Annons
Bild: 
N. Baldocchi / The Virgo Collaboration

Här kan forskarna se hur rumtiden skälver

Första gången gravitationsvågor kunde fångas in på jorden var det europeiska laboratoriet Virgo stängt för ombyggnad. Men nu är forskarna redo för revansch. F&F har hälsat på inför nystarten.

Författare: 

Publicerad:

2017-09-25

Däcken pressas mot den smala vägen utanför Pisa. Taxibilen är en gravitationsmaskin, som utnyttjar tyngdkraften för att hålla sig kvar på asfalten. Mellan byar och odlingar närmar vi oss en märklig anläggning som kallas Virgo.

– De detekterar gravitationsvågor där, berättar taxichauffören.

Gravitationsvågor. Det är en helt annan sida av kraften som håller kvar bilen på körbanan. Vågorna är minimala krusningar i själva rumtiden, som berättar om dramatiska fenomen långt bort i universum.

Taxiföraren berättar hur hon sett Virgo födas och växa fram sedan 1996. Ingen kan undgå att lägga märke till Virgos långa flyglar som brer ut sig över det platta landskapet: två gigantiska blå rör som möts i en rät vinkel. De smalnar av mot bergen i bakgrunden, ändarna försvinner. Rören ser orimligt långa ut så här på nära håll – är de verkligen bara tre kilometer långa?

Där inne göms en sorts högteknologisk antenn, som precis har genomgått en omfattande uppgradering. Snart ska den vara redo att återigen söka efter gravitationsvågor. Det är inte länge sedan sådana vågor uppfångades för allra första gången – men inte här i Virgo, utan i de båda tvillinganläggningarna Ligo i USA.

Nordamerika ligger långt från den toskanska slätten, men i kosmisk skala alldeles invid. För forskarna betyder det geografiska avståndet ingenting. En av dem som arbetar här är Massimiliano Razzano. När han började vid Virgo för något år sedan lärde han sig snabbt hur nära det är till Ligo:

– Det var förvirrande i början, när jag skulle lära mig hur saker fungerade. Ligo och Virgo är två olika organisationer, men vi arbetar nära tillsammans.

Ligo och Virgo har ett avtal om öppet utbyte av data. Alla hjälps åt att analysera signalerna, för att mejsla fram de svaga avtrycken av våldsamma händelser långt utanför Vintergatan.

Att gravitationen kan bilda vågor förutsades av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som publicerades 1915. Den tyngdkraft vi upplever är en krökning av rumtiden. Jordytan är långt ner i en gravitationsbrunn, som det krävs en rejäl insats av energi för att klättra upp ur – om så bara för att driva runt en bit upp på kanten, som rymdstationen gör.

Varje ting med massa böjer rymden omkring sig och påverkar på så vis rörelsen hos omgivande kroppar. När ett föremål accelererar bildar krökningen vågor, som sprids med ljusets hastighet. Det gäller överallt. Hoppar man i vattnet från bryggan bildas inte bara ringar på vattnet, utan också krusningar i rumtiden. Men de är så försvinnande små och svaga att de aldrig kan påvisas.

Med riktigt stora massor blir gravitationsvågorna något mer påtagliga. En tillräckligt tät ansamling av massa böjer rumtiden så kraftigt att det bildas ett bottenlöst hål som ingenting kan fly ur – ett svart hål. Sådana svarta hål har gravitationsfält kraftfulla nog för att göra en våg som kan upptäckas här på jorden.

I en galax mer än en miljard ljusår bort kretsade för länge sedan två sådana svarta hål mycket nära varandra, vart och ett omkring 30 gånger tyngre än solen. Deras rörelser skakade rumtidsväven tillräckligt mycket för att gravitationsvågorna långsamt skulle stråla bort en del av energin från de svarta hålens slängdans. På så vis drogs de genom eonerna gradvis tätare ihop i en allt häftigare piruett, som skapade allt starkare vågor och därmed gjorde sig av med energi i allt snabbare takt. Till slut kom de så nära varandra att de sögs ihop med en sista våldsam skälvning, innan de slog sig till ro som ett enda och mycket stort svart hål. Sammanlagt frigjordes tre gånger så mycket energi i form av gravitationsvågor än som ryms i all materia i vår sol.

