Tyngdebølger skal vise os universets mørke barndom

Nye gigantiske detektorer skal måle tyngdebølger, som er rullet gennem rummet i milliarder af år. De ældste er fra tiden, før de første stjerner blev tændt, og derfor vil de bringe os ny viden om universets allermørkeste hemmeligheder.

Nye gigantiske detektorer skal måle tyngdebølger, som er rullet gennem rummet i milliarder af år. De ældste er fra tiden, før de første stjerner blev tændt, og derfor vil de bringe os ny viden om universets allermørkeste hemmeligheder.

Claus Lunau

Da Galileo Galilei den 7. januar 1610 rettede sit nye teleskop mod Jupiter, så han som den første tre af gasgigantens største måner, og hans opfindelse revolutionerede astronomien. Men den gamle mesters kikkert var det rene legetøj sammenlignet med nutidens avancerede teleskoper, som har kortlagt hele det synlige univers og fulgt galaksernes udvikling tilbage til dannelsen af de første stjerner.

Nu står astronomerne igen ved tærsklen til en ny epoke, hvor vi takket være banebrydende teknologi for første gang kan få indsigt i universets mørke side, som intet almindeligt teleskop kan se.

Budbringeren er såkaldte tyngdebølger, som får selve rummet til at svinge, når store, kompakte masser som sorte huller og neutronstjerner accelereres voldsomt op eller brager sammen.

I 2015 lykkedes det for første gang at opfange tyngdebølger ved hjælp af to detektorer i USA. Bølgerne stammede fra to sorte huller, som smeltede sammen i en nær galakse.

Nye detektorer skal kaste lys over universets mørke stof og mørke energi.

Opdagelsen var en sensation og en triumf for de to detektorer, men allerede om et par årtier vil de virke lige så forældede og primitive, som Galileis simple teleskop gør i dag. Astrofysikerne har nye og langt følsommere detektorer på vej, som vil afsløre tyngdebølger fra begivenheder, som ligger meget længere væk i tid og rum.

De nye detektorer vil dermed fortælle os om universets mørke barndom, hvor ingen stjerner endnu var tændt. Og de vil gøre os klogere på to helt centrale fænomener, som styrer universets udvikling. Det ene fænomen er det ukendte mørke stof, som vi ikke kan se, men som med sin tyngdekraft holder sammen på alt det almindelige stof i galakserne. Det andet er den mystiske mørke energi, som får universet til at udvide sig med accelererende hastighed.

Sorte huller forvrænger Jorden

Tyngdebølger fra sorte huller, som smeltede sammen i det tidlige univers, vil hjælpe forskerne til at forstå begge fænomener.

Sorte huller

Når to sorte huller kredser tæt om hinanden og til sidst smelter sammen, udsender de tyngdebølger, som ruller gennem rummet og forvrænger det.

© Mark Garlick/Getty Images

Når tyngdebølger fra et sammenstød mellem to sorte huller ruller gennem Jorden, får de planeten til rytmisk at udvide sig og trække sig sammen. Effekten er ganske lille, så detektorerne skal kunne måle forskellen med en nøjagtighed på en hundredetusindedel af en nanometer.

Nutidens detektorer – som også kaldes interferometre – er formet som et L og har tre eller fire kilometer lange arme, som forskerne sender laserpulser igennem. For enden af begge arme er der ophængt et spejl, som reflekterer pulserne tilbage til detektorens centrum, hvor strålerne mødes igen og påvirker hinanden.

Normalt opstår der negativ interferens, hvor lysbølgerne udslukker hinanden, men når en tyngdebølge ruller gennem anlægget, ændres armenes længde en smule, så spejlene flyttes. Det forskyder laserpulserne i forhold til hinanden og skaber positiv interferens, hvor de forstærker hinanden og danner et mønster, som detektoren registrerer.

Tyngdebølgedetektorer – såkaldte interferometre – har to lange arme. I armene løber laserpulser frem til spejle for enderne, som sender dem tilbage. Når de mødes igen, afslører deres mønster, om en tyngdebølge har været forbi.

