Gravitasjonsbølger skal vise oss universets mørke barndom

Oppdagelsen var en sensasjon og en triumf for de to detektorene, men allerede om et par tiår vil de virke like utdaterte og primitive som Galileis enkle teleskop gjør i dag. Astrofysikerne arbeider med nye og mye mer følsomme detektorer som vil avsløre gravitasjonsbølger fra begivenheter som ligger mye lenger unna i tid og rom.

De nye detektorene vil dermed fortelle oss om universets mørke barndom – før det fantes stjerner. Og de vil gi oss kunnskap om to helt sentrale fenomener som styrer universets utvikling. Det ene fenomenet er den ukjente mørke materien, som vi ikke kan se, men som med sin tyngdekraft holder sammen all den vanlige materien i galaksene. Det andre er den mystiske mørke energien som får universet til å utvide seg med stadig høyere hastighet.

Svarte hull endrer form på jorden

Gravitasjonsbølger fra svarte hull som smeltet sammen i det tidlige universet, vil hjelpe forskerne til å forstå de to fenomenene.

Når gravitasjonsbølger fra et sammenstøt mellom to svarte hull ruller gjennom jorden, får de planeten til å utvide seg og trekke seg sammen. Effekten er utrolig liten, så detektorene må kunne måle forskjellen med en nøyaktighet på en hundretusendel av en nanometer.

Dagens detektorer – som også kalles interferometre – er formet som en L og har tre eller fire kilometer lange armer som forskerne sender laserpulser gjennom. I enden av begge armer er det hengt opp et speil som reflekterer lyset tilbake til midten av detektoren, der strålene møtes igjen og påvirker hverandre.

Vanligvis oppstår det negativ interferens, slik at lysbølgene utligner hverandre, men når en gravitasjonsbølge ruller gjennom anlegget, endres lengden på armen litt slik at speilene flyttes. Det forskyver de to laserpulsene i forhold til hverandre og skaper positiv interferens, slik at de forsterker hverandre og danner et mønster som detektoren registrerer.

De to amerikanske detektorene, som kalles Ligo, og som fanget opp de første gravitasjonsbølgene i 2015, er lagt tre tusen kilometer fra hverandre slik at man garderer seg mot falske signaler fra lokale bevegelser i jordskorpen.

I juni 2017 ble den europeiske Virgo-detektoren satt i drift i Italia, og i 2020 kom den japanske detektoren Kagra med på laget, så nå har forskerne fire detektorer til rådighet spredt utover verdenskartet.

Detektorene arbeider sammen

Når gravitasjonsbølger får hele kloden til å vibrere, registreres signalet samtidig i alle detektorene. Det gjør det mulig å avgjøre hvilken retning bølgene kommer fra, og dermed hvor på himmelen astronomene skal lete etter kilden.

På de første seks årene av gravitasjonsbølgenes tidsalder har forskerne fanget femti sammenstøt mellom svarte hull og to sammenstøt mellom nøytronstjerner. Detektorene har nettopp blitt oppgradert, og når observasjonene tas opp igjen i begynnelsen av 2022, regner fysikerne med å oppdage gravitasjonsbølger fra en ny kollisjon en gang i uken.

Men det vil fortsatt være gravitasjonsbølger fra et begrenset område av universet. Hvis vi skal fange bølger fra fjernere områder – og dermed tidligere tider – trengs nye detektorer.

Jo lenger unna i tid og rom en kollisjon mellom to svarte hull har funnet sted, desto svakere er de gravitasjonsbølgene som får kloden til å bevege seg.

Den neste generasjonen detektorer må derfor være ti ganger så følsom som dagens, som kan fange gravitasjonsbølger fra åtte–ni milliarder år. Med de nye detektorene vil forskerne kunne registrere gravitasjonsbølger fra kollisjoner som fant sted fire milliarder år tidligere, altså like etter big bang, for 13,8 milliarder år siden.

Både i USA og Europa satser astrofysikerne på å ha nye detektorer klare midt på 2030-tallet. I USA er planen å tidoble følsomheten med detektoren Cosmic Explorer. Det skal skje ved å gi den førti kilometer lange armer – rett og slett fordi jo lengre armene er, jo svakere gravitasjonsbølger kan detektoren fange opp.

