Nära målet

Det börjar bli varmt i bilen. Vi kör genom en öken i USA:s nordvästra hörn, på väg mot Hanford, Washington. Där finns LIGO, Laser interferometric gravitational-wave observatory, som även omfattar en systeranläggning i Livingston i Louisianas träsk och som lyssnar efter gravitationsvågor. Otroligt svaga signaler från ett avlägset universum.

Efter några svettiga timmar parkerar vi framför centralbyggnaden. Så fort vi kliver ur bilen slås vi av anläggningens skala. Ett par fyra kilometerlånga vakuumtuber sträcker sig mot horisonten som ett gigantiskt L, och det är svårt att förstå att ett så stort instrument krävs för att urskilja extremt små variationer i rum och tid.

För nästan hundra år sedan förklarade Albert Einstein att rum och tid är föränderliga, och att den kombinerade rumtiden vibrerar i vågor som rör sig med ljusets hastighet. Dessa så kallade gravitationsvågor skapas när en massa accelererar. Som när en isdansös gör en piruett med utsträckta armar, en stjärna exploderar i en avlägsen galax eller ett par svarta hål roterar kring varandra. Sedan slutet av 1960-talet har forskare försökt konstruera instrument som är känsliga nog för att fånga upp gravitationsvågorna från universums mörka sida. Än så länge utan framgång. Fast nu börjar det kännas nära.

Hur kan man vara så optimistisk när man trots enorma insatser än så länge inte har sett något? Det är en bra fråga, men svaret är ganska enkelt. När LIGO:s första generation instrument stängdes av i oktober 2010 hade de uppnått den känslighet som utlovats 18 år tidigare. Med den känsligheten hade forskarna sökt efter svaga signaler från rymden utan att hitta något. Det kanske inte låter så lysande, men det var på många sätt ett rejält framsteg.

IGO använder i princip samma teknik som Michelson och Morley använde i sitt klassiska experiment i slutet av 1800-talet. Då lyckades de bevisa att rymden inte är fylld med eter. Nu försöker forskarna visa att den är fylld med gravitationsvågor.

En laserstråle som skickas in i LIGO splittras i två strålar som går in i instrumentets två armar. Strålarna studsar mot en spegel i var sin ände av de fyra kilometer långa armarna och far tillbaka för att återförenas. Om en gravitationsvåg passerar går den att upptäcka vid strålarnas återförening. Minsta förändring noteras.

Som bäst hade LIGO en precision bättre än en miljondel av en protonradie. Det låter nästan orimligt, eftersom speglarna själva är gjorda av helt vanliga atomer. Men det är fråga om statistik och ett medelvärde med enorma mängder atomer inblandande.

Tyvärr räcker det inte att ha tillgång till ett fantastiskt känsligt mätinstrument. Om det vi tror vi vet om universum stämmer, så skulle LIGO även ha behövt rejält med tur för att hitta en signal i de data som hittills tagits fram. LIGO hade förmåga att känna av extrema händelser i vår egen galax och dess närmaste grannar, till exempel en stjärna som exploderar i ett supernovautbrott och bildar antingen en neutronstjärna eller ett svart hål. Det skulle ge upphov till enorma mängder gravitationsvågor. Men sådana explosioner är rätt sällsynta; i en typisk galax exploderar stjärnor bara ett fåtal gånger per århundrade.

Så för att fånga upp signaler från exploderande stjärnor krävs ett instrument som är känsligt nog för att se längre ut i universum. Med sina nya och bättre verktyg kommer LIGO att se 1 000 gånger fler galaxer och då behöver vi inte längre vänta i årtionden. Det krävs inte lika mycket tur, helt enkelt.

Samtidigt som instrumenten blir allt bättre behöver vi få en bättre bild av vad vi letar efter. En viktig del i jakten på gravitationsvågor är att utveckla smartare sätt att hitta de svaga signalerna bland insamlade mätdata. Flera hundra forskare i det internationella LIGO-samarbetet utvecklar mer effektiva metoder för att skilja mellan signaler från universum och oundvikliga störningar från alla möjliga källor: från vibrationer i jordskorpan till morgonens rusningstrafik och moln på himlen.

Denna insats går hand i hand med en djupare förståelse av teorin. Här gäller många av fysikens fundamentala frågeställningar. Supernovorna är ett bra exempel. Inne i stjärnorna har materian högre täthet än vad som kan uppnås i den allra kraftfullaste partikelacceleratorn på jorden, Large hadron collider vid Cern. Det är en rejäl utmaning både i princip, eftersom vi inte vet hur materia beter sig under så extrema förhållanden, och i praktiken. Vi måste lita till simuleringar som tar flera månader med de allra snabbaste superdatorerna. Dagens modeller har tagit årtionden att utveckla, men är fortfarande rätt långt ifrån realistiska.

