FYSIK: Nu märker vi hur allt gungar

Riktigt stora händelser i universum skapar vågor i själva rumtiden, till exempel när två svarta hål dras ihop till ett. Vågorna drar ut och klämmer ihop allt som de passerar. Detta förutsades redan för drygt hundra år sedan av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori – och i september 2015 kunde en sådan våg fångas upp för första gången, i det amerikanska observatoriet Ligo.

Att kunna registrera gravitationsvågor gör det möjligt för forskarna att studera fenomen och händelser i universum som inte går att upptäcka med till exempel radiovågor eller synligt ljus. Upptäckten kan liknas vid ett nytt sinne, som kan ge oss en helt ny bild av tillvaron, framför allt om den kombineras med andra metoder (se även sidan 32).

De gravitationsvågor som hittills har registrerats har berättat om en tidigare okänd typ av svarta hål som är större än femton solmassor, men mycket mindre än de gigantiska svarta hål som finns i centrum av galaxer. Vågor från kolliderande neutronstjärnor har också fångats upp. I framtiden hoppas forskarna även kunna upptäcka gravitationsvågor från andra typer av händelser, bland annat exploderande supernovor.

Gravitationsvågor skapas när föremål med massa accelereras. Vågorna är otroligt svaga och därmed svåra att registrera. I de flesta fall blir det så svaga krusningar att det inte finns en chans att urskilja dem.

Den tysk-amerikanske fysikern Rainer Weiss var en av de första som föreslog att gravitationsvågor borde kunna fångas upp med laserstrålar och en teknik som kallas interferometri. Redan 1967 presenterade han ett arbete om detta. Nu, 50 år senare, tilldelas han ena halvan av årets Nobelpris i fysik.

Den andra halvan av priset delas mellan Kip Thorne och Barry Barish. Kip Thorne har räknat ut vilken typ av händelser som skapar gravitationsvågor som är teoretiskt möjliga att fånga upp. Och Barry Barish är möjliggöraren, som gjorde Ligo till ett stort internationellt samarbetsprojekt, så att dess instrument till slut kunde bli så ofantligt känsliga som de behöver vara.

Gravitationsvågor har faktiskt varit föremål för Nobelpris tidigare, redan 1993. Då belönades Russel Hulse och Joseph Taylor för upptäckten att neutronstjärnor som kretsar kring varandra långsamt bromsas in. Vart tar den förlorade energin i rörelsen vägen? Relativitetsteorin förutsäger att paret ska stråla ut gravitationsvågor med en energi som exakt motsvarar den inbromsning som mättes upp.

Den gången gav sig gravitationsvågorna indirekt till känna. Årets Nobelpris i fysik handlar om ett mer direkt möte med själva vågorna, här på jorden.

Gravitationsvågsastronomin har nu bara börjat, och vi kan vänta oss många nya rön och upptäckter. Ligo i USA samverkar med den liknande men lite mindre anläggningen Virgo i Europa, och i bland annat Indien och Japan håller fler observatorier på att byggas. Utöver de markbundna antennerna planeras även ett rymdbaserat instrument, Lisa (Laser interferometer space antenna). Det består av tre satelliter och ska sändas upp 2034.

Tre saker du bör veta om gravitationsvågor – pristagarna förklarar:

1 | Hur kan man mäta när allt ändrar form?

Ligo och Virgo registrerar gravitationsvågorna genom noggranna längdmätningar med hjälp av laserstrålar, så kallad interferometri. Men hur kommer det sig egentligen att laserljuset inte töjs ut på samma sätt som resten av rumtiden?

Rainer Weiss: Det finns flera sätt att förklara detta, men jag väljer ett som jag tycker är ganska enkelt. Ljusets hastighet är konstant. Interferometern jämför den tid det tar för ljuset att gå i två riktningar, vinkelrätt mot varandra. Om avståndet mellan speglarna i ändarna på interferometerns ben ändras på grund av gravitationsvågor, då kommer tiden det tar att gå mellan dem att ändras.

2 | Kan gravitationsvågor vara farliga?

Vågorna som når oss från ett avstånd på ett par miljarder ljusår är extremt svaga, och töjer ut detektorn mindre än bredden av en proton. Hur starka är vågorna från början, riktigt nära två svarta hål? Skulle det göra ont att stå där?

Kip Thorne: Riktigt nära de svarta hålen skulle vågorna inte vara som vågor; de skulle vara tidvattenkrafter, likt den kraft som månen utövar på jorden, som i sin tur skapar tidvattnet. Och de skulle vara så starka att du dör.

[Reds. anm. En människokropp som befinner sig på samma avstånd från gravitationsvågens källa som avståndet mellan månen och jorden kommer bara att töjas ut och tryckas ihop ungefär en tiondels millimeter. Om avståndet minskar till några hundra mil går förändringen i stället att mäta i centimeter, vilket bör vara klart kännbart.]

3 | Vågorna är väl bara en enda gröt?

På en havsyta kan vågorna vara en blandning av svallvågor från fartyg, vågor som vispas upp av vinden, störningar och reflektioner från öar och skär, och allt möjligt annat. Är det så med gravitationsvågorna i rymden också? Hur kan vi lära oss något av dem?

Barry Barish: Det kan mycket väl finnas mer än en källa till gravitationsvågor, och de skulle i så fall kunna lägga sig ovanpå varandra. Än så länge kan vi bara se de starkaste signalerna, och vi har bara sett totalt fyra på ett år, så överlappning är osannolikt. När vi förbättrar vår känslighet kommer antalet observerade händelser att öka, och därmed också sannolikheten att de överlappar varandra. Jag ser verkligen fram emot den dagen! För att urskilja de olika vågorna kommer vi då att använda den extra information vi har om bland annat riktningen.

Einstein trodde inte på sina egna tankar

Gravitationsvågor förutsägs av Einsteins allmänna relativitetsteori, men beräkningarna bakom slutsatsen är mycket svåra. Faktum är att Albert Einstein under en period själv tvivlade på vågornas existens. År 1936 var han på vippen att, tillsammans med sin kollega Nathan Rosen, publicera en artikel som gick ut på att gravitationsvågor inte kan uppstå. Men när tidskriften granskade artikeln upptäcktes ett fel. Albert Einstein hade aldrig tidigare stött på förfarandet med peer review och blev upprörd över att arbetet hade visats före publiceringen. Han drog tillbaka artikeln i vredesmod. Senare publicerades en bearbetad version av artikeln i en annan tidskrift – men med rätt slutsats: Relativitetsteorin leder till gravitationsvågor.

Nobelpris 2017 fysik

”… för avgörande bidrag till Ligo-detektorn och observationen av gravitationsvågor.”