Da Albert Einstein i 1916 forudsagde eksistensen af tyngdebølger, tvivlede han stærkt på, at forskerne nogen sinde ville blive i stand til at måle dem. Men nutidens astronomer er anderledes optimistiske. To gigantiske laserinterferometre i USA, hver med fire kilometer lange arme, og et næsten lige så stort anlæg i Europa har netop indledt de første langvarige observationer, og gennembruddet kan være lige om hjørnet.

Tyngdebølger er svingninger i tid og rum, som ifølge den almene relativitetsteori opstår, når store masser accelereres hurtigt. Fænomenet svarer til at rulle en tung jernkugle hen over en gummimembran. Når kuglen bevæger sig langsomt, er membranen næsten ubevægelig, men hvis kuglen triller hurtigt, frembringer den bølger i membranen.

På samme måde udbredes tyngdebølger gennem universet, f.eks. når en stor stjerne eksploderer som en supernova og slynger masse ud i rummet, eller når to kompakte neutronstjerner i et dobbeltstjernesystem kolliderer med hinanden.

De fleste astronomer inden for feltet vurderer, at detektorerne i USA og Europa har størst chance for at observere tyngdebølger fra sammenstød mellem neutronstjerner i dobbeltpulsarer eller mellem to sorte huller. For det første er der tale om ekstreme kosmiske katastrofer, der udsender stærke tyngdebølger, og for det andet forudsiger teorien, at bølgerne har frekvenser på omkring 100 hertz, som især er skabt til at fange.

Når to neutronstjerner i en dobbeltpulsar spirallerer ind imod hinanden, udsender de tyngdebølger, som gradvist vokser i styrke og stiger i frekvens inden sammenstødet. Efter braget, hvor tyngdebølgernes styrke kulminerer, bliver de igen svagere og mere lavfrekvente, indtil de dør.

Fysikerne har stor interesse i at kunne observere hele forløbet, og her står Virgo stærkt, fordi detektoren kan opfange lavfrekvente signaler på ned til ti hertz. Efterhånden som neutronstjernerne roterer hurtigere og hurtigere omkring deres fælles tyngdepunkt og nærmer sig hinanden, deformeres de af voldsomme tidevandskræfter. Graden af deformation afhænger af stjernernes indre opbygning og vil afspejle sig i tyngdebølgernes styrke. Jo mere deformation, des kraftigere tyngdebølger udsendes der.

»Neutronstjerner indeholder ikke kun neutroner, men også en lang række andre partikler, f.eks. kvarkstof, men fordelingen er ukendt. Hvis det lykkes at observere tyngdebølger fra hele forløbet før og efter en kollision, vil man ud fra tyngdebølgernes mønster kunne se neutronstjernernes opbygning,« siger Jes Madsen.

Når det gælder hurtigt roterende neutronstjerner og pulsarer har forskerne allerede lært noget. For hvis rotationen havde deformeret pulsarerne så stærkt, at de blev ekstremt elipseformede, som nogle teoretiske modeller forudsiger, ville tyngdebølgerne have været kraftige nok til, at Ligo skulle have opdaget dem.

»Detektorernes følsomhed skal blot øges med en faktor ti, før vi kan bekræfte eller aflive forskellige modeller over neutronstjerners struktur og opførsel,« siger Jes Madsen.

Tilbage til Big Bang

Planen er netop at tidoble følsomheden, når Ligo efter den igangværende forsøgsrunde opgraderes, og samtidig vurderer de amerikanske fysikere, at tvillingedetektorerne kan optimeres til at lede efter den kosmiske baggrund af tyngdebølger, som ifølge relativitetsteorien må have udbredt sig i rummet siden Big Bang.

Hvis det lykkes at detektere disse urgamle tyngdebølger kan kosmologerne teste deres modeller for universets dynamik og udvikling helt tilbage til bare 10-35 sekunder efter selve skabelsesøjeblikket. På det tidspunkt gennemgik universet ifølge teorien en eksponentiel udvidelse, den såkaldte inflation, som lagde grunden til den nuværende fordeling af mørkt stof og lysende galakser i rummet.

