Joanna Rose om gravitationen och Nobelpriset i fysik
På bilden ovan ser vi Joanna Rose tillsammans med Kip Thorne som var med och upptäckte gravitationsvågorna och som var en av de som fick årets Nobelpris i fysik.Vi hade det på känn redan när Kosmiskt pussel gick i tryck (klicka på länken för att köpa och läsa mer), men efter att det tillkännagavs har Joanna Rose uppdaterat det kapitel i boken som handlar om upptäckten. Vi passar på att lägga ut det redan nu.
7. Kosmisk symfoni
Om upptäckten av gravitationsvågorna
- Einstein fick rätt igen • Rumtiden vibrerar • Gravitationsvågorna bevarar det förflutna • Att höra svarta hål sjunga • Ligo – en gigantisk interferometer • Nyttan med gravitationsvågorna • Mellan Einstein och Hawking
—
Einstein fick rätt igen
Ryktena hade cirkulerat i sex månader innan den tusenhövdade forskargruppen blev klar med att nagelfara mätningarna. Först den 11 februari 2016 vågade de offentliggöra upptäckten. För första gången någonsin har forskarna lyckats avlyssna rymdens gravitationsvågor. Dessa vibrationer i rumtiden som Albert Einstein förutspådde i sin allmänna gravitationsteori, kom från en kollision mellan två avlägsna svarta hål och upptäcktes den 14 september 2015 med de amerikanska tvillingdetektorerna Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Då hade gravitationsvågorna färdats genom universum under 1,3 miljarder år.
Albert Einstein fick rätt igen, den här gången dröjde det hundra år innan hans förutsägelse kunde beläggas. Nobelpriset i fysik lät dock inte vänta på sig – i oktober 2017 belönades tre av de ledande forskarna Rainer Weiss, Kip Thorne och Barry Barish ”för avgörande bidrag till Ligo-detektorn och observationen av gravitationsvågor”.
Trots att signalen var extremt svag, lovar den en revolution för astrofysiken. Gravitationsvågor ger oss ett helt nytt sätt att se de våldsammaste händelserna i universum, och att testa gränserna för vårt vetande.
Rumtiden vibrerar
Det var helt mörkt. Men knappast helt tyst. Dånet från två svarta hål som slog sig samman fick hela rymdväven att skälva. Som vågorna efter en sten kastad i vatten dundrade gravitationsvågorna från sammanslagningen genom rymden. Det tog tid för dem att komma fram till oss. Trots ljushastigheten, den högsta möjliga, dröjde det över en miljard år tills vågorna anlände hit. Fast då hördes de bara som en knappt igenkännbar viskning. Den 14 september 2015 avslöjade en lätt darrning i ljusmönstret i de amerikanska tvillinganläggningarna Ligo dramatiken som ägt rum för så länge sedan, 1,3 miljarder ljusår bort från jorden.
Ligo är inget vanligt teleskop som tar emot ljus och annan elektromagnetisk strålning från rymden, det är ett instrument för att avlyssna rymden. Ingen hade tidigare hört gravitationsvågor.
I flera årtionden har fysikerna satt upp fällor för att fånga gravitationsvågor. De sprids med ljusets hastighet, dessa vågor som fyller vår rumtid såsom Albert Einstein beskrev dem för hundra år sedan. Då förklarade han att rum och tid är föränderliga, och att den kombinerade rumtiden vibrerar i gravitationsvågor som skapas när en massa accelererar. Som när en isdansös gör en piruett, en stjärna exploderar i en avlägsen galax eller ett par svarta hål roterar kring varandra. Vågorna kan också komma som ett eko av big bang, universums födelse för nästan 14 miljarder år sedan.
Länge var det oklart om det alls skulle vara möjligt att avlyssna universums hemligheter. Albert Einstein själv var övertygad om att gravitationsvågorna från ekvationerna i hans allmänna relativitetsteori aldrig någonsin skulle kunna mätas. Han såg dem bara som en matematisk illusion. Än mer skeptisk var hans samtida kollega, Arthur Eddington, som påpekade att gravitationsvågorna verkade ”röra sig med tankens hastighet”.
Verkliga blev vågorna först under 1950-talet när nya beräkningar visade att de faktiskt kan bära med sig energi, alltså information. I princip ska de då kunna mätas. Men för att göra det osynliga synligt, krävs mätbara gravitationsvågor, som bara de våldsammaste kosmiska processerna kan åstadkomma. För även om hela universum vibrerar av gravitationsvågor, så inträffar de mest extrema händelserna sällan i vår galax. Det gäller att spana längre bort, men då blir rymdvävens krusningar oerhört små när de väl anländer till jorden.