Vågorna spred sig i alla riktningar. Rumtiden sträcktes och tänjdes i sidled där vågorna passerade. De föremål som låg i färdvägen ömsom föstes isär och trycktes närmare varandra i och med att själva rymden mellan dem ökade och minskade. Den totala energin i vågorna spreds över en större och större klotyta ju längre ut från sitt centrum som vågrörelsen färdades. Ingenting kunde stoppa den.

Den 14 september 2015 råkade planeten jorden komma i vägen för det vid det här laget mycket uttunnade vågskvalpet. Ingen vet hur många liknande vågor som har satt jorden i svängning under åren och årmiljonerna före de här – men just denna höst hade de båda Ligo-anläggningarna precis blivit klara. Först nådde vågorna den ena, i Louisiana nere i sydöstra USA, och sju tusendels sekund senare den andra, 3 002 kilometer åt nordväst i Washington. Svaga förlängningar och förkortningar av antennernas armar avslöjade hur vibrationen tänjde rumtiden.

Det var en oerhörd seger. Sedan hundra år har Albert Einstein och hans efterföljare teoretiserat kring gravitationsvågor, och de senaste 50 åren har det gjorts olika försök att upptäcka dem. Nu hade vågorna äntligen fångats och gjorts synliga! Framgången kändes lika mycket här i Italien som på andra sidan Atlanten.

– Det var helt fantastiskt! Folk var överlyckliga, några grät, berättar Massimiliano Razzano.

Innan de stora känslorna släpptes fram var alla inblandade ganska skeptiska, och mycket försiktiga. Rykten började spridas på nätet, men forskarna höll ändå inne med sin information. Inga officiella uttalanden släpptes förrän den vetenskapliga publiceringen i februari 2016.

– Vi ville se till att resultatet som kom ut var noggrant kontrollerat, förklarar Massimiliano Razzano.

När sedan nyheten var ute kunde forskarna släppa hämningarna, fälla en glädjetår, hålla kalas. Efter presskonferensen, när journalisterna hade gått hem, gick Massimiliano Razzano och hans kolleger ut på restaurang för att fira.

Men dagen därpå var de tillbaka på arbetet. Det går inte att slå sig till ro och vila på lagrarna. Just nu är det överhängande viktigt att få även Virgo i form för att fånga signalerna från rymden.

Virgos båda armar möts i en knut dold i en vit kvadratisk byggnad. Forskaren Nicolas Arnaud rör sig hemtamt här. Han doktorerade vid Virgo en gång i tiden och har sedan återvänt efter att ha arbetat med partikelfysik i några år.

Den stora hallen inne i byggnaden ligger i dunkel, upplyst bara av ljus som sipprar in från rummen runt omkring. En trappa som sjunger och vibrerar vid varje steg leder upp till en sorts utsiktsbalkong uppe på ena väggen. Skakningarna är lite oroande, med tanke på hur känsliga instrumenten är. Men vi får i vilket fall som helst inte gå närmare än så här.

Nedanför syns fyra cylinderformade torn, tio meter höga, och några mindre. De innehåller känslig optisk utrustning, upphängd i vakuum.

– Där inne är det samma tryck som vid den internationella rymdstationen ISS, berättar han.

Eftersom själva instrumenten är gömda inuti det förseglade vakuumsystemet, kan vi inte se dem. Om ett av tornen ska öppnas tar det först en hel dag att isolera det och fylla det med luft. Efteråt tar det ungefär tio dagar att pumpa ut luften igen.

Gravitationsvågorna ska registreras med hjälp av laserstrålar som mäter upp de båda armarna. Nicolas Arnaud pekar ut var det dolda utrymmet finns där laserstrålen skapas. Den skickas sedan genom tornens optik. Det mittersta av dem innehåller en halvgenomskinlig spegel som delar strålen i två delar, som sedan skickas ut i rät vinkel mot varandra. Den ena fortsätter rakt fram, ut i den norra tunnelarmen. Den andra går ut mot väster. Därifrån fortsätter ljuset genom de tre kilometer långa lufttomma rören till speglar som hänger i egna torn i bortre änden. Det är viktigt att det inte finns någon luft som kan sprida laserstrålen.