Tyngdeboelger
© Nicolle R. Fuller/SPL

1. En laserstråle splittes i to

En laserstråle (rød) splittes af en linse i to separate stråler, som sendes i hver sin retning til spejlene for enderne af de tre-fire kilometer lange arme. Når de vender tilbage, ledes de via linsen hen mod lysdetektoren.

Tyngdeboelger
© Nicolle R. Fuller/SPL

2. Laserstrålerne slukker hinanden

I interferometrets udgangsposition er det indstillet, så lysbølgerne i de to laserstråler er i modsat fase. Resultatet er, at der opstår såkaldt negativ interferens, hvor de to laserstråler ophæver hinanden.

Tyngdeboelger
© Nicolle R. Fuller/SPL & Getty Images

3. En tyngdebølge kommer rullende

Når en tyngdebølge ruller ind gennem detektoren, forlænges den ene arm en smule, mens den anden forkortes lidt. Derfor bliver deres lysbølger forskudt i forhold til hinanden, når de vender tilbage.

Tyngdeboelger
© Nicolle R. Fuller/SPL & Getty Images

4. Detektoren fanger bølgen

Hvis tyngdebølgen er stærk nok, forskydes laserstrålerne så meget, at deres lysbølger kommer i fase. Resultatet er såkaldt positiv interferens, hvor de forstærker hinanden, så tyngdebølgen afsløres.

De to amerikanske detektorer – kaldet LIGO – som opfangede de første tyngdebølger i 2015, er placeret tre tusind kilometer fra hinanden, hvilket sikrer mod falske signaler fra lokale jordiske rystelser.

I juni 2017 blev den europæiske Virgo-detektor sat i drift i Italien, og i 2020 kom den japanske detektor KAGRA med på holdet, så forskerne nu har i alt fire detektorer til rådighed spredt ud over verdenskortet.

Detektorerne arbejder sammen

Når tyngdebølger sætter hele kloden i svingninger, registreres signalet simultant i alle detektorerne. Det gør det muligt at afgøre, hvilken retning bølgerne kommer fra, og dermed hvor på himlen astronomerne skal søge efter kilden til dem.

Tyngdeboelger

Den japanske detektor KAGRA er den seneste, forskerne har taget i brug – og den første, som er bygget under jorden.

© KAGRA Observatory

I de første seks år af tyngdebølgernes æra har forskerne fanget 50 sammenstød mellem sorte huller og to sammenstød mellem neutronstjerner. Detektorerne er netop blevet opgraderet, og når observationerne begynder igen i begyndelsen af 2022, regner fysikerne med at opdage tyngdebølger fra et nyt brag en gang om ugen.

Men det vil stadig være tyngdebølger fra et begrænset område af universet. Hvis vi skal fange bølger fra fjernere områder – og dermed tidligere tider – skal der nye detektorer til.

Jo længere væk i tid og rum en kollision mellem to sorte huller har fundet sted, desto svagere er de tyngdebølger, som sætter kloden i svingninger.

Den næste generation af detektorer skal derfor være ti gange følsommere end nutidens, som kan fange tyngdebølger fra de seneste otte-ni milliarder år. Med de nye detektorer vil forskerne kunne registrere tyngdebølger fra brag, som fandt sted fire milliarder år tidligere, dvs. kort efter big bang for 13,8 milliarder år siden.

Både i USA og Europa satser astrofysikerne på at have nye detektorer klar midt i 2030’erne. I USA er planen at tidoble følsomheden med detektoren Cosmic Explorer. Det skal ske ved at give den 40 kilometer lange arme – simpelthen fordi der gælder den enkle sammenhæng, at jo længere armene er, desto svagere tyngdebølger kan detektoren opfange.

Opgaven bliver en ingeniørmæssig udfordring, fordi armene skal være snorlige. Men Jordens overflade krummer, så hvis krydset i L’et bygges i jordhøjde, skal armenes ender hvile på 30 meter høje søjler. Forskerne håber derfor på at finde en skålformet dal, som reducerer behovet for høje søjler over kilometerlange strækninger.

