Rundt omkring i galakserne findes der neutronstjerner i tæt pardans. Gennem tyngdekraften holder de uhyre kompakte himmellegemer hinanden fast i et fatalt greb, og stadig hurtigere og tættere kredser de rundt og rundt om deres fælles tyngdepunkt for til sidst at kollidere og ende som et sort hul.
Sådan lyder teorien i hvert fald. Ifølge Einsteins almene relativitetsteori vil massive objekter, der kredser om hinanden, udsende tyngdebølger – små krusninger i selve rumtiden.
Bølger af tyngdekraft vil så at sige løsrive sig fra systemet og fare af sted med lysets hastighed, omtrent på samme måde, som der udsendes elektromagnetisk stråling, når elektriske ladninger accelereres. Den energi, som systemet mister i form af tyngdebølger, tages fra kredsløbet, og derfor vil de to objekter nærme sig hinanden.
Hvis man kan detektere tyngdebølgerne, åbner det et helt nyt vindue til universet. Ikke bare binære neutronstjerner, men også sorte huller i tæt kredsløb om hinanden samt supernovaeksplosioner udsender så kraftige tyngdebølger, at det burde være til at måle. En helt ny og anderledes form for astronomi kan give os langt bedre viden om de voldsomste begivenheder i universet, hvis det lykkes at konstruere tyngdebølgedetektorer, der er følsomme nok.
Det er præcis, hvad fysikere og ingeniører er i fuld gang med flere steder på kloden. Tyngdebølgedetektorer findes allerede, men hidtil har de ikke registreret et eneste signal, for de har simpelthen ikke været følsomme nok. Det skal der laves om på nu, da en helt ny generation af detektorer er på trapperne.
Længst fremme er de i USA, hvor de to LIGO-detektorer – en ved Livingston i Louisiana og en ved Hanford i Washington – netop er blevet opgraderet, så de er blevet ti gange så følsomme som før. LIGO står for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, for forskerne vil bruge interferens af laserlys til at afsløre tyngdebølgerne.
Afstande ændrer sig
De nye detektorer skal måle, hvordan rumtiden bliver deformeret, der hvor tyngdebølgerne kommer frem. Selve rummet ændrer sig, når en tyngdebølge passerer, så alting bliver strakt ud på den ene led og presset sammen på den anden. Effekten er dog ekstremt lille og svær at måle, men fysikerne har fundet en måde, hvorpå det skulle kunne lade sig gøre.
Ligo-detektorerne har to arme vinkelret på hinanden, som et kæmpe L, og hver arm er fire kilometer lang. Hvor armene mødes, deles en laserstråle op i to, og så sendes en laserstråle i hver retning gennem et lufttomt rør. Efter at have tilbagelagt de fire kilometer rammer laserstrålerne ophængte spejle, som sender dem tilbage igen. Laserlyset får lov til at fare frem og tilbage i vakuummet mange gange, før laserstrålerne mødes igen. Når det sker, vil lysbølgerne ophæve hinanden, hvis bølgetop møder bølgedal (modfase, destruktiv interferens), og så vil lyset forsvinde. Hvis det ikke er tilfældet, slipper der lys igennem til en lysdetektor.
Der er grænser for, hvor lange arme et interferometer kan have her på Jorden, men i rummet er der masser af plads, og derfor har forskerne da også planer om en rumbaseret tyngdebølgedetektor. Med sådan en detektor kan man for eksempel måle de tyngdebølger, som ifølge den almene relativitetsteori udsendes, når to galakser og de supermassive sorte huller, der findes i midten af dem, smelter sammen.
I 2034 vil den europæiske rumfartsorganisation ESA opsende tre satellitter, der skal placeres i baner, så der hele tiden er en million kilometer imellem dem. Så skal afstanden mellem testmasser i hver af satellitterne løbende måles, for hvis der kommer en tyngdebølge forbi, ændrer afstanden sig en smule.
Missionen har fået navnet eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna), og selv om der er 20 år til opsendelsen, er forskere fra blandt andet DTU Space i fuld gang med forberedelserne. Allerede til næste år skal ESA-satellitten Lisa Pathfinder op for at teste en del af den nødvendige teknologi.
Pointen er så, at en tyngdebølge vil gøre den ene arm en smule kortere og den anden en smule længere. Ikke ret meget, måske blot en titusindedel af diameteren af en atomkerne, men det vil være nok til, at interferensmønstret – og dermed mængden af lys, der opfanges af fotodetektoren – ændrer sig.