Det är just behovet av pålitliga modeller som är den största skillnaden mellan traditionell astronomi och vår jakt på gravitationsvågorna. Astronomerna är bortskämda med att arbeta med starka signaler redan innan de förstått deras ursprung. Som i radioastronomin, som sedan 1960-talet har fått oss att inse att vi lever i ett våldsamt universum, där stjärnor exploderar och gigantiska svarta hål härjar i galaxernas kärnor. Radioteleskop fortsätter att studera pulsarer, roterande neutronstjärnor, trots att dessas beteende ännu inte kan förklaras. De sänder ut pulser som ibland kan vara mer regelbundna än den bästa atomklocka. Men processen bakom radiovågorna är fortfarande okänd. Och när ett känsligare radioteleskop blir tillgängligt, kan astronomerna med säkerhet vänta sig att se det oväntade. Det är en lyxig situation.

Forskning om gravitationsvågor, däremot, kräver större förståelse redan från början. LIGO:s instrument är som en känslig mikrofon som fångar upp alla ljud i ett rum. Man kan tänka sig hur svårt det skulle vara att lista ut exakt vem som sagt vad från en inspelning av en stökig fest med diskodunk i bakgrunden. LIGO fångar upp alla störningar i rumtiden, både de som orsakas lokalt och de som är av astronomiskt intresse. För att skilja dem åt behöver vi detaljerad kunskap om de signaler som vi söker efter. Samtidigt behöver vi teoretiker faktiska signaler som kan hjälpa oss att förstå fysiken bakom och förbättra våra modeller. Det är en rejäl utmaning, men vem trodde att forskning skulle vara lätt?

Trots att vi ännu inte lyckats fånga upp några gravitationsvågor har jakten på dem redan bidragit till att vi bättre förstår vårt universum. De mest intressanta resultaten gäller neutronstjärnor. Vi har till exempel lärt oss att Krabbpulsaren, som kinesiska astronomer såg födas i ett supernovautbrott år 1054, inte har några höjdskillnader som är större än 1 meter. Eftersom stjärnans diameter är cirka 20 kilometer är det ett imponerande mått på hur slät och symmetrisk stjärnan är. Numera roterar Krabbpulsaren med 30 varv per sekund, och vi vet att den största delen av rotationsenergin går förlorad i de utsända radiovågorna; bara knappt en procent kan komma i form av gravitationsvågor. Liknande gränser har satts för närmare 200 andra pulsarer. I flera fall vet vi att stjärnorna är symmetriska till en tionde miljontedel; de kan alltså inte ha ”berg” högre än 1 millimeter!

En annan källa till gravitationsvågor är ett system med två stjärnor som kretsar kring varandra. Deras omloppsbana krymper gradvis på grund av de utsända gravitationsvågorna. Detaljerna beskrivs av Einsteins relativitetsteori och har bekräftats av flera årtiondens mätdata för binärpulsaren PSR1913+16 (vilket ledde till 1993 års Nobelpris i fysik).

Stjärnorna i paret kommer så småningom att kollidera. LIGO kan följa kollisionen från minuterna strax före krocken, en karakteristisk signal med gradvis ökande frekvens och styrka hos gravitationsvågorna. Någon gång mellan 2017 och 2019 förväntas LIGO kunna se ett flertal (enligt vissa modeller hundratals) sådana signaler varje år.

Liknande signaler förväntar vi oss från kolliderande svarta hål. Det är bara det att vi inte vet om sådana par finns i universum, men vi hoppas att LIGO hittar dem.

Vi kan inte förutsäga alla källor till gravitationsvågorna. Många processer i universum är slumpartade. Ett aktuellt och omdiskuterat exempel på en sådan slumpartad signal är resultaten från BICEP2. Det är ett radioteleskop vid sydpolen som söker efter avtryck av gravitationsvågor i den kosmiska bakgrundsstrålningen – det äldsta ljuset i universum, som skapades 380 000 år efter big bang. I mitten av mars i år annonserade BICEP-forskarna att de hade lyckats få fatt på gravitationsvågor från universums allra tidigaste barndom. Resultaten pekade mot en starkare signal än väntat, vilket även skulle ge stöd för inflationsteorin, enligt vilken universum växte väldigt snabbt under en tidig fas. Enligt denna modell sträckte den kraftfulla inflationen ut gravitationsvågorna från universums skapelse så att de numera uppträder som ett virvelmönster i den kosmiska bakgrundsstrålningen.

