I dette blogginnlegget utforsker vi den vitenskapelige betydningen og de nye mulighetene som menneskehetens første direkte deteksjon av gravitasjonsbølger har ført til, og undersøker hvordan det forvandlet moderne fysikk og måten vi observerer universet på.
Nobelprisen i fysikk i 2017 ble tildelt tre amerikanske fysikere – Kip Thorne, Rainer Weiss og Barry Barish – som spilte en avgjørende rolle i oppdagelsen av gravitasjonsbølger. De ble anerkjent for sin prestasjon med å oppdage gravitasjonsbølger direkte for første gang i februar 2016 ved LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Så hva er egentlig gravitasjonsbølger, og hvorfor er det viktig nok å bekrefte deres eksistens til å rettferdiggjøre en nobelpris i fysikk? For å forstå dette, la oss først undersøke konseptet gravitasjonsbølger.
Konseptet «gravitasjonsbølger» har eksistert i over et århundre. Albert Einstein forutså dem først i 1916 gjennom sin generelle relativitetsteori. I følge denne teorien forvrenger objekter med masse romtid, og tyngdekraften er fenomenet som oppstår fra denne forvrengningen. Videre forårsaker akselererende objekter at denne buede romtiden krusninger, og disse krusningene forplanter seg utover som bølger med lysets hastighet. Dette er gravitasjonsbølger. Når en gravitasjonsbølge passerer gjennom, blir rommet selv forvrengt, og strekker seg i én retning og trekker seg sammen i en annen.
Forvrengningen av rommet forårsaket av gravitasjonsbølger er imidlertid ekstremt liten, noe som gjør dem uoppdagelige under normale omstendigheter. De produseres bare i betydelige nivåer under massive kosmiske hendelser som kollisjonen av to sorte hull eller en supernovaeksplosjon, men selv da er signalet ekstremt svakt. Nåværende gravitasjonsbølgedetektorer måler endringen i hvor mye rommet har strukket seg. Forstyrrelsen skapt av gravitasjonsbølgen oppdaget av LIGO strakte og kontraherte denne gangen rommet bare omtrent 10⁻²¹ ganger. For å måle denne lille endringen må lengden måles med en presisjon mindre enn en tusendel av et nøytrons radius innenfor en detektor som er omtrent 5 km lang. Dette var praktisk talt umulig. Derfor var det før LIGO umulig å oppdage gravitasjonsbølger direkte; deres eksistens kunne bare utledes indirekte.
Så hvordan klarte LIGO å oppdage disse ørsmå lengdeendringene direkte? Med andre ord, hvordan kunne gravitasjonsbølger observeres? LIGO bruker grunnleggende prinsippet bak et interferometer. Et interferometer er et instrument som bruker fenomenet lysinterferens for å måle avstandsendringer på et ultrapresist nivå. For å forstå dette, la oss først se på bølgeinterferens.
Bølger er som krusninger. Når to bølger av samme form møtes, øker eller reduseres amplituden deres (konstruktiv interferens) eller (destruktiv interferens) avhengig av hvordan de overlapper hverandre. Hvis begge bølgene ankommer med samme fase, oppstår konstruktiv interferens. Men hvis én bølge ankommer senere, og de kombinerte bølgene er ute av fase, oppstår destruktiv interferens. Dermed forårsaker tidsforskjellen i ankomst mellom to bølger en endring i amplituden til den kombinerte bølgen, og dette er interferensfenomenet.
Siden lys også er en bølge, oppstår interferens når to lysbølger kombineres. Derfor lar analyse av amplituden til den kombinerte bølgen oss beregne tidsforskjellen i ankomst mellom de to lysbølgene, noe som tilsvarer å beregne avstandsforskjellen. Dette er fordi hvis to lysstråler avgår samtidig, jo større avstand, desto større er forskjellen i ankomsttid.
LIGO er basert på «Michelson-interferometeret» blant slike interferometre. Michelson-interferometeret er også et historisk viktig eksperimentelt apparat, særlig omtalt i Michelson-Morley-eksperimentet. Dette eksperimentet viste at lysets hastighet er uavhengig av retning og at lys ikke trenger noe separat medium for å forplante seg.
Michelson-interferometeret fungerer etter følgende prinsipp. Lys fra en enkelt kilde deles i to stråler av en sentralt plassert stråledeler (en enhet som sender ut halvparten av lyset og reflekterer den andre halvparten). De to strålene reflekteres av speil plassert i faste avstander og rekombineres deretter for å danne et interferensmønster. Hvis lysets hastighet varierte med retningen, ville tiden det tok for de to delte strålene å rekombineres variere, noe som resulterte i en endring i interferensmønsteret. Michelson-Morley-eksperimentet forutså en slik endring i interferensmønsteret, men ingen endring ble observert, noe som førte til konklusjonen at lysets hastighet er konstant. Dette faktum ga senere avgjørende ledetråder for Einstein til å formulere sin relativitetsteori.
LIGO er i hovedsak en massiv utvidelse av dette Michelson-interferometeret. Avstanden mellom LIGOs stråledeler og det reflekterende speilet når omtrent 4 km. Denne avstanden alene var imidlertid ikke tilstrekkelig til å pålitelig oppdage gravitasjonsbølger, så LIGO innlemmet et «Fabry-Pérot-rør». Denne teknikken reflekterer lys omtrent 400 ganger i et 4 kilometer langt rør, noe som effektivt skaper en banelengde på 1,600 kilometer. Dette muliggjør mer presis måling av små avstandsendringer. Takket være denne sofistikerte teknologiske kombinasjonen lyktes LIGO i å observere gravitasjonsbølger generert av kollisjonen av to sorte hull direkte for første gang 14. september 2015.
Så hvorfor er oppdagelsen av gravitasjonsbølger en så monumental begivenhet? For det første ligger betydningen i å bekrefte Einsteins relativitetsteori nok en gang. Eksistensen av gravitasjonsbølger, forutsagt av relativitetsteorien, har blitt eksperimentelt bekreftet. Men dens større verdi ligger et annet sted. Det betyr at menneskeheten har fått et helt nytt verktøy for å observere universet. Denne endringen kan sammenlignes med øyeblikket menneskeheten først skapte teleskopet. Frem til nå har astronomien utelukkende vært avhengig av lys – det vil si elektromagnetiske bølger – for å observere himmellegemer. Men med gravitasjonsbølger som etablerer seg som et nytt observasjonsverktøy, har et rike som tidligere var utilgjengelig for elektromagnetiske bølger endelig åpnet seg.
For eksempel, i tilfeller av supernovaeksplosjoner, har vi aldri vært i stand til å observere direkte hva som skjer inni kjernene deres. Dette er fordi det enorme laget av materiale som omslutter supernovakjernen blokkerer lys fra å passere gjennom. Gravitasjonsbølger passerer imidlertid gjennom materie med minimal interferens, slik at vi kan fange opp fenomener som utspiller seg dypt inne i himmellegemer.
Menneskeheten står nå på terskelen til en ny æra kalt «gravitasjonsbølgeastronomi». Gravitasjonsbølger vil gi oss et helt nytt perspektiv på universet, slik at vi kan avdekke hemmelighetene til ulike himmellegemer og komme et skritt nærmere å forstå universets opprinnelse. Vi ser ivrig frem til hvilke oppdagelser disse observasjonene vil føre til, og håper at gravitasjonsbølgeforskning vil utvide menneskehetens forståelse av kosmos ytterligere.