Oppgaven blir en ingeniørmessig utfordring fordi armene må være snorrette. Men jordens overflate er bøyd, så hvis krysset i L-en bygges på bakken, må enden av armene hvile på tretti meter høye søyler. Forskerne håper derfor å finne en skålformet dal som reduserer behovet for høye søyler over kilometerlange strekninger.

Europas detektor blir trekantet

Mens Cosmic Explorer fortsatt bare er på tegnebrettet, har Europa kommet lenger i arbeidet med Einstein Telescope, som teknologisk sett blir mye mer nyskapende. Detektoren vil ikke få form som en L, men derimot som en likesidet trekant der hver side er ti kilometer lang.

Fra hvert hjørne av trekanten kan det skytes laserstråler ut i to retninger, og derfor vil detektoren ikke bare inneholde ett, men tre interferometre – eller faktisk fem, for forskerne regner med å legge til to til, som bruker laserlys med andre bølgelengder.

Hele detektoren skal bygges 200–300 meter under bakken, der forstyrrelser fra jordskjelv er hundre ganger svakere enn på overflaten. Samtidig skal speilene holdes nedkjølt til bare 10–20 grader over det absolutte nullpunktet for å dempe de vibrasjonene små temperaturskift kan føre til.

Den avanserte støydempingen gjør Einstein Telescope mer følsomt enn Cosmic Explorer selv om armene er kortere. Fysikerne regner med at den europeiske detektoren årlig vil oppdage opptil en million sammenstøt mellom svarte hull som har skjedd gjennom nesten hele universets levetid.

To steder konkurrerer om vidunderet. Det ene er Vaals-området mellom Maastricht i Nederland og Liège i Belgia, mens det andre er Sardinia. Plasseringen blir avgjort i 2024, og boringen av tunnelene vil begynne i 2026. Hvis alt går bra, kan forskerne begynne observasjonene i 2035.

På jakt etter de første svarte hullene

Einstein Telescope vil kunne se inn i universets mørke barndom, bare hundre millioner år etter big bang, før de første stjernene begynte å lyse.

Hvis svarte hull allerede på det tidspunktet kolliderte med hverandre, vil det bevise at enorme mengder svarte hull ble dannet like etter big bang, slik nye teorier forutsier. I så fall vil de opprinnelige svarte hullene inneholde løsningen på to av kosmologiens største gåter.

Den første gåten er at supertunge svarte hull, som senere ble til hjertene av de første store galaksene, ble dannet veldig tidlig. Astronomene har nylig oppdaget gasser rundt et svart hull som er 800 millioner ganger så tung som solen.

Det svarte hullet ligger så langt unna at strålingen fra gassene har brukt over 13 milliarder år på å komme fram til oss. Det betyr at det svarte hullet må ha oppstått bare 690 millioner år etter big bang, og det har sendt den klassiske modellen for opprinnelsen av de supertunge svarte hullene ned for telling.

Teorien går ut på at de førstefødte kjempestjernene eksploderte som supernovaer da universet var 250–350 millioner år gammelt. Eksplosjonene etterlot seg svarte hull med opptil 100 solmasser som senere kolliderte, smeltet sammen, spiste gass og vokste seg store. Problemet er bare at denne typen vekst er altfor langsom til å forklare det tidlige supertunge hullet.

Situasjonen er en annen hvis universet helt fra begynnelsen inneholdt svarte hull med masser fra under en solmasse og opp til 10 000 solmasser. Da vil de opprinnelige svarte hullene ha hatt tid til å vokse til de supertunge monstrene astronomene i dag kan se i hjertet av de første galaksene. Men det krever altså at de opprinnelige svarte hullene oppsto før de første stjernene ble født.

Den nye teorien om de opprinnelige svarte hullene åpner også muligheter for at noen av dem fortsatt eksisterer fritt i verdensrommet og utgjør den ukjente mørke materien i galaksene som forskerne har forsøkt å identifisere gjennom tiår.

Til sammen har universets mørke materie en masse som er fire–fem ganger massen til alle stjerner og planeter, all gass og alt støv – altså all den synlige materien i universet. Vi kan ikke se den mørke materien direkte, for den ikke sender ut stråling, men vi kan se at den påvirker den synlige materien med tyngdekraft.

