Det amerikanske observatoriet LIGO annonserte i forrige uke at det for første gang har sett gravitasjonsbølger. Hva er egentlig gravitasjonsbølger, og hvorfor er det interessant?

Ifølge Albert Einsteins generelle relativitetsteori vil objekter som beveger seg lage bølger i tid-rommet. Det kan sammenlignes med bølgene som blir dannet av en dupp som flyter på vannflaten. Mens vannbølger er overflatebølger, er gravitasjonsbølger bølger i selve rommet. Det vil si at alle avstander mellom punkter blir strukket eller presset sammen.

Alle objekter lager slike bølger, men effekten er så svak at selv for de mest ekstreme tungvekterne i universet, er det vanskelig å oppdage bølgene. Derfor trengte vi måleinstrumenter som var utviklet gjennom flere tiår og en kollisjon mellom to svarte hull for at vi endelig skulle registrere de første gravitasjonsbølgene.

Kuler på et laken

For å se for oss hvordan gravitasjonsbølger fungerer, kan vi se for oss rommet som et elastisk laken. Vi later som om de tre romlige dimensjonene og tidsdimensjonen blir redusert til en todimensjonal overflate. Det gjør det lettere å forstå hvordan gravitasjon virker. På dette lakenet­ kan vi plassere en massiv kule, som vil strekke lakenet og lage en fordypning i det.

Oppdagelsen av gravitasjonsbølger kan sammenlignes med at en døv person plutselig hører.

Plasserer vi flere kuler på lakenet,­ vil de påvirkes av krumningen det har og begynne å rulle mot hverandre. Har de passende hastighet, kan de få en bøyd bane rundt andre kuler, eller de kan bli fanget i en av lakenets fordypninger og kollidere med kulen som ligger der fra før av. Gravitasjon — tyngdekraft - fungerer på samme måte; alle objekter krummer rommet, og den synlige effekten av dette er at de tiltrekker hverandre.

Fullt kjør i Genève igjen:

Så lenge kulen ligger i ro på lakenet,­ blir også fordypningen den lager liggende i ro, men hvis kulen begynner å bevege seg, skjer det noe mer. Ikke bare vil fordypningen den lager følge med den, men den vil også lage bølger i lakenet som brer seg utover i alle retninger. Dette er gravitasjons­bølgene.

Svarte hull

For at bølgene skal bli store nok til at vi kan måle dem, trengs det tunge objekter som akselererer raskt. Hvis for eksempel to svarte hull går i bane rundt hverandre, vil de sende ut gravitasjons­bølger. Selv om de svarte hullene er enorme, vil ikke bølgene være så store i starten. Men fordi bølgene tar med seg energi, vil hullene gå i en spiral og komme nærmere og nærmere hverandre. Jo nærmere de kommer, jo raskere går de, og jo større blir bølgene de lager.

Moro for barn:

Til slutt kolliderer de og blir til et enda større svart hull. Det var nettopp dette som skapte gravitasjonsbølgene LIGO målte.

Slik måles bølgene

Hvordan kan vi måle gravitasjonsbølger? Forestill deg at du tegner et rutenett på lakenet i rommet for å bruke det til å måle avstanden. Når gravitasjonsbølgen kommer, vil rutenettet presses sammen i én retning, og utvide seg i en annen. Vi som står rett ved rutenettet, vil ikke kunne se noen endring i rutenettet, siden det også strekkes og presses sammen, vi teller like mange ruter som før.

Men det finnes én ting i uni­verset som ikke endrer seg, og det er lysets hastighet. Hvis avstanden mellom to objekter blir strukket, bruker lyset lengre tid på reisen, og kortere hvis avstanden presses sammen. Akkurat derfor kunne LIGO bruke lys til å måle gravitasjonsbølger.

Tiden endrer seg

Styrken til gravitasjonsbølgene avtar raskt med avstanden. Bølgene som ble målt på jorden, må ha vært mye større straks etter at de ble laget. Hvis vi hadde vært nær de svarte hullene som laget bølgene, ville det minne om følelsen av å stå foran en veldig stor høyttaler. Det ville gå dønninger gjennom hele kroppen.

Målet er å leve evig:

Ifølge Einsteins teori er ikke tid og rom uavhengige av hverandre. Hvis rommet endres av en gravitasjonsbølge, påvirkes også tiden til å gå enten fortere eller saktere. Men hvis vi ble utsatt for en gravitasjonsbølge, ville vi ikke kunne føle at tiden endret seg. Et sekund er fremdeles et sekund, og for å kunne si hvor mye tiden vår har endret seg, må vi sammenligne klokken vår med noen som ikke har vært utsatt for gravitasjonsbølgen.

Enormt gjennombrudd

Selv om gravitasjonsbølgene er så svake at det bare er så vidt at vi klarer­ å måle dem, er gjennombruddet enormt. Det er som om en døv person plutselig begynner å høre. Synet er fremdeles den viktigste­ sansen, men hørselen åpner for mye ny informasjon.

Svarte hull har tidligere bare vært mulig å observere ved å se på hvordan de påvirker stjerner eller støvskyer rundt dem. Med gravitasjonsbølger har vi fått direkte målinger av de svarte hullene. Noe av det første vi kan undersøke, er hvor ofte svarte hull kolliderer, og hvor massive hullene som kolliderer er.

Kan se Big Bang

Når vi blir enda flinkere til å observere gravitasjonsbølger, vil stadig flere muligheter åpne seg. Blir vi flinke nok, kan vi en gang klare å måle dønningene som er igjen etter Big Bang. Universet ble gjennom­siktig først da det var 380.000 år gammelt, så uansett hvor gode optiske teleskoper vi lager, finnes det en grense for hvor langt tilbake i historien vi kan se ved hjelp av lys. Gravitasjonsbølgene kunne derimot bre seg ut, omtrent som lyd gjennom en tåkebanke, mens universet var ugjennomsiktig. De bærer med seg historien om hva som skjedde helt i starten.­

Slik fant de gravitasjonsbølger

For å observere gravitasjonsbølger, må man kunne detektere svært små lengdeendringer. Det gjør LIGO gjennom to fire kilometer lange tunneler som står vinkelrett på hverandre.

Gjennom tunnelene sendes det laserlys som speiles tilbake fra andre enden, og lyset fra de to tunnelene kombineres igjen på startpunktet.

Hvis noe skjer som får den ene tunnelen til å bli litt lengre enn den andre, vil det kombinerte lyset lage et spesielt mønster som gjør det mulig å finne ut hvor stor lengdeforskjellen er.

Denne teknikken gjør det mulig å registrere­ fantastisk små lengde­endringer. Gravitasjonsbølgene som ble registrert, ga en lengdeendring som tilsvarer en tusendel av et proton. Det er så lite at det er vanskelig å forstå.

Hvis tunnelen var fra jorden til nærmeste stjerne (bortsett fra solen), ville det fremdeles bare vært snakk om noen hundredels millimeter.