Europas detektor bliver trekantet

Mens Cosmic Explorer endnu kun er på tegnebrættet, er Europa længere fremme med designet af Einstein Telescope, som teknologisk set bliver langt mere nyskabende. Detektoren vil ikke få form som et L, men derimod som en ligesidet trekant, hvor hver side er ti kilometer lang.

Einstein Telescope vil hvert år opdage en million sammenstød mellem sorte huller.

Fra hvert hjørne af trekanten kan der skydes laserpulser ud i to retninger, og derfor vil detektoren ikke kun indeholde ét, men tre interferometre – eller faktisk fem, for forskerne regner med at tilføje endnu to, som bruger laserpulser med andre bølgelængder.

Hele herligheden skal bygges 200-300 meter under jorden, hvor forstyrrelser fra jordrystelser er hundrede gange svagere end på overfladen. Samtidig skal spejlene holdes nedkølet ved blot 10-20 grader over det absolutte nulpunkt for at minimere de vibrationer, små temperaturskift ellers kan fremkalde.

Den ultimative støjdæmpning gør Einstein Telescope følsommere end Cosmic Explorer, selvom armene er kortere. Fysikerne regner med, at den europæiske detektor årligt vil opdage op til en million sammenstød mellem sorte huller, som er sket gennem næsten hele universets levetid.

Tyngdeboelger

Einstein Telescope vil komme til at ligge 200-300 meter under jorden – enten på den italienske ø Sardinien eller tæt ved byen Vaals i Holland.

© NIKHEF

Europas nye detektor tager førertrøjen

Den europæiske detektor Einstein Telescope bliver ikke den største. Til gengæld rummer den tre nyskabelser, som gør den mere præcis, følsommere og mere fleksibel end de andre.

Tyngdeboelger
© Shutterstock/BiM

1. Trekanten viser bølgernes udspring

Einstein Telescope danner en trekant, og fra hvert hjørne skydes der laserstråler ud i to retninger. Når alle tre detektorer fanger signaler fra den samme tyngdebølge, kan forskerne regne ud, hvor den kommer fra.

Spejl
© NIKHEF

2. Ultrakolde spejle øger følsomheden

Spejlene, som er placeret i alle tre hjørner af trekanten, skal nedkøles til nær det absolutte nulpunkt. Det gør dem mindre følsomme for temperaturpåvirkninger udefra. Dermed bliver Einstein Telescope det følsomste.

Tyngdeboelger
© NIKHEF

3. Ekstra detektorer giver bredere udsyn

Ud over de tre detektorer, som måler tyngdebølger fra sammenstød mellem almindelige sorte huller, bliver der plads til endnu to (blå), som kan fange længere tyngdebølger fra kollisioner, der skete kort efter big bang.

To lokationer konkurrerer om at huse vidunderet. Den ene er Vaals-egnen mellem Maastricht i Holland og Liège i Belgien, mens den anden er Sardinien. Stedet vælges i 2024, og boringen af tunnellerne sættes i gang i 2026. Om alt går vel, kan forskerne begynde deres observationer i 2035.

På jagt efter de første sorte huller

Einstein Telescope vil kunne se ind i universets mørke barndom under 100 millioner år efter skabelsen, hvor de første stjerner endnu ikke lyste på himlen.

Hvis sorte huller allerede på det tidspunkt kolliderede med hinanden, vil det bevise, at enorme mængder sorte huller blev dannet lige efter big bang, som nye teorier forudsiger. I givet fald vil de oprindelige sorte huller rumme løsningen på to af kosmologiens største gåder.

Den første gåde er den overraskende tidlige dannelse af gigantiske supertunge sorte huller i hjertet af de første store galakser. Astronomerne har for nylig opdaget gasser omkring et sort hul med en masse, som svarer til 800 millioner gange Solens.

