Krusninger i rumtiden skal afsløre neutronstjerner og sorte huller
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Krusninger i rumtiden skal afsløre neutronstjerner og sorte huller

Illustration: LIGO

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.

Illustration: MI Grafik

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.

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.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

forskerne regner med at måle noget i retning af 40 tyngdebølger om året. Det kan eksempelvis være signalet fra neutronstjernerne

Det staar lidt uklart for mig. Betyder det, at bølgefrekvensen er 40 svingninger/aar eller regner man med at observere fyrre fænomener om aaret?.

  • 0
  • 0

Det er 40 begivenheder om året. Men tallet er behæftet med meget stor usikkerhed, fordi astrofysikerne jo faktisk ikke ved så meget om antallet af binære neutronstjerner og sorte huller. Det kan godt blive 1 eller måske 400 om året....

Mvh
Henrik Bendix

  • 1
  • 0

”Skrækkelige Klima-Svend” (det er et kompliment) spørger:

Hvordan kan man skelne mellem en tyngdebølge og et jordskælv?

Svar: det er i sig selv ikke noget problem, for tyngdebølger fra jordskælv er på trods af nærheden umådeligt meget svagere end tyngdebølger fra f.eks. neutronstjerner.

Langt værre er de seismiske vibrationer fra skælvene, som vil overdøve selv de kraftigste gravitationsbølger.

Det hele startede med Webers aluminiumscylinder for 46 år siden, der ikke målte noget som helst (på nær seismiske vibrationer). Fortsatte med optakten til LIGO i 1992. I perioden 2002-2010 detekterede LIGO ikke en dyt.

Nuvel - så blev det avancerede LIGO introduceret med endnu større følsomhed og 3-dobbelt ophængte detektorer for at kompensere for seismiske forstyrrelser.

Om man i det hele taget kan observere gravitoner og for den sags skyld gravitationsbølger er et åbent spørgsmål. Lyt f.eks. til fysikeren Freeman Dysan’s glimrende gennemgang

Her er teksten fra et tilsvarende foredrag, som Dyson Freeman holdt i Aalborg i 2012.

Hvis man vil holde sig orienteret, kan Ligo-Magazine anbefales.

Så Svend: gravitationsbølger fra seismiske forskydninger er ubetydelige. Derimod giver rystelserne store problemer for detektionen, som trods stadige instrumentelle forbedringer i de sidste 50 år stadig ikke er lykkedes.

Jeg afventer i spænding resultater fra det forfinende LIGO, men har efterhånden mine tvivl.

Positivt set giver det plads til teoretiske forbedringer, som sammen med mere kvalificerede svar på sort masse, sort energi og nulpunktsenergi forhåbentlig kan fremme vor erkendelse.

  • 3
  • 3

Om man i det hele taget kan observere gravitoner og for den sags skyld gravitationsbølger er et åbent spørgsmål. Lyt f.eks. til fysikeren Freeman Dysan’s glimrende gennemgang


Ifølge Einsteins almene relativitetsteori er gravitation en egenskab ved rummet - og "partikler" giver derfor ikke nogen mening.

Deformationerne af rummet medfører at der opleves en acceleration, hvor rummet deformerer. Imidlertid er svært at forklare hvorfor, at rummet netop deformerer omkring masse og energi. Hvad er årsagen til rummets deformation omkring en masse - og at vi derfor oplever tyngdeacceleration?

Kan det være en slags "partikkelsky" omkring en masse der deformerer rummet. Altså, at et eller andet løsriver sig fra massen, og giver en "tåge" omkring den, der medfører deformationen af rummet, og derfor en acceleration omkring massen? Partikler kan måske indgå i mekanismen, som deformerer rummet, men ellers har jeg svært ved at se mulig eksistens af partikler. Med mindre Einsteins almene relativitetsteori gælder på kvanteniveau. Hvis det sidste er tilfældet, så giver det anledning til problemer.

  • 0
  • 2

Med mindre Einsteins almene relativitetsteori gælder på kvanteniveau. Hvis det sidste er tilfældet, så giver det anledning til problemer.


Det skulle stå modsat: Med mindre, at Einsteins almene relativitetsteori ikke gælder på kvanteniveau.

Umiddelbart virker det ligeså usandsynligt at tyngdeacceleration skulle være kvantiseret, som at almindelig acceleration kunne være det. Dog, kan den mekanisme, der fører til deformationen af rummet, måske være kvantiseret.

  • 0
  • 0

Svar: det er i sig selv ikke noget problem, for tyngdebølger fra jordskælv er på trods af nærheden umådeligt meget svagere end tyngdebølger fra f.eks. neutronstjerner.
Langt værre er de seismiske vibrationer fra skælvene, som vil overdøve selv de kraftigste gravitationsbølger.


Nu er det jo deformationen man måler uanset hvad der er årsagen, og den må være meget svagere for disse tyngdebølger.
I øvrigt må det give en god måling af tidejord. Som dig har jeg også mine tvivl om man finder noget, selvom det ikke kan aflive hypotesen.

  • 4
  • 2

Tror at Tyngdebølger er extremt langbølget og kræver større fysisk måleudstyr. (månens diameter)
Det bliver nok først detekteret, når vi har et rumbaseret detektor. (Derude er der masser af plads og mindre udvedkommende forstyrrelser)
Det bliver nok en sej kamp at finde et signal. Som det var at finde Higgs. ;c)

  • 1
  • 0

Tyngdebølger opstaar ved at to stjerner roterer om hinanden med
en meget veldefineret frekvens. Det maa defor være muligt at afstemme
maaleudstyret til netop denne frekvens, hvorved man faar frafiltreret
en mere bredspektret støj som jordskælv.

  • 1
  • 1

Skal tyngdebølger ikke være retningsbestemte, for at vi kan detektere dem her på jorden? Hvis de ikke rettes mod jorden, så bliver de enormt svage, i så stor afstand.

Desuden vil tyngdebølgers påvirkning medføre et energitab fra stjernerne som udsender dem (på samme måde, som månen taber energi, på grund af tidevandet). Der må ufattelige mængder energi til, hvis tyngdebølgerne skal være kraftige nok til at kunne måles på jorden.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten