En detektor i verdensrommet kan oppdage gravitasjonsbølger med lengre bølgelengder enn det som er mulig på jorden.
En detektor i verdensrommet kan oppdage gravitasjonsbølger med lengre bølgelengder enn det som er mulig på jorden.

Gigantiske lasere skal fange bølger i verdensrommet. – For 30 år siden var ideen vanvittig

– Noen ganger går drømmer i oppfyllelse, sier Helena Kolesova, partikkelfysiker ved Universitet i Stavanger.

Den europeiske romorganisasjonen (ESA) har bestemt at instrumentet LISA skal bli bygget. Arbeidet starter i januar 2025, melder ESA

LISA består av tre instrumenter som skal sendes opp i verdensrommet. De skal peke lasere mot hverandre i en perfekt trekant-formasjon. 

Hver side av trekanten blir 2,5 millioner kilometer, over seks ganger så langt som fra jorden til månen.   

På den måten håper forskere å oppdage gravitasjonsbølger, bølger i selve rommet. 

Når bølgene vugger rommet der LISAs lasere lyser, så utvides og krympes rommet ørlite grann.

Med laserne kan denne avstandsforskjellen registreres. 

Det er snakk om en størrelsesorden på noen picometer, en måleenhet på atomnivå. Et heliumatom har en diameter på 62 picometer. 

Scifi-instrument 

– Ideen om LISA var vanvittig og veldig scifi for 30 år siden, sier Kolesova. 

Hun er begeistret for at ESA har gitt klarsignal til prosjektet. 

– Min første tanke var at jeg var veldig glad på vegne av alle som har jobbet med å forberede LISA-oppdraget i 20 til 30 år, sier hun. 

Det er tidligere sendt opp et instrument kalt LISA Pathfinder som beviste at teknologien kan fungere som tenkt

Kolesova er selv en del av LISA-samarbeidet, men jobber med teori. Hun utforsker hvordan gravitasjonsbølger fra det tidlige universet kan avsløre ny fysikk, som naturen til mørk materie. 

Det er også andre ved Universitet i Stavanger som forsker på hvordan dataene fra LISA kan brukes. Slik som Germano Nardini, en av lederne for LISAs arbeidsgruppe for kosmologi. Han er «hjertet av LISA i Norge», sier Kolesova. 

Første gang påvist i 2015

Byggingen og forberedelsene er ventet å ta ti år, og planen er at LISA skal sendes opp i 2035. 

LISA skal følge bak jorden i bane rundt solen. I hvert av de tre instrumentene skal det være to bokser laget av gull og platina. Boksene er litt mindre enn en Rubiks kube.

Avstanden mellom boksene måles ved hjelp av laserne. 

Gravitasjonsbølger dannes når store masser i universet roterer tett rundt hverandre, slik som svarte hull. 

Siden 2015 har detektorer på bakken registrert gravitasjonsbølger fra en rekke sammensmeltninger mellom sorte hull og fra andre hendelser. 

LIGO-observatoriene i USA har to fire kilometer lange armer i en L-form. Lasere  brukes for å måle bittesmå deformasjoner av rommet som skyldes gravitasjonsbølger. 

Illustrasjon av LISA med gullboksene inni,
Illustrasjon av LISA med gullboksene inni,

Avstanden vil variere noe 

LISA fungerer litt på samme måte som LIGO, sier Kolesova. 

Laserstråler sendes mellom satellitter og kombineres. Hvis en av armene har endret lengde, blir det interferens. Bølgene i lyset matcher ikke perfekt. 

Men hvordan er det mulig å holde LISA tilstrekkelig i ro til at man kan måle avstandsforskjeller på størrelse med et atom? 

Heldigvis går det fint med litt variasjon i avstanden. 

– Avstandene vil endre seg litt, men det vil skje på en kontrollert måte, sier Kolesova.

Forskere vet hvordan de langsomme endringene i avstand vil utspille seg og kan trekke fra disse effektene. Det som blir igjen, er effekten av gravitasjonsbølger. 

Trekantformen er fiffig, ifølge Kolesova. Dette er nyttig i dataanalysen, fordi mye støy kan siles ut. Det hjelper også for å finne ut hvor gravitasjonsbølgene kom fra. 

LIGO måler gravitasjonsbølger på bakken. LISA skal gjøre det i verdensrommet.
LIGO måler gravitasjonsbølger på bakken. LISA skal gjøre det i verdensrommet.

Vil oppdage større bølger

Hvorfor sende opp et observatorium for gravitasjonsbølger i rommet når vi allerede har flere av dem på jorden? 

LISA vil kunne oppdage gravitasjonsbølger på andre frekvenser enn de bakkebaserte detektorene, forteller Kolesova.

Elektromagnetisk stråling har forskjellige bølgelengder. Synlig lys har nokså kort bølgelengde, mens radiobølger har lang bølgelengde. 

Ulike teleskoper brukes for å studere elektromagnetisk stråling med forskjellige bølgelengder.

Litt på samme måte trengs det forskjellige detektorer for å fange opp gravitasjonsbølger med korte og lange bølgelengder. 

LISA har mye lengre armer enn de bakkebaserte observatoriene. Det gjør at instrumentet kan oppdage gravitasjonsbølger med mye lengre bølgelengder. 

Etterdønninger av galakser som krasjet

 LIGO fanger opp signaler fra sorte hull eller nøytronstjerner i siste fase før sammensmeltningen. 

LISA vil kunne se runddansen tidligere, når de sorte hullene roterer rundt lenger vekk fra hverandre. Da sendes det ut gravitasjonsbølger med lengre bølgelengder. 