Gravitationsvågorna bevarar det förflutna
Nu hade det hänt och dessutom inte bara en gång, utan till och med två gånger under denna omvälvande höst 2015. Och så två gånger till drygt ett år senare, i januari och i augusti 2017 skälvde rymden när två svarta hål slogs samman. De tre första gångerna fångades vågorna av två Ligo-anläggningar samtidigt, den fjärde gången anslöt även Ligos europeiska samarbetspartner Virgo till upptäckten. Att alla gjorde samma observationer bekräftar bara en upptäckt som nästan är för bra för att vara sann.
De två svarta hålen hade alltsedan de skapades ett par miljarder år efter big bang, rört sig i cirklar runt varandra. För varje varv sände de gravitationsvågor som i en spiralrörelse fortplantade sig allt längre ut i rymden. Vågorna som for ut i rymden knuffade samtidigt de svarta hålen allt närmare varandra, och ju tätare banan är, desto fortare virvlar de och desto mer energi sänds ut i en allt snabbare dans som pågått i uppåt tio miljarder år. Framåt slutet rör de svarta hålens horisontlinjer vid varandra, hålen svingar sig med halva ljusets hastighet in mot sitt ödesdigra slut. Blixtsnabbt, på ett par hundradelar av en sekund, slukar de varandra, alla ojämnheter slätas ut och ett regelrätt roterande svart hål blir kvar. Det går nu inte att se ett enda spår av dess dramatiska förflutna.
Minnet är dock inte helt förlorat – historien finns kvar inpräntad i rymdens väv. Gravitationsvågorna, som rytmiskt trycker ihop och sträcker ut rumtiden, skiftar ton allteftersom deras budskap förändras. Kunde vi lyssnat på dem alla, och inte bara på den starkaste signalen, så skulle vi höra en hel rymdsymfoni. Gravitationsvågorna tar sig fram till oss som ljudvågor från en orkester, en starkare ton här, lite tystare där, allt efter det kosmiska partituret. Efter årmiljarderna, när den svarta hålduon ökar farten mot den sista kaotiska sammandrabbningen, går orkesterstycket mot ett crescendo. Så bleknar musiken bort, mot en tystnad som inget avslöjar.
Nu kunde bara det sista ropet höras genom rymden. Varför lät det så svagt? Det är för att deras källa ligger så väldigt långt bort, och gravitationsvågorna, likt ljuset, försvagas med avståndet. I närheten av de svarta hålen är vågornas styrka ungefär 1, vilket innebär att ett objekt trycks ihop och sträcks ut lika mycket som det är stort. För en människa skulle det vara förödande, hon skulle omväxlande pressas ihop och tänjas ut till döds, ifall nu inte de svarta hålen åstadkommit förödelsen själva.
När gravitationsvågorna anländer till oss har deras styrka krympt betydligt – den
utsträckning av rumtiden som LIGO skulle fånga var tusentals gånger mindre än en atomkärna när vågen passerade jorden.
Redan med den allra första upptäckten slog Ligo-forskarna flera rekord. Förutom att de hade fått fatt på de första gravitationsvågorna någonsin, så var hela förloppet ett första bevis på att det finns medelstora svarta hål med 30–60 solmassor. Så slog det svarta hålparet också rekord som den energirikaste källa någonsin fångad på jorden. Och den allmänna relativitetsteorins förutsägelser har än en gång bekräftats genom en helt ny testmetod.
Att höra svarta hål sjunga
Drömmen har funnits i femtio år och vägen till framgång har varit lång, krokig och plågsam, det vittnar Kip Thorne om. Han är professor vid Caltech i Pasadena i Kalifornien och expert på gravitation. Han var också student hos John Wheeler i Princeton, de svarta hålens gudfader. Att fånga gravitationsvågor blev ett av Kip Thornes stora livsprojekt.
Den första detektorn för att fånga gravitationsvågor påminde om en stämgaffel känslig för vågor med en viss frekvens. Men med vilken frekvens som de svarta hålen skulle sjunga sin dödssång, det fick Joseph Weber bara gissa sig till. Han byggde den allra första detektorn vid University of Maryland i Washington. På den tiden var det knappast någon som ens trodde på att svarta hål fanns. Så när Weber på 1970-talet påstod sig höra svanesången blev det en sensation. Flera forskare försökte med egna detektorer följa hans spår, men ingen kunde upprepa Webers resultat. Oavsett hans försäkringar betraktades de som falskt alarm. Ett personligt nederlag som Weber aldrig lyckades resa sig ifrån.
