Astrofysikere vil detektere tyngdebølger med et galaktisk GPS-system

Med fundet af 17 nye millisekund-pulsarer håber forskerne snart at have nok højpræcise ure i rummet til at kunne måle de små rystelser i tid og rum som er forudsagt af Albert Einstein.

Af Jens Ramskov,  søndag 17. jan 2010 kl. 09:56

Pulsarer er roterende neutronstjerner, der udsender radiostråling, røntgenstråling eller gammastråling. Pulsarer roterer langsommere og langsommere, som tiden går, med mindre de en del af et binært system, hvor gas, der flyder fra en stjerne, kan få kan få en pulsar til at opretholde en rotation på flere hundrede omdrejning i sekundet over meget lang tid. Se video fra eksterne link under artiklen.

Albert Einstein forudsagde eksistensen af tyngdebølger for næsten hundrede år siden.

Men til trods for, at der er postet milliarder af kroner i specielle observatorier i USA, Tyskland og Italien til at måle de små rystelser i tid og rum, som den generelle relativitetsteori forudsiger findes, har det endnu ikke været muligt at lave en direkte detektion af tyngdebølger.

Der findes en form for indirekte detektion fra 1974 - og som udløste en nobelpris i fysik i 1993 til Russel Hulse og Joseph Taylor fra Princeton University - så forskerne er rimeligt sikre på, at Einsteins forudsigelse nok skal holde. Men det ville nu være rart at kunne måle tyngdebølgerne direkte, er holdningen blandt fysikerne.

Nu mener astrofysikerne, at de kan bruge et slags galaktisk GPS-system til at detektere, hvordan tyngdebølger påvirker Jordens placering i forhold til andre objekter i Universet.

Laserobservatorier har ikke fundet noget endnu
I de specielt designede observatorier til detektion af tyngdebølger som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory i USA, bruger man laserstråler til at måle ekstremt små forskydninger i en masse placeret for enden af en flere kilometer lang arm, der opstår på grund af tyngdebølger, der eksempelvis udsendes, når to sorte huller støder sammen.

Det drejer sig om størrelser omkring 10^-16 cm eller 100 millioner gange mindre end størrelsen på et brintatom. Men til trods for den ekstremt høje nøjagtighed, hvormed man kan måle forskydningen af massen, er det ikke lykkedes at kunne måle en tyngdebølge.

De små rystelser i rummet, som stammer fra selv meget voldsomme begivenheder i Universet, er nemlig meget små.

Et alternativ til at måle, hvordan tyngdebølger flytter en masse i et flere kilometer langt laser-observatorium, er at se, hvordan hele Jorden flytter sig i Universet. Det kræver blot et galaktisk GPS-system som reference for Jordens position. Det er det, som astrofysikerne mener, de er godt på vej til at finde i form af såkaldte millisekund-pulsarer.

Pulsarer er roterende neutronstjerner, der udsender radiostråling, røntgenstråling eller gammastråling. Pulsarer roterer langsommere og langsommere som tiden går, med mindre de er en del af et binært system, hvor gas, der flyder fra en stjerne til pulsaren, kan få kan den til at opretholde en rotationshastighed på flere hundrede gange i sekundet over meget lang tid (se video i linket nedenfor).

Kapløbet er skudt igang
Nasas Fermi Gamma-ray Space Telescope, der blev opsendt i 2008, har nu fundet 17 nye millisekund-pulsarer forskellige steder i Mælkevejen. De første af disse millisekund-pulsarer blev fundet for 28 år siden. Indtil Fermi blev opsendt, kendte man kun 60 af slagsen.

Millisekund-pulsarerne er de mest præcise ure, der kendes i naturen. Med store radioteleskoper kan man måle signalerne, der kommer fra mange millisekund-pulsarer fra kilder, der er spredt over hele himlen. Kommer signalerne enten lidt før eller lidt senere end forventet, er det et direkte tegn på, at en tyngdebølge har forandret rummet.

Det kræver dog et stort antal millisekund-pulsarer, der er spredt over hele himlen. Først med Fermi rumteleskopet, der er bygget for at finde gammastråling, har man fået denne mulighed.

»Vi har sandsynligvis kun fundet ca. en procent af alle millisekund-pulsarer i Mælkevejen, men vi har nu næsten nok af dem til at kunne detektere tyngdebølger,« sagde Scott Ransom fra National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i USA, da han for nylig var med til at fremlægge fundet af de 17 nye millisekund-pulsarer på et møde i American Astronomical Society i Washington DC.

Bruce Allen, der er direktør for Max Planck instituttet for gravitationsfysik i Hannover, er overvejende enig.

»Jeg tror, at de har en god chance for at slå de jordbaserede detektorer. Det er nu et kapløb,« siger han til Nature.

Det kan åbne for en helt ny gren inden for astronomien: Tyngdebølge-astronomi. Et enormt laserobservatorium i rummet til mange milliarder kroner, Laser Interferometer Space Antenna (LISA), har været på diskuteret hos Nasa og ESA i årevis.

Thomas Prince fra California Institute of Technology i Californien, der er involveret i LISA-missionen, fremhæver, at interferometre vil have en lang række fordele frem for "det galaktiske GPS-system" blandt andet i form af at kunne udpege retningen til de hændelser i Universet, der forårsager tyngdebølger.

Til gengæld er et galaktisk GPS-system baseret på millisekund-pulsarer og som bruger eksisterende radioteleskoper, "dirt cheap", som Scott Ransom udtrykker det.