– LISA vil se de samme hendelsene som LIGO, men tidligere, sier Kolesova.

Dette betyr at LISA kan varsle om en hendelse som LIGO vil registrere om uker eller måneder. En kan også på forhånd rette vanlige teleskoper mot hendelsen og fange opp eventuell stråling når objektene krasjer. 

LISA vil også kunne oppdage større og enda mer voldsomme hendelser enn LIGO: Nemlig supermassive sorte hull som kolliderer, forteller Kolesova

– Disse massive sorte hullene antas å være i midten av galakser.

Sammensmeltinger mellom supermassive sorte hull vil produsere mye gravitasjonsbølger og kan «høres» fra ekstremt lange avstander. 

– Hvis du ser langt ut i universet, så ser du også langt tilbake i tid. Det er fordi gravitasjonsbølger har en bestemt hastighet, den samme hastigheten som lys, sier Kolesova.  

Dette betyr at en kan registrere sammensmeltinger mellom galakser tidlig i universet og slik få mer informasjon om galaksenes utvikling. 

To sorte hull som er på vei til å smelte sammen.
To sorte hull som er på vei til å smelte sammen.

Universets utvidelse

Det er også andre målinger som kan gjøres med LISA. Noen er spente på hva LISA kan fortelle om hastigheten på universets utvidelse. Denne hastigheten kalles Hubbles konstant. 

– Men det er et problem. Hvis du måler hvor raskt universet utvider seg i vårt lokale univers, er verdien litt forskjellig fra om du måler ut fra den kosmiske bakgrunnsstrålingen. 

Den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen er det første lyset i universet og kommer fra alle steder overalt. Ifølge teorien ble dette lyset sluppet løs 380.000 år etter big bang, da elektroner bandt seg til atomkjerner og lyset kunne ferdes fritt. 

LISA kan hjelpe med å finne ut hvilken måling av universets utvidelse som er riktig

– Det kan til og med hende at begge målinger er korrekte og at teorien vår må endres. 

De første årene er mørke

Så kommer vi til det som Kolesova er mest spent på. 

Vi kan ikke se lys eller elektromagnetisk stråling som er eldre enn den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. De første 380.000 årene av universets historie er mørklagt. 

For gravitasjonsbølger finnes ikke den samme begrensningen. Hvis det ble dannet gravitasjonsbølger i universets barndom, kan disse fremdeles oppdages som krusninger i romtiden. 

– Det kan finnes noe lignende som den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, kalt en stokastisk gravitasjonsbølgebakgrunn, sier Kolesova. 

Fysikk som ligger utenfor standardmodellen

Standardmodellen beskriver de minste byggeklossene for alt som finnes. Den sier hvordan atomer og partikler virker sammen og oppfører seg. Teorien fungerer kjempebra.

– Men når vi ser ut i universet, er det noen problemer som vi ikke kan forklare med standardmodellen. Et av dem er mørk materie, sier Kolesova. 

Mørk materie dukker opp på flere skalaer i universet. Galakser er tyngre enn de ser ut som. En forklaring er at det finnes usynlig materie i galaksen. 

Denne mørke materien ser ut til å ha lite samspill med de vanlige partiklene, men har masse og påvirkes av tyngdekraft.

Gravitasjonsbølger fra det tidlige universet kan fortelle om mørk materie og andre partikler som ikke finnes i standardmodellen. 

Summing fra det tidlige universet

Det kan for eksempel ha blitt laget gravitasjonsbølger under såkalte faseoverganger i det tidlige universet. En faseovergang er når et stoff endrer egenskaper, som at vann går fra å være flytende til å bli damp. 

Det skjedde faseoverganger i det tidlige universet, forteller Kolesova.

En av dem forekom da universet gikk fra å være en varm suppe til at det kjølte seg ned, og det ble dannet protoner og nøytroner. Det var også en faseovergang da partiklene fikk masse via higgsfeltet. 

Men dette var ikke voldsomme faseoverganger, forteller Kolesova, og det lagde ikke gravitasjonsbølger. 

Hvis det derimot var ukjente partikler involvert, kan det ha oppstått voldsomme faseoverganger og gravitasjonsbølger. 

 Forskere vil derfor lytte etter en slik bakgrunnssumming av gravitasjonsbølger fra det tidlige universet. 

– Det vil være gravitasjonsbølger som kommer fra alle retninger. De vil være vanskelige å oppdage, på grunn av den konstante støyen, sier Kolesova.

Hva er det som er oppdaget med pulsarer? 

I fjor kom det en nyhet om at forskere tilsynelatende har oppdaget en slik summing ved hjelp av pulsarer. 

Pulsarer er nøytronstjerner som spinner raskt rundt. De kaster lysglimt mot jorden som en tikkende klokke. Disse er også brukt for å oppdage gravitasjonsbølger

– Dette er et hett tema for tiden, sier Kolesova.

Forskere ser tegn til en stokastisk gravitasjonsbølgebakgrunn i datasettene fra pulsarer, sier hun.  

– Men vi kjenner ikke opprinnelsen ennå. Den mest konservative tolkningen er at det stammer fra supermassive sorte hull som smelter sammen. 

Det kan altså være at bakgrunnslyden er etterdønninger etter mange kollisjoner mellom supermassive sorte hull opp igjennom tidene. 

– Selv om signalet kommer fra sorte hull, er det interessant. Folk forventet ikke at signalet skulle være så sterkt, sier Helena Kolesova. 

———

Denne saken kan du også lese på engelsk på sciencenorway.no

Få med deg ny forskning

Powered by Labrador CMS