Trots dåligt rykte och en utbredd misstro mot vågorna och svarta hål, blev Kip Thorne, som i dag är en legendarisk jägare av gravitationsvågor, tidigt övertygad om att ”gravitationsvågorna kunde bringa en revolution för våra kunskaper om universum”.
Det började fridfullt, minns Kip Thorne, i början av 1980-talet med små forskargrupper på olika håll i världen där alla kunde arbeta och experimentera fritt, ”precis som alla kreativa forskare älskar och trivs med” och där ”ensamvargar som jag är som lyckligast”. Bland de andra fanns en av Kip Thornes närmaste vänner, Vladimir Braginskij i Moskva. I Cambridge utanför Boston utvecklade Rainer Weiss egna detektorer, medan Ronald Drever gjorde sina i Glasgow.
De flesta övergav stämgffel-designen till förmån för ett annat instrument, en interferometer. Det var Braginskijs äldre kolleger i Sovjetunionen som redan 1962 beskrev principerna för en interferometer som kunde fånga gravitationsvågor.
Den består av två armar som formar ett L. I hörnet och i ändarna på L-et hänger fritt svävande speglar. En förbipasserande gravitationsvåg påverkar interferometerns armar olika – när den ena armen trycks ihop sträcks den andra ut. Armarna förlängs och förkortas om varandra, allteftersom gravitationsvågens toppar och dalar passerar. Med en laserstråle som studsar mellan speglarna mäts förändringen i armlängderna som en förändrad frekvens i laserljuset.
Idén var ganska enkel, men fallgroparna var så många att det tog trettio år att nå framgång. Laserljusets våglängd och intensitet måste vara så stabila som möjligt, strålen ska studsa fram och tillbaka mellan speglarna och träffa dem exakt. De upphängda speglarna får helst inte skaka, inte ens när löven faller från trädet intill, ett barn springer förbi eller när en lastbil passerar på vägen flera kilometer bort. Samtidigt ska speglarnas upphängning vara nog känslig för gravitationsvågens mikroskopiska skälvning. Atomernas termiska rörelser på spegelytorna måste man kompensera för, liksom för kvanteffekterna i lasern.
För att mäta mikroskopiska förändringar som är tusenfalt mindre än en atomradie krävs storskaliga instrument. Det tog åratal att få detta känsligaste av instrument att bli okänsligt för allt som inte var gravitationsvågor.
Att kunna skilja ut ljud från gravitationsvågor ur allt brus kräver också avancerad teori, och där var Kip Thorne experten. Men för att bygga sinnrika instrument fordrades hantverk och ingenjörskonst av allra högsta klass.
Kip Thorne bjöd över Ronald Drever från Skottland till Kalifornien. Tillsammans med Rainer Weiss från MIT utanför Boston bildade de en trojka som ledde utvecklingen. Skulle de lyckas hägrade Nobelpriset. Det är den största synden inom fältet, enligt Rainer Weiss, lockelsen får till och med de närmaste vänner att bli osams. Konkurrensen var stenhård, och Kip Thorne beklagade sig senare över att han mest fått agera äktenskapsmedlare.
Ligo – en gigantisk interferometer
Friheten från pionjäråren var nu borta. Forskningsfinansiärerna krävde nära samarbete också med andra grupper. Trojkan blev tvingad att ändra stil, anpassa sig till en strikt organisation med en chef, som skulle leda arbetet som en coach för ett fotbollslag eller en dirigent för en orkester. Det räckte inte längre att bedriva projektet i en liten skala. När Barry Barrish 1994 trädde in som ledare för Ligo omvandlade han forskargruppen på cirka 40 personer till ett storskaligt internationellt samarbete med drygt tusen medverkande. Bara genom ett brett samarbete, big science, kunde drömmen om det omöjliga förverkligas. Det blev en omvälvande process, som lämnade dem mörbultade, ärrade och splittrade, minns Kip Thorne. En av nyckelpersonerna, Ronald Drever, tvingades att stiga åt sidan. Han förblev bitter livet ut.
Planen var att bygga två interferometrar med fyra kilometer långa armar vardera. Ligo hamnade i stepplandskapet i USA:s nordvästra hörn, utanför Hanford, med en tvillinganläggning i Livingston i Louisianas träsk i söder. Det blev det dyraste offentligt finansierade projektet någonsin i den amerikanska vetenskapens historia.