BICEP:s upptäckt annonserades under en spännande presskonferens och följdes noga i medierna redan innan den hade rapporterats i vetenskapliga artiklar. Detta är ett ovanligt sätt att gå till väga, och nu, några månader senare, straffade det sig. Kritiker har hela tiden hävdat att förgrundsstrålning förvirrade BICEP-forskarna, som slarvat med analysen så att deras slutsatser inte håller. Detta bekräftades nyligen av nya resultat från Planck-satelliten: det finns mycket mer stoft i rymden än BICEP-forskarna räknat med. Det var strålningen från detta stoft, eller rymddamm, som felaktigt tolkades som en signal från gravitationsvågor. Det krävs alltså mycket robustare experimentella resultat för att påvisa gravitationsvågorna. Det är möjligt att mätdata från Planck-satelliten senare i år kommer att stödja BICEP:s resultat, men det är också möjligt att det krävs bättre experiment för att bevisen ska övertyga.

Diskussionen påminner om episoder under den tidiga jakten på gravitationsvågor i slutet av 1960-talet. Redan då hävdade den amerikanska fysikern Joseph Weber, som var den första som sökte efter gravitationsvågorna, att hans instrument sett tydliga signaler. Detta trots att den energi som i så fall måste varit inblandad var helt orimligt hög. Debatten blev het även då.

Slutresultatet var att höga krav numera ställs på mätningarnas kvalitet och trovärdighet. LIGO kommer nog inte att offentliggöra något innan man är helt säker, även om det ligger ett troligt Nobelpris i potten.

Hur ser då framtiden ut för forskningen om gravitationsvågorna? Det första målet är givetvis att fånga upp dem. Då måste vi förbättra LIGO-instrumenten. Än så länge går det enligt planerna. Interferometern i Livingston har redan börjat testköras. De första datakörningarna kan komma redan 2015, men jag skulle bli förvånad om man såg något före 2017.

För att säkert utesluta olika störningskällor och identifiera gravitationsvågor behövs dock fler än ett instrument. Därför bygger LIGO två detektorer i USA. Med två instrument kan man också börja lista ut var i rymden som signaler kommer från. Men för noggrannare resultat krävs ännu fler instrument och de ska helst vara så långt ifrån varandra som möjligt, så LIGO planerar att skeppa ytterligare ett instrument till Indien. Samtidigt förbättrar det fransk–italienska Virgo-samarbetet sin interferometer utanför Pisa i Italien och Japan bygger en anläggning i Kamiokagruvan. I början av 2020-talet kommer vi alltså att ha ett nätverk av känsliga instrument. Men det är troligen bara början.

Nästa generation detektorer för gravitationsvågorna ligger redan på ritbordet. Det så kallade Einstein-teleskopet, som diskuteras av europeiska forskare, kommer att ligga under jorden för att undvika seismiska störningar. Det ska ha en armlängd på upp till 10 kilometer och kommer troligen att kylas till låg temperatur. Det är ett ambitiöst och extremt dyrt projekt som skulle kunna lära oss mycket om svarta hål, neutronstjärnor och kosmologi.

Men de massiva svarta hål som finns i de flesta galaxkärnor avslöjas av vågor med frekvenser som är lägre än vad vi kan fånga upp nere på marken. Detta har lett till planer på att bygga en interferometer i rymden, där man inte behöver bekymra sig om variationer i det lokala gravitationsfältet. Detta projekt, ursprungligen kallat LISA, har utvecklats under de senaste 20 åren, men drabbades hårt av nedskärningar hos den amerikanska rymdstyrelsen Nasa. I stället planerar det europeiska Esa en rymd-interferometer till slutet på 2020-talet.

Men vi behöver troligen inte vänta riktigt så länge för att se signaler från gigantiska svarta hål. De är nämligen också målet för radioastronomer som utnyttjar extremt stabila pulsarer för att identifiera en bakgrund av gravitationsvågor med låg frekvens. Teknologin är redan så precis att det bara är en fråga om tid innan de lyckas. Med lite tur kan de till och med hinna före LIGO.

Mycket pekar alltså på att jakten på Einsteins vågor går mot en ny fas. Om bara några år kommer vi inte längre att vänta på den första signalen. Vi får veta att Einstein hade rätt än en gång, och kan ägna oss åt att studera gravitationsvågorna i detalj och lära oss så mycket fysik som möjligt från dem.

Om forskaren: Nils Andersson

Nils Andersson är professor vid University of Southampton i Storbritannien och expert på Einsteins relativitetsteori. Han studerar gravitationsvågor, svarta hål och neutronstjärnor – och har skrivit barnböcker.