Gravitationsvågor skvallrar om osynliga svarta hål

Det är bara extrema händelser där enorma massor är inblandade, som ger tillräckligt starka gravitationsvågor för att de ska kunna fångas upp av instrument här på jorden. De vågor som hittills har upptäckts har kommit från svarta hål eller neutronstjärnor, som rör sig mot varandra i en inåtgående spiralrörelse tills de kolliderar och smälter ihop. Även supernovaexplosioner förväntas ge upphov till gravitationsvågor, men om de inträffar utanför vår galax är de troligen inte tillräckligt starka för att nuvarande instrument ska kunna urskilja dem.

Första gången gravitationsvågor fångades upp var den 14 september 2015, i de då helt nyöppnade Ligo-observatorierna (se faktaruta). Upptäckten visade att det faktiskt går att studera gravitationsvågorna, vilket var en sensation i sig – tillräcklig för att ge Nobelpriset i fysik 2017.

Varje vecka fångas en möjlig gravitationsvåg upp

När Forskning & Framsteg intervjuade Nobelpristagarna 2017 hade man dittills bara fångat upp fyra vågor på ett år. Numera fångar instrumentet Virgo och de båda Ligo-instrumenten i genomsnitt upp en möjlig gravitationsvågssignal varje vecka. Ju fler gravitationsvågor som fångas upp, desto mer detaljerad kunskap får forskarna om svarta hål och neutronstjärnor.

Efter den första framgångsyran vid upptäckten 2015 följde det långa och mödosamma arbetet med att analysera och förstå vågorna. För att lära sig nya saker om universum vill forskarna ha många mätningar, så att de kan göra statistik och med tiden kartlägga de fenomen som ger upphov till gravitationsvågor.

Genom att studera bland annat vågornas intensitet och frekvens kan man också få information om massan hos de objekt som ger upphov till dem, och om hur dessa objekt roterar. Det går också att avgöra från vilken riktning vågorna kom samt ungefär hur långt bort de uppstod. På så vis pusslar forskarna ihop en ny bild av vilka massiva objekt som gömmer sig i universum.

Den allra första lärdomen är att det tycks finnas en ny och tidigare okänd kategori av svarta hål. De är tyngre än de som man tidigare upptäckt genom att studera den röntgenstrålning som uppstår när ett svart hål drar till sig och slukar material från en stjärna.

Ledtrådar till hur svarta hål bildas

En enstaka upptäckt säger inte så mycket, men efter att ha gjort en noggrann analys av alla gravitationsvågor som fångats in under åren 2015–2017 har forskarna släppt den första katalogen över tio händelser som involverar svarta hål (se figur här ovan). På så vis kan de nu börja försöka förstå hur många ”osynliga” svarta hål som finns, hur stora de är och var de befinner sig. Resultaten från mätningarna jämförs med teoretiska modeller, och ger ledtrådar till hur svarta hål bildas.

Om gravitationsvågorna kan kombineras med information i form av ljus, röntgenstrålning eller partiklar från samma källa kan forskarna lära sig ännu mer. Varje gång instrumenten Ligo och Virgo fångar upp gravitationsvågor går det därför ut larm till astronomer världen över, så att de kan rikta sina teleskop åt det håll där källan bör befinna sig. En gång har de lyckats, och såg då ljuset från en händelse då två neutronstjärnor kolliderade och flammade upp i ett utbrott som kallas kilonova. Mätningarna gav en helt unik inblick i en typ av process som antagligen är källan till många av de grundämnen vi har omkring oss (se Smällen som skapar guld i F&F 10/2017).

Bekräftar allmänna relativitetsteorin

Enligt Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver gravitationen och rumtiden, ska gravitationsvågor röra sig lika snabbt som ljuset. De kolliderande neutronstjärnorna gav fysikerna möjlighet att bekräfta detta mycket noggrannare än någonsin tidigare .

De uppmätta vågorna ger också möjligheter till flera andra typer av tester av den allmänna relativitetsteorin, och hittills har alla bekräftat teorin.

När instrumenten Ligo och Virgo fångar upp en signal som kan vara gravitationsvågor måste resultaten genomgå en grundlig granskning för att avgöra om mätningen verkligen är pålitlig. Innan den processen är klar kallas en uppfångad signal för en ”kandidat” till gravitationsvåg. Nya kandidatsignaler fångas upp i genomsnitt varje vecka, och några av dem ser extra spännande ut.

Neutronstjärnor med större massa

Under våren kommer observationerna från 2019 att publiceras. Men en upptäckt har redan presenterats, nämligen den andra fångsten någonsin av gravitationsvågor från en kollision mellan neutronstjärnor, i april 2019. Den gången kunde dock inga andra teleskop upptäcka källan. Signalen tolkas som att det var fråga om neutronstjärnor med större massa än man någonsin tidigare observerat.

Utöver sökandet efter gravitationsvågor från svarta hål och neutronstjärnor, där man vet hur vågorna förväntas se ut, har forskarna också satt upp ett system för att upptäcka helt okända typer av gravitationsvågor. I januari 2020 fångade alla tre instrument upp en kort signal av en oförutsedd form, med ursprung i närheten av stjärnbilden Orion, som har gjort många forskare mycket intresserade. Det är möjligt att detta skulle kunna vara en statistisk slump i bakgrundsbruset, men det skulle också kunna vara ett helt nytt fenomen. Inga teleskop lyckades se någon annan typ av strålning från samma riktning som gravitationsvågen, så det finns inga ytterligare ledtrådar. Nu måste vi invänta den fullständiga analysen.

Källa: Carl-Johan Haster, MIT, medlem av Ligo

Världens observatorier för gravitationsvågor

Gravitationsvågor fångas upp genom att mäta hur de omväxlande trycker ihop och sträcker ut rymden och därmed gör avstånd längre eller kortare. Instrumenten mäter hur en sträcka på flera kilometer varierar med en tusendel av storleken på en väteatomkärna. Det verkar nästan orimligt svårt, men fungerar genom att laserstrålar skickas fram och tillbaka i långa vakuumrör. I genomsnitt fångar Virgo och de båda Ligo-instrumenten upp en möjlig gravitationsvågssignal varje vecka.

Ligo består av två observatorier, ett i Louisiana i sydöstra USA, och ett i Washington i nordvästra USA. Instrumentets ”armar”, eller vakuumrör, är fyra kilometer långa.

Virgo är beläget utanför Pisa i Italien, och dess vakuumrör mäter tre kilometer. (Se Här kan forskarna se hur rumtiden skälver ur F&F 8/2017.)

Hittills har instrumenten varit i bruk under tre omgångar:

• sep 2015–jan 2016 (enbart Ligo)
• nov 2016–aug 2017 (Ligo, Virgo anslöt sig i slutet av perioden)
• april 2019–april 2020 pågår (Ligo och Virgo)

Snart får Ligo och Virgo sällskap av fler instrument. Under 2020 ska Kagra i Japan tas i bruk. I Indien konstrueras Ligo-India, som ska stå färdigt 2025.

Ännu längre in i framtiden kommer man att göra rymdbaserade observatorier. Lisa är ett system som kommer att bestå av tre satelliter i formation och beräknas vara klart för uppskjutning på 2030-talet. Med hjälp av laser ska de tre satelliterna göra exakta mätningar av sina inbördes avstånd, och på så sätt upptäcka gravitationsvågor. Extra intressant kan det bli när mätningarna av gravitationsvågor kombineras med information från röntgenstrålningsteleskopet Athena, som ska sändas upp i rymden ungefär samtidigt.