Richard Isaacson från amerikanska vetenskapsrådet, National Science Foundation, minns i en tidningsintervju: ”Det skulle aldrig ha byggts. Det var några galningar som sprang runt utan att någonsin finna någon signal, samtidigt som de talade om att driva vakuumteknik och laserteknik och materialteknik och seismisk isolering och återkopplingssystem långt bortom det bästa som fanns och dessutom använda material som inte hade uppfunnits än.”
Dessa för projektet omistliga tre galningar fick jobba hårt i ytterligare trettio år. I september 2015 skulle Ligo sätta igång igen, efter en flera år lång uppgradering. Nu var det nog sista chansen. Upprustad med tiofalt starkare lasrar, 40 kilo tunga speglar, mycket avancerad brusdämpning och ett av världens största vakuumsystem i sina långa armar snappade den upp en vågsignal redan några dagar innan experimentet officiellt skulle sättas igång. Först passerade vågen Livingstonanläggningen för att sju millisekunder senare med ljusets hastighet dyka upp i Hanford tre tusen kilometer bort.
Meddelandet från det digitaliserade systemet skickades ut sent på natten den 14 september 2015. I USA sov alla, men i Hannover i Tyskland var klockan 11:51 och Marco Drago, en ung fysiker vid Max Planck Institute for Gravitational Physics, gjorde sig redo för lunch. De kurvor han fick syn på såg exakt ut som de han så många gånger övat att känna igen. Var han verkligen den förste i hela världen som bevittnade gravitationsvågorna? Eller var det ett falskt alarm, bara ett blindtest, som gjordes då och då och som bara några få kände till?
Vågformen var exakt som den förutsagda. Allt stämde perfekt. Pionjärerna, nu i 80-årsåldern, och deras Ligo-kollegor fick äntligen höra sina drömmars melodi som ett glissando eller som ett kort fågelkvitter med ett abrupt slut. Ändå var det nästan för bra för att vara sant, och det fick dröja ända till den 11 februari året därpå innan de fick avslöja nyheten ens för sina närmaste.
Den välbevarade hemligheten kallad GW 150914 motsvarade alla förväntningar. Ur signalen kunde forskarna räkna ut att de svarta hålen var 29 och 36 gånger tyngre än solen, och ändå inte större än cirka 200 kilometer i diameter. Så smälte de samman till ett svart hål på cirka 62 solmassor, vilket innebär att under ett par tiondelar av en sekund hann de stråla ut energi i form av gravitationsvågor motsvarande 3 solmassor. Det gör GW 150914 till det kraftigast strålande objektet i hela universum under detta korta ögonblick. Signalen pekar också ut det område på södra himlavalvet där den våldsamma händelsen inträffade 1,3 miljarder ljusår bort. Kollisionen hände alltså för 1,3 miljarder år sedan, vid tiden då liv på jorden höll på att ta steget från encelliga till flercelliga organismer.
Kip Thorne, Rainer Weiss och Ronald Drever har hedrats med flera av världens finaste forskarpriser. I mars 2017 gick Ron Drever bort; han hann inte få uppleva det finaste av dem alla – Nobelpriset.
Ingen av deras framgångar skulle ha varit möjlig utan de teoretiska genombrott som Albert Einstein gjorde i början av 1900-talet. Hans allmänna relativitetsteori har varit häpnadsväckande framgångsrik och gått igenom alla tester hittills.
Ett första indirekt bevis på att gravitationsvågor faktiskt existerar i rymden, kom redan under 1970-talet då den amerikanska astronomen Joseph Taylor tillsammans med sin dåvarande student Russell Hulse med ett stort radioteleskop följde ett par neutronstjärnor, en dubbelpulsar. Pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor som sänder ut två strålknippen åt motsatta håll och därför kan synas som en blinkande himlakropp, om jorden ligger i någon av strålriktningarna. Nu kunde astronomerna visa att neutronstjärnorna roterade allt snabbare och närmare varandra. Det skulle bero på att de förlorade energi genom att sända i väg gravitationsvågor. För upptäckten av dubbelpulsaren och bekräftelsen av gravitationsstrålningen fick Joseph Taylor och Russell Hulse Nobelpriset i fysik år 1993.
