Universets største bølger ga to nobelpriser
Gigantiske gravitasjonsbølger beveger seg gjennom verdensrommet. Kanskje kan de en dag gi oss svaret på et av de store, uløste mysteriene innenfor fysikk og kjemi.
Albert Einstein forutså gravitasjonsbølgene i den generelle gravitasjonsteorien som ble publisert i 1915. Men det skulle ta nesten 60 år før noen beviste at de eksisterte.
– Gravitasjonsbølger er svært vanskelige å måle, konstaterer professor Jens Oluf Andersen ved Institutt for fysikk ved NTNU.
Andersen har selv studert, forelest og holdt foredrag i fysikk over store deler av kloden, og er mer enn gjennomsnittlig opptatt av de fascinerende bølgene som foreløpig har gitt to nobelpriser i fysikk. Denne uka får vi vite hvem som tildeles årets priser.
Er sitt eget medium
Gravitasjonsbølger oppstår når enorme objekter som nøytronstjerner og svarte hull påvirker hverandre. Disse bølgene beveger seg gjennom verdensrommet med lysets hastighet.
Andre bølger, som lydbølger eller bølger bak en båt, trenger et medium de kan bevege seg i, som luft eller vann. Men gravitasjonsbølger er helt annerledes enn andre bølger. De er svingninger i selve verdensrommet.
– Gravitasjonsbølgene er selv mediet de svinger i, sier professor Andersen.
Objekter krummer rommet. Du også. Og planeter. Illustrasjon: Shutterstock, NTB scanpix
Krummer rommet
Gravitasjonsbølger er altså uvanlig vanskelige å måle. For gravitasjon er ikke i seg selv en kraft, ifølge relativitetsteorien, og dermed er det ikke så greit å måle påvirkningen deres direkte.
Gravitasjon er ikke i seg selv en kraft, ifølge relativitetsteorien, og dermed er det ikke så greit å måle påvirkningen deres direkte.
Men masse krummer selve rommet. (Du krummer rommet rundt deg også, men ikke like mye som en planet eller en stjerne gjør, selv ikke midt i julebordsesongen.)
Så når en gravitasjonsbølge passerer en detektor, vil selve rommet rundt detektoren endre seg.
Denne endringen er det noe mer overkommelig å måle, skjønt endringen er bitteliten og kortvarig. Men det er enklere å måle når massen er stor, som når to nøytronstjerner påvirker hverandre.
Gravitasjonsbølger har allerede gitt to Nobel-priser. Det kan komme flere, tror fysikkprofessor Jens Oluf Andersen. Foto: Per Henning, NTNU
Første nobelpris
Først i 1974 ble gravitasjonsbølger målt indirekte: Fysikerne Russell Hulse og Joseph Taylor observerte en dobbeltstjerne i 20 år.
I løpet av de årene kunne de måle små endringer i tiden de to stjernene i dobbeltstjernen brukte på å rotere rundt hverandre. Når stjernene sender ut gravitasjonsbølger, reduseres nemlig samtidig massen, og dermed energien i stjernene.
– Gravitasjonsbølger er energi, omtrent som radiobølger, slik at energien til stjernen blir mindre, sier Andersen.
Forholdet mellom energi (E) og masse (m) er nemlig konstant. Dette forholdet er del av verdens mest berømte formel, nemlig E=mc2, der c er den, for alle praktiske formål, også konstante lysets hastighet.
Når energien blir mindre, roterer de to stjernene saktere. Denne endringen kunne Hulse og Taylor måle.
Dette ble regnet som et bevis på at stjernene sendte ut gravitasjonsbølger, og ga Hulse og Taylor nobelprisen i fysikk i 1993.
LIGO i Hanford. Foto: LIGO-laboratoriet
Andre nobelpris
Men det skulle ta drøyt 40 år til før noen kunne måle dem direkte. De som greide det i 2015 mottok også nobelprisen. Dette var Kip Thorne, Rainer Weiss og Barry Barish.
– Alle tre jobbet ved LIGO, sier fysikkprofessor Andersen.
Forkortelsen står for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Navnet gir de innvidde et hint om hvordan fysikere til sist greide å måle bølgene.
Observatoriene som utgjør LIGO hadde fått nye og bedre detektorer bare noen dager før den første direkte målingen av gravitasjonsbølgene i 2015.
I et interferometer blir en lysstråle delt i to innbyrdes loddrette stråler ved at lyset dels slipper gjennom og dels reflekteres fra en planparallell stråle.
LIGO: Digre måleinstrumenter
Et interferometer er et instrument som brukes til å bestemme egenskapene til to eller flere bølger.
Interferometeret LIGO er aldeles gigantisk. Det består av to observatorier, ett i Hanford i Washington på USAs vestkyst, det andre i Livingston, Louisiana, på den andre siden av landet. De drives av Caltech og MIT.
På disse stedene står to enorme L-formede antenner. Teknologien baserer seg på å måle endringer som gravitasjonsbølgene forårsaker i lengden av den ene av de rette delene av L-en.
Og det greide fysikerne altså i september 2015. De første resultatene ble annonsert i februar 2016. Allerede året etter vanket det nobelpriser. Dette hadde nobelkomiteen tilsynelatende ventet på.
- Les også: Lyset du kan sykle forbi
Kan kanskje avsløre hvor grunnstoffer kommer fra
– Men det kommer vel ikke noen tredje nobelpris innenfor dette feltet med det første?
– Nja. Det kan hende, sier Andersen.
For gravitasjonsbølger kan også oppstå når gigantiske objekter kolliderer. Disse gigantiske kollisjonene er så klart spennende på flere måter, men én side ved dem kan bidra til å løse et mysterium:
Hvordan grunnstoffer større høyere opp i det periodiske systemet enn jern oppstår.
Jern er grunnstoff 26. Resten vet vi altså ikke sikkert hvor kommer fra.
– Dette er et mysterium i dag. En vanlig stjerne kan danne alle grunnstoffer med utgangspunkt i hydrogen, fra helium til jern. Men videre vet vi ikke. Det kan være at tyngre grunnstoffer oppstår når to nøytronstjerner kolliderer. Om noen kan vise at det er tilfelle, kan det ligge en nobelpris der, sier fysikkprofessor Andersen.