I analysen af data fra laserinterferometret gælder det om at finde de ægte signaler i den støj, der uvægerligt vil være der. Støjen stammer primært fra jordrystelser, der forplanter sig til spejlene, fra termisk støj i spejlene og fra uregelmæssigheder i laserlyset. I de nye Ligo-detektorer er spejlene for enden af de fire kilometer lange rør hængt op på en måde, så de er seismisk isoleret fra omgivelserne. De består af kvartsglas med en reflekterende belægning baseret på metallet tantal, for forskerne har fundet ud af, at den kombination giver den mindste termiske støj. Hvert spejl har en masse på 40 kg og en diameter på 34 cm – det er vigtigt, at de vejer forholdsvis meget, så trykket fra laserstrålerne ikke bringer dem i bevægelse, hvilket ville være en ekstra støjkilde. I øvrigt bruger de nye detektorer en langt kraftigere laser end de gamle – effekten er sat op fra 10 til omkring 200 watt, så signalet bliver tydeligere.
Adskillige detektorer på vej
Hvor den første generation af laserinterferometre ikke opfangede signaler, er den anden generation af detektorer så følsomme, at forskerne regner med at måle noget i retning af 40 tyngdebølger om året. Det kan eksempelvis være signalet fra neutronstjernerne, der kredser stadig hurtigere om hinanden for til sidst at kollidere. Det giver et tyngdebølgesignal, der bliver kraftigere og kraftigere for så pludselig at ophøre.
Det forudsætter selvfølgelig alt sammen, at Einstein havde ret, og at tyngdebølgerne findes. Men det er der nu også klare tegn på, at de gør. I 1974 opfangede de to astronomer Russell Hulse og Joseph Taylor signalerne fra en pulsar (en hurtigt roterende neutronstjerne), som viste sig at kredse tæt om et andet kompakt himmellegeme. Ud fra radiobølgerne fra pulsaren kunne astronomerne se, at de to himmellegemer kredser stadig tættere på hinanden. Det viste sig, at systemet mister energi – præcis som forudsat af den almene relativitetsteori – og siden har andre binære pulsarer vist sig at opføre sig på samme måde. I 1993 fik Hulse og Taylor Nobelprisen i fysik for dette indirekte bevis for eksistensen af tyngdebølger.
Nu er tiden så kommet til den direkte detektion, og det varer ikke længe, før Advanced Ligo kan begynde eftersøgningen. I Livingston mangler fysikerne blot at kalibrere systemet og forsøge at minimere støjen ved at tune laseren og de elektroniske systemer, og i Hanford er de næsten nået lige så langt. I løbet af 2015 vil detektorerne være klar til at måle tyngdebølger, for eksempel fra et par neutronstjerner eller sorte huller i dødsspiral op til 260 millioner lysår herfra.
USA er cirka et år foran de europæiske kolleger, som er ved at opgradere den lignende tyngdebølgedetektor Virgo tæt på Pisa i Italien. Her er de to arme dog kun tre kilometer lange, og jo længere arm, desto større følsomhed. Omkring 2018 skulle endnu en andengenerations tyngdebølgedetektor på størrelse med Virgo stå klar i Japan, så alt taler for, at det lykkes at fange en hel del tyngdebølger i dette årti.
Fordelen ved at have flere detektorer er, at data fra dem kan sammenlignes, og hvis tre eller fire af dem måler den samme tyngdebølge, bliver det muligt at regne sig frem til, hvor på himlen signalet kommer fra. Så kan man finde ud af, om der også kommer elektromagnetisk stråling fra samme område. På den måde kan astronomerne for eksempel finde ud af, om de korte gammaglimt, der indimellem registreres af satellitter, stammer fra kolliderende neutronstjerner, som samtidig udsender et karakteristisk tyngdebølgesignal.
De kan også blive klogere på de eksploderende stjerner, der kendes som supernovaer. Eksplosionen starter med, at kernen kollapser, og med de nye tyngdebølgedetektorer kan man få informationer om, hvordan det egentlig foregår. Og da tyngdebølgerne kommer frem med lysets hastighed, kan detektorerne give en hurtig melding om supernovaeksplosionen, så andre teleskoper kan rette ind mod området.
I første omgang regner forskerne med, at de nye detektorer først og fremmest vil opfange tyngdebølger fra binære systemer, hvor kompakte himmellegemer som sorte huller, neutronstjerner og hvide dværgstjerner kredser meget tæt om hinanden, samt fra supernovaer. Men de kan ikke udelukke, at tyngdebølgerne kan føre dem på sporet af hidtil ukendte fænomener i verdensrummet, så det er med stor spænding, at de imødeser de første signaler.