När strålarna kommer tillbaka möter de speglarna här i centralbyggnadens torn, och studsar sedan flera gånger fram och tillbaka genom armarna, innan de släpps igenom och kombineras med varandra. Själva knepet ligger i att utnyttja att allt ljus i en laserstråle går i takt, med ljusvågens toppar och dalar i ett taktfast tåg efter varandra. När de två laserstrålarna kommer tillbaka kommer de att förstärka varandra om deras vågtoppar sammanfaller, eller släcka ut varandra om vågtopparna från den ena strålen kommer samtidigt med vågdalarna från den andra. Om sträckan som endera ljusstrålen har färdats skiljer sig minsta bråkdel av ljusets våglängd kommer det att avslöjas i den uppfångade ljusstyrkan.

Ett av de lägre tornen innehåller instrumenten där signalerna tas emot och registreras. Det är den delen som Nicolas Arnaud arbetar med.


Så syns vågorna
Virgo är en gigantisk antenn som kan upptäcka gravitationsvågor. Antennarmarnas längd mäts kontinuerligt med laserljus. Om gravitationsvågor passerar så kommer den ena armen att förkortas och den andra att förlängas.

Bild: 
Johan Jarnestad & Anna Davour

– Vi har varit spända i månader, men nu är pressen ännu högre. Jag kommer att jobba några sena kvällar, om man säger så, säger han.

Många forskare väntar på att Virgo ska komma i gång. Om de båda Ligo-antennerna och Virgo skulle fånga upp gravitationsvågor från samma källa går det att ringa in var på himlavalvet den befinner sig. Mer än 70 grupper av astronomer världen runt är då redo att rikta om sina teleskop. Men Ligo måste stänga ner i slutet av augusti för underhåll av vakuumsystemen. Om Virgo inte kommer i gång innan dess blir det en stor besvikelse.

– Vi hoppas att få minst sex veckor med datatagning innan dess, säger Nicolas Arnaud.

Virgo är byggt för att fånga upp gravitationsvågor som ändrar längden på de tre kilometer långa tunnelarmarna helt ofattbart, orimligt lite; vågrörelserna som ska uppfattas motsvarar en bråkdel av en väteatomkärnas storlek. Dessa små töjningar och hoptryckningar skulle lätt dränkas fullständigt av vardagsbrus, som vibrationerna från en förbipasserande lastbil.

Att ens försöka urskilja sådana små vågor är inte lönt förrän tillräckligt mycket av de yttre störningarna har rensats bort. Dämpningen av alla störande skakningar börjar i själva konstruktionen av anläggningen.

För att se vad som finns inne i vakuumtornen får vi gå till den rymliga foajén i huvudbyggnaden. Här, på det blankpolerade stengolvet, står en minst två våningar hög mekanisk anordning, med stora kakburksliknande cylinderklumpar upphängda mellan metallstolpar. Det är en ”superdämpare”, av det slag som speglarna är upphängda i för att absorbera vibrationer från marken.

De 20 centimeter tjocka speglarna som reflekterar laserstrålarna väger 40 kilo, och är slipade med oerhörd precision.

– De är så släta att de största knölarna på spegelns yta bara är några atomer höga, berättar Nicolas Arnaud.

Spegeln hänger längst ner. ”Kakburkarna” är tunga pendlar som hänger i varandra och som kan vrida sig och svänga i alla riktningar. Alltihop är upphängt på stolpar som i sin tur fungerar som omvända pendlar. Varje steg i upphängningen absorberar rörelser, så att allt mindre fortplantas till nästa pendeldel.

Hela superdämpningssystemet är en ytterst förfinad tillämpning av all kunskap som samlats om pendelrörelser genom historien. Det är en flera hundra år gammal tradition just här i trakten. På 1500-talet betraktade den unge Galileo Galilei en svängande lampa i katedralen i Pisa, och allt från moraklockans pendel till Virgos superdämpare följer därifrån.