Men direkt har gravitationsvågorna alltså bara helt nyligen fångats för första gången. Det blev en sensation – gravitationsvågor är ett helt nytt sätt att lyssna av kosmos. Hittills har partiklar och alla sorters elektromagnetisk strålning farit genom rymden fram till våra teleskop. Gravitationsvågorna lämnar däremot direkta vittnesmål om störningar i själva rymdväven. Det är något helt annorlunda. En rikedom av upptäckter väntar dem som lyckas fånga vågorna och tolka deras budskap.
Nyttan med gravitationsvågorna
Mer konkret, vad ska man ha vågorna till? Nils Andersson, professor vid University of Southampton, Storbritannien, ser tre olika sätt att utnyttja gravitationsvågorna för att besvara några frågor som han och hans kolleger brottas med i dag.
En fråga är om gravitationens budbärare, gravitonen, har någon massa. Ingen har någonsin sett en graviton, men enligt teorin borde dess vilomassa vara noll, och då ska den färdas genom rymden med ljusets hastighet. Om den däremot har massa så blir gravitationsvågorna långsammare än vanliga elektromagnetiska vågor, som gammastrålning eller synligt ljus, som ju färdas med ljushastigheten. Detta skulle gå att testa genom att mäta när gravitationsvågor anländer till oss jämfört med ljussignaler från samma källa, till exempel kolliderande stjärnor eller ett stjärnutbrott. Den eventuella tidsskillnaden kan sätta gränser på gravitonmassan, som i sin tur sätter gränser för teorierna om kvantgravitation. Att jämföra signaler från samma källa kan även användas som ett alternativt sätt att mäta avstånd i rymden, och få fram mer exakta mått.
En annan fråga som gravitationsvågor kanske kan besvara är vad okänd materia består av, till exempel vad det är för materia som kolliderar i neutronstjärnor. Neutronstjärnorna är extremt tunga och kompakta, en sockerbit av materia från en neutronstjärna skulle väga 100 miljoner ton. Fast vad stjärnorna egentligen består av vet man inte. Detta skulle kunna gå att få veta ifall materien lämnar sina fingeravtryck i gravitationsvågorna.
Och så de svarta hålen, en ständig källa till fysikens gåtfullhet. En sak som astronomerna gärna vill veta är om de svarta hålen som de ser, verkligen är sådana som de tror att de ser, alltså såsom de beskrivs av den allmänna relativitetsteorin. Fast vad skulle de annars vara? ”Det har vi ingen aning om. Det är en bra fråga”, säger Nils Andersson.
Mellan Einstein och Hawking
Svarta hål är rymdvävens mest dramatiska störning. Problemet är att när gravitationen beskrivs som rumtidens krökning, så blir krökningen innerst inne i det ultratunga svarta hålet alldeles för stor – den är oändlig. Den oändliga krökningen bildar en singularitet, något som varken naturen eller matematiken riktigt rår på, eftersom det inte går att räkna med oändligheter. Så om en singularitet dyker upp vet kosmologerna att deras teorier bryter samman; då fattas något grundläggande.
Mycket riktigt så vet ingen vad som händer när gravitationen blir extremt stark, som i närheten av och inuti ett svart hål. Det krävs en helt ny teori. Som jag redan nämnt måste den teorin förena fysikens två stöttepelare – relativitetsteori och kvantmekanik.
Gravitationsvågor kommer så småningom att ge ledtrådar till en sådan teori, det är Marek Abramowicz, professor emeritus i teoretisk fysik vid Chalmers tekniska högskola, helt övertygad om. Många forskare håller också med honom om att kvantgravitationen kommer att förändra ertalet av dagens modeller för svarta hål. Däremot hittar nog Marek Abramowicz inte så många anhängare av hans kritik av Hawkingstrålningen, som han tvivlar på kommer att överleva länge till.
Hawkingstrålningen från svarta hål hör till de mest kända kvanteffekterna av stark gravitation, och de flesta tror att den är verklig, även om ingen ännu har lyckats observera den. När det gäller väldigt små svarta hål kan Hawkingstrålningen få hålen att helt dunsta bort och försvinna. Det leder till den mycket omtalade informationsparadoxen. Om ett svart hål dunstar bort, så försvinner också all information som det innehåller – och detta är något som kvantfysiken förbjuder.
Många förslag för att upplösa paradoxen har diskuterats. De allra flesta går ut på att det är relativitetsteorin som måste ändras för att kunna skapa en gemensam kvantteori för gravitation. Att kunna testa kvantgravitation, så att den blir mer som en vanlig teori och inte bara är spekulativa idéer och modeller, kan vara det mest spännande resultatet av att det numera går att mäta gravitationsvågor.