbølger. Men det er jo et vilkår for grundforskning. Først når vi kender fysikkens love, kan vi begynde at se på, hvad de kan bruges til.«

Det er set gang på gang i videnskabens historie. For eksempel var Bohrs kvanteteori med til at ændre opfattelsen af, hvordan elektricitet virker.

Men først da det blev bevist, at han havde ret i sin model om, at elektronerne bytter plads, kunne denne viden bruges til at opfinde halvlederen, der i dag er basis for al vores kommunikation fra internet til mobiltelefoner.

»Det er jo virkelig spændende at være med til forskning, der i princippet kan vende op og ned på, hvordan vi forstår de fysiske love, og som kan resultere i fuldstændig uventede opfindelser,« siger Allan Hornstrup.

Tættere på universets opståen

Lykkes det forskerne at måle gravitationsbølger, vil det i første omgang betyde, at vi får et nyt redskab til at ’se’ fænomener, som vi ikke kan få informationer om i dag.

Vi får mange informationer ved hjælp af lys. For eksempel kan man regne ud, hvilke grundstoffer en stjerne består af, ved at lade dens lys passere en prisme og analysere de farvespektre, der kommer ud.

Og vi kan forstå meget om vores galakses opståen, fordi vi kan aflæse den kosmiske mikrobølgestråling, som er eftergløden af Big Bang.

De første år efter Big Bang var universet dog helt tåget og uigennemsigtigt. Lysbølgerne blev forstyrret af frie elektroner, og kan af den grund ikke måles. De første 380.000 år af universets opståen er derfor et mysterium.

Men tyngdebølger kunne passere uden at blive påvirket på samme måde som lysbølger. Det betyder, at hvis man bliver i stand til at måle tyngdebølger, kan man i teorien måle, hvad der skete i universets første sekunder.