Uten en god del mørk materie i galaksene ville de rett og slett ikke klart å henge sammen. Rotasjonen i galaksene ville raskt slynge de ytterste stjernene ut i alle retninger.

VIDEO: Opplev Einstein Telescope innenfra

Et svar på hva den mørke materien består av, vil derfor fortelle oss hvordan det i det hele tatt kan eksistere galakser i universet. Hvis den mørke materien består av små og mellomstore svarte hull som helt fra begynnelsen har fungert som samlende såkorn for galaksene, vil Einstein Telescope kunne oppdage dem ved å fange opp gravitasjonsbølger fra tidlige sammenstøt.

Detektor blir større enn jorden

Selv Einstein Telescope vil imidlertid ha sine begrensninger. Når det gjelder observasjoner av kollisjoner mellom supertunge svarte hull med flere millioner eller milliarder solmasser, må det gi tapt. Det samme må alle andre jordbaserte detektorer.

Årsaken er at gravitasjonsbølgene fra de aller største kollisjonene i universet er lenger enn jordens diameter, og derfor må vi ut i verdensrommet for å fange dem opp. Nettopp det er målet med ESAs visjon for framtidens tyngdebølgedetektor, som bærer navnet Laser Interferometer Space Antenna – eller Lisa.

Detektoren skal bestå av tre satellitter som sender laserstråler til hverandre. Akkurat som i Einstein Telescope skal de danne en likesidet trekant, men med sider som er hele fem millioner kilometer lange. Lisa skal etter planen sendes opp i 2034 og gi forskerne mulighet til å se tilbake til den tiden da de første supertunge hullene ble dannet, og følge sammenstøtene fram til nå.

Observasjonene vil vise hvordan supertunge hull under galaksesammenstøt først går i bane rundt hverandre og til slutt braker sammen. Dermed vil astronomene blant annet lære mer om hvordan sammenstøt mellom tungvekterne påvirker fordelingen av stjerner i galaksene og fører til at det dannes nye stjerner.

Med Einstein Telescope og Lisa kan forskerne få dyp innsikt i galaksenes opphav og utvikling, men ikke nok med det: Detektorene kan kanskje løse kosmologiens aller største mysterium – den mørke energien.

Bølger viser universets ville vekst

Selv om vi klarer å finne ut hva den mørke materien består av, er det fortsatt over to tredjedeler av universets innhold vi ikke kan gjøre rede for. Til sammen utgjør den mørke og den vanlige materien bare 32 prosent. De resterende 68 prosentene er den mørke energien som er ansvarlig for at universet utvider seg.

Den mørke energien har gjennom hele universets historie vært i brytekamp med tyngdekraften, som forsøker å trekke universets klynger av galakser mot hverandre. For fem–seks milliarder år siden fikk den mørke energien overtaket, satte fart på universets utvidelse og sendte galaksehopene på flukt vekk fra hverandre.

Hva den mørke energien består av, og hvorfor effekten har økt over tid, vet ikke kosmologene. En forutsetning for å finne ut av det er nøyaktige målinger av hvor fort rommet har utvidet seg gjennom hele universets historie, og også her vil de nye gravitasjonsbølgedetektorene levere varene.

Gravitasjonsbølger ruller gjennom rommet med lysets hastighet, helt nøyaktig, og styrken faller proporsjonalt med avstanden. De to egenskapene gjør dem til en målestokk som forskerne kan bruke når de skal finne avstanden til det punktet der bølgene startet.

Og har de først lokalisert den galaksen gravitasjonsbølgene kom fra, er det en smal sak å måle lyset fra galaksen og se hvor mye lysbølgene har blitt forlenget på veien til oss på grunn av universets utvidelse. Til sammen vil tallene vise hvor mye universet har utvidet seg siden de to svarte hullene som skapte gravitasjonsbølgene, barket sammen.

Tusenvis eller kanskje millioner av slike målinger vil fortelle den detaljerte historien om universets vekst siden tidenes morgen – og det vil åpne nye muligheter for å oppklare hva den mørke energien er, og hvordan den virker.

Hvis det lykkes, vil de nye gravitasjonsbølgedetektorene skape et gjennombrudd i astronomien og kosmologien som tåler sammenligning med den revolusjonen Galileo Galilei startet da han for over fire hundre år siden for første gang rettet kikkerten sin mot stjernene.