Fra inflationen og frem til frigivelsen af den kosmiske baggrundsstråling 270.000 år senere var universet fyldt af et varmt plasma, som var uigennemtrængeligt for lys, fordi alle de fotoner, som blev udsendt, øjeblikkeligt blev spredt og opslugt af suppen af subatomare partikler. Derfor er det fuldstændigt umuligt at se tilbage til den første kritiske periode via studier af elektromagnetisk stråling.

Den voldsomme bevægelse af masse under inflationen skabte imidlertid også tyngdebølger, som uhindret kunne bevæge sig gennem plasmaet og gennemstrømme rummet. Jo vildere forholdene var under inflationen, jo stærkere vil signalet være, og større chance har fysikerne for at se tyngdebølger fra Big Bang.

»Jeg tvivler på, at Ligo kan observere den kosmiske baggrund af tyngdebølger. Chancen vil være større med et fremtidigt interferometer i rummet. Lykkes det en dag at se tilbage til inflationen, kan observationerne få en enorm betydning for vor forståelse af universets skabelse og udvikling,« siger Jes Madsen.

- Almindelig elektromagnetisk stråling findes i mange forskellige bølgelængder, og det samme er tilfældet med tyngdebølger. Derfor planlægger Nasa og ESA et interferometer i rummet (Lisa), hvor tre satellitter skal lytte til universets rumlen på længere bølgelængder end detektorerne på Jorden.

- Planen er at anbringe satellitterne i en trekant med en indbyrdes afstand på fem millioner kilometer og sende laserstråler fra satellit til satellit. Laserstrålerne måler, om de tre satellitter forskyder sig i forhold til hinanden, når tyngdebølger kommer rullende.

- De store afstande mellem satellitterne betyder, at Lisa vil opfange tyngdebølger fra andre begivenheder end Ligo og Virgo. Et centralt emne for forskningen bliver dannelsen af de supertunge sorte huller, som findes i hjertet af store galakser.

- Finansieringen af Lisa er endnu ikke på plads, og opsendelsen sker tidligst i 2015.

- De amerikanske tvillingeobservatorier (Ligo), og den nye fransk-italienske detektor i Pisa (Virgo) bruger laserinterferometri i forsøget på at måle de svage vibrationer, som tyngdebølger skaber, når de rammer Jorden.

- Ligo-detektorerne består begge af to fire kilometer lange tunnelrør, der ligger vinkelret på hinanden, mens de to ben i Virgo er tre kilometer lange. For at detektere en tyngdebølge skal anlæggene kunne måle bevægelser på blot 10-16 centimeter, hvilket er mindre end en tusindedel af protons diameter.

- Der er masser af langt stærkere jordiske vibrationer på spil; lige fra seismiske rystelser til forbipasserende lastbiler. Derfor er spejlene ophængt i støddæmpende systemer.

- Den sidste sikkerhedsforanstaltning består i at have flere observatorier med stor indbyrdes afstand. Der er 3.000 kilometer mellem de to tvillingeobservatorier i USA og endnu længere til Virgo i Europa. Hvis alle tre observatorier detekterer en tyngdebølge næsten samtidigt, fortæller det, at det ikke er en lokal rystelse.

- Forskerne på Ligo, Virgo og GEO har netop indgået en aftale om at dele alle data og behandle dem ens. Fælles tidsserier og retningslinjer for databehandlingen er en stor fordel, og samtidig muliggør den geografiske afstand mellem detektorerne, at man kan pejle sig ind på kilderne til tyngdebølger.

- Både Ligo og Virgo startede i sommeren 2007 observationsperioder, der skal vare i et år. Langvarige observationer giver markant bedre muligheder for at frafiltrere jordisk støj.