En trappa upp sitter Federico Ferrini, direktören för den organisation som förvaltar Virgo, en gråsprängd man med entusiastiskt sätt. Han nickar förtjust vid tanken på arvet efter Galileo.

– Jag har gjort det där experimentet! När jag var ung student i Pisa gick jag och några kompisar till katedralen och öppnade porten för att släppa in vinden så att lampan skulle börja svänga. Det var inte lika mycket turister då, så det gick att göra så.

Pendelanordningen är en central del av Virgo, men den har också stått för de två större kriser som Federico Ferrini har tvingats hantera. Först var det ett problem med ytbehandlingen, som fick delar av superdämparna att spricka. Sedan var det upphängningen av själva speglarna.

Innan Virgo stängdes ner för uppgradering 2011 hade anläggningen körts i ett halvår med speglarna hängande i trådar av glas. Genom att använda samma material som själva spegeln är gjord av kunde dämpningen bli ännu ett snäpp bättre. Ligo lärde sig av detta, och använder nu också glastrådar. Men när den uppgraderade Virgo-anläggningen skulle starta ville det inte fungera. Trådarna brast.

Glastrådarna är starka i längsriktningen. Men de är känsliga för slag från sidan – även från små luftpartiklar, som kan komma farande i hög fart när luften pumpas ut.

– Det är verkligen olyckligt, säger Federico Ferrini. I Ligo har de ett annat system för att pumpa ut luften och får inte det här problemet. Jag är glad för deras skull.

Han ser faktiskt glad ut, även när han talar om besvikelsen med upphängningen. Det är en överstånden kris. För att komma vidare och få i gång anläggningen blev lösningen att kompromissa och hänga upp speglarna i ståltrådar. Det fungerar, och känsligheten förväntas bli tillräckligt stor ändå.

Gradvis har Virgo ställts i ordning, och sedan en tid finns allt på plats. Det som gäller nu är att trimma in anläggningen.

– Det är som när Ferrari ska tävla med en ny racerbil, säger Federico Ferrini. Den reagerar inte som den förra modellen, så i början av säsongen är det svårt att köra. När sedan racerföraren lär sig sin maskin går den fantastiskt.

Federico Ferrini skrattar mycket och berättar gärna historier. Några år av sitt liv tillbringade han inom internationell diplomati. Han beskriver nattmanglingar under en internationell klimatkonferens, och menar att sådana erfarenheter är till nytta för att få hundratals forskare att gå i samma riktning.

– Den mänskliga aspekten av det här äventyret är verkligen riktigt märklig, skulle jag säga! Det är en kontinuerlig dialog, och vi måste ha många möten.

Virgo-projektet har ungefär 300 deltagare, utspridda i olika länder. Ännu fler jobbar med Ligo. Av dem är över femtio på plats vid anläggningen, även om det ser ganska folktomt ut. Det är först vid det dagliga mötet som en ansenlig del av dem sammanstrålar på samma ställe.

Mötet hålls i ett stort och fönsterlöst kontrollrum. Härifrån styrs och övervakas Virgo, och när anläggningen är redo att ta emot gravitationsvågor ska det vara bemannat dygnet runt. På väggarna hänger stora skärmar med bland annat tabeller med status i olika delar av maskineriet. Mindre skärmar visar bilder från kameror som övervakar anläggningen. Mitt på väggen sitter två digitala klockor, en för lokal tid och en för internationell referenstid (UTC).

Platserna kring datorskärmarna är redan upptagna, och folk smyger in och ställer sig utefter väggarna. Några ansluter från andra orter via högtalartelefon, men det måste vara svårt för dem att hänga med i vad som sägs i rummet. Forskarna slänger sig med uttryck för olika sorters brus och störningar, och föreslår olika nya tester.

Mycket kretsar runt brus, för det är ur alla vibrationer som fångas upp av Virgo som gravitationsvågorna ska sållas fram.

– Det är samma avvägning som för att sätta fast bovar, säger Nicolas Arnaud. Om beviskraven är för strikta kanske kriminella går fria, och om de är för slappa kan oskyldiga hamna i fängelse.

