Gravitationsvågor

År 1916 förstod Albert Einstein att tunga saker som rör sig snabbt kan få rymden att gunga. Dessa gungningar kallas gravitationsvågor. De sprider sig med ljusets fart och gör att allt de passerar sträcks ut eller trycks ihop pyttelite.

Det var svårt att mäta dessa vågor eftersom de är så svaga. Det tog nästan hundra år av uppfinningar och massor av pengar innan vi byggde maskiner som var känsliga nog att känna av dem.

Ju våldsammare händelsen, desto starkare våg. Två neutronstjärnor eller svarta hål som spiralar in mot varandra och till slut smälter samman är de mest effektiva "stenarna" universum har att erbjuda – och det är precis sådana kollisioner LIGO och Virgo jagar.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) består av två L-formade anläggningar, i Hanford och Livingston i USA, var och en med två fyra kilometer långa vakuumtunnlar i rät vinkel mot varandra. En laserstråle delas och skickas ner i båda armarna, studsar mot speglar i änden och återvänder för att mötas igen.

1

1. Dela strålen

En laser delas i två identiska strålar som skickas ner i de två vinkelräta fyra kilometer långa armarna.

2

2. Studsa och återvänd

Strålarna studsar fram och tillbaka mellan precisionsspeglar tusentals gånger innan de återförenas vid detektorns mittpunkt.

3

3. Interferens i normalläge

Om armarna är exakt lika långa släcker ljusvågorna ut varandra perfekt – ingen signal når sensorn, systemet är "mörkt".

4

4. En gravitationsvåg passerar

Vågen sträcker den ena armen en aning och klämmer ihop den andra, växelvis, med vågens frekvens – armarnas längder skiljer sig plötsligt med en bråkdels atomkärnas bredd.

5

5. Ljus läcker fram

Den brutna symmetrin gör att strålarna inte längre släcker ut varandra helt – en svag ljussignal dyker upp, och det är den forskarna läser av.

För att mäta dessa små rörelser måste man ta bort allt stök. Skakningar i marken eller trafik långt borta kan förstöra mätningen. Speglarna hänger i speciella trådar för att sitta helt stilla.

Klockan 09:50:45 UTC den 14 september 2015 registrerade båda LIGO-detektorerna, 3 000 kilometer från varandra, en nästan identisk signal med bara 7 millisekunders mellanrum – exakt den tid det tar för ljus (och gravitationsvågor) att färdas mellan Louisiana och Washington. Signalen kallades GW150914.

Analysen visade att signalen kom från två svarta hål, på cirka 36 respektive 29 solmassor, som spiralerat in mot varandra under hundratals miljoner år och till slut smälte samman till ett enda svart hål på 62 solmassor. Mellanskillnaden – nästan tre hela solmassor – hade omvandlats direkt till gravitationsvågsenergi enligt $E=mc^2$, utstrålat på bråkdelen av en sekund.

1916

Einstein förutsäger vågorna

I sin allmänna relativitetsteori visar Einstein matematiskt att accelererande massor bör skapa gravitationsvågor, men bedömer dem som omätbart svaga.

1974

Indirekt bevis: Hulse–Taylor-pulsaren

Russell Hulse och Joseph Taylor upptäcker en pulsar i en tät dubbelstjärnebana vars omloppstid krymper exakt som förutsagt om systemet strålar bort energi som gravitationsvågor.

1992–2002

LIGO byggs

Caltech och MIT bygger de två amerikanska observatorierna i Hanford och Livingston, finansierade av National Science Foundation.

2015

Advanced LIGO sätts i drift

En uppgraderad, känsligare version av LIGO startar sina första mätningar i september.

14 sep 2015

GW150914 detekteras

Den allra första direkta observationen av en gravitationsvåg, från två sammansmältande svarta hål, fångas av båda detektorerna.

2016

Offentliggörandet

LIGO Scientific Collaboration och Virgo-samarbetet publicerar upptäckten i Physical Review Letters den 11 februari.

2017

Nobelpriset i fysik

Rainer Weiss, Barry Barish och Kip Thorne tilldelas priset för avgörande bidrag till LIGO-detektorn och upptäckten av gravitationsvågor.

2017

GW170817 – en kosmisk dubbelobservation

Två neutronstjärnor smälter samman och ses både i gravitationsvågor och i ljus över hela spektrumet – födelsen av "multimessenger-astronomi".

Sedan 2015 har LIGO fått sällskap av Virgo i Italien och KAGRA i Japan. Fler detektorer som ser samma händelse gör att forskarna kan triangulera var på himlen signalen kom ifrån – ungefär som att höra ett ljud med flera öron avslöjar riktningen.

I augusti 2017 gjorde nätverket historia igen: GW170817, sammanslagningen av två neutronstjärnor, upptäcktes samtidigt av gravitationsvågsdetektorer och av dussintals teleskop i hela det elektromagnetiska spektrumet – från gammastrålar till radiovågor. Det bekräftade att sådana kollisioner är själva smedjan där tunga grundämnen som guld och platina bildas.

Nästa stora steg är LISA (Laser Interferometer Space Antenna), ett ESA-lett uppdrag planerat att skjutas upp på 2030-talet. Tre rymdfarkoster kommer bilda en triangel med 2,5 miljoner kilometer mellan sig och känna av långsammare, lågfrekventa gravitationsvågor från till exempel supermassiva svarta hål – något jordbundna detektorer aldrig kan nå på grund av markbrus.

Innan 2015 kunde vi bara "se" universum genom ljus i olika våglängder. Gravitationsvågor öppnade ett helt nytt sinne – ett sätt att direkt observera objekt som inte alls lyser, som svarta hål, och händelser som är osynliga för vanliga teleskop.

Sedan den första detektionen har över hundra gravitationsvågshändelser registrerats, vilket gett forskare en helt ny statistisk bild av hur vanliga svarta hål och neutronstjärnor är, hur de bildas och hur de parar ihop sig i dubbelsystem. Fältet har på mindre än ett decennium gått från teori till en mogen observationell vetenskap.

På längre sikt kan gravitationsvågsastronomi hjälpa till att besvara några av fysikens största frågor: Vad hände under universums allra första ögonblick, innan ljus ens kunde färdas fritt? Hur beter sig materia vid de extrema täthet som råder inuti en neutronstjärna? Framtida detektorer som LISA och Einstein Telescope väntas ge svar vi idag inte ens kan föreställa oss.