En av dem som arbetar med programmen som ska sålla fram signaler ur bakgrundsbruset är Elena Cuoco:

– Vi som arbetar med dataanalys känner också pressen nu. Vi bidrar med att isolera och förstå olika typer av brus, så att vi kan förbättra känsligheten.

Att skilja verkliga signaler från brus är också en anledning till att vilja ha Virgo i gång samtidigt som Ligo. Sannolikheten för att slumpmässigt brus skulle imitera två kolliderande svarta hål samtidigt i två eller rent av tre olika anläggningar är försvinnande liten. Att se samma signal nästan samtidigt är både en bekräftelse på att signalen är verklig, och ett sätt att bestämma varifrån den kom.

För varje liten förbättring av känsligheten kan Virgo uppfatta allt svagare signaler, och på så sätt kan den också uppfatta händelser på större avstånd. Anläggningens namn, Virgo, är ett av måtten på räckvidden, berättar Elena Cuoco. Det kommer ifrån en galaxhop i Jungfruns stjärnbild som kallas Virgohopen.

– När vi byggde Virgo var målet att kunna fånga upp gravitationsvågor från kolliderande neutronstjärnor i Virgohopen.

Virgohopen har sitt centrum ungefär 54 miljoner ljusår bort. Den uppgraderade Virgo ska kunna se tio gånger längre än den ursprungliga anläggningen. Neutronstjärnor är inte så mycket tyngre än vår egen sol och gör svagare gravitationsvågor än till exempel svarta hål, som kan ses på ännu mycket längre avstånd.

Inga kolliderande neutronstjärnor har fångats upp ännu. Att upptäcka sådana är ett av de hägrande målen.

Tre gånger har Ligo sett gravitationsvågor som stämmer med vad forskarna förväntar sig från kolliderande svarta hål. Men observationerna gjorde samtidigt forskarna överraskade. De inblandade svarta hålen var av en typ som ingen tidigare visste fanns, något tiotal gånger tyngre än vår sol men mycket små och lätta jämfört med de svarta hål som gömmer sig i de flesta galaxers centrum. Det ger helt ny information om universum.

Att registrera tre tillfällen då svarta hål slukar varandra räcker inte för att säga hur vanliga sådana händelser är. Det kanske går att upptäcka någon enstaka kollision per år, eller tjogtals. Helt klart är i alla fall att många forskare förväntar sig att göra fler helt nya upptäckter.

När F&F besöker Virgo återstår ytterligare några sommarveckors arbete för att antennen ska vara redo. Federico Ferrini har hittills inte varit med om att Virgo faktiskt har varit i drift. Han tog över som direktör för EGO, organisationen som förvaltar Virgo, ungefär då uppgraderingen började. Nu ser han fram emot att se det hela fungera.

– Jag känner mig som en maratonlöpare som bara har 500 meter kvar. Ett kritiskt skede. Det gör inget om jag kommer trea, men jag ska ta mig i mål och kunna säga: ”Basta. Jag klarade det.”

Under sommaren härjar bränder på fälten kring Virgo, men ingen av dem kommer så nära att den hotar anläggningen. Forskarna jobbar oförtrutet vidare, även när de känner röklukten.

Den 1 augusti kommer till slut ett mejl från forskaren Nicolas Arnaud: ”Virgo ansluter sig till Ligo för datatagningsperiod O2.”

Nu är de i gång! Han skriver inget om hur många sena kvällar han har jobbat, men verkar rätt nöjd. Även om känsligheten inte riktigt når de nivåer som forskarna har hoppats efter uppgraderingen, så är anläggningen till slut långt bättre än någonsin tidigare. Det viktiga är att med god marginal vara över den nivå som satts upp som gräns för att på allvar börja spana efter krumbukter i rumtiden. Det blev lite senare än han hade hoppats, men inte mycket. Virgo kommer att kunna samla data parallellt med Ligo i nästan fyra veckor.

– Vilka neutronstjärnor eller svarta hål som har råkat äta upp varandra på lämpligt avstånd från jorden är dock helt utom kontroll. Det är bara att se till att instrumentet fungerar så bra som möjligt. Sedan är det upp till naturen om det finns något att se, säger Nicolas Arnaud.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

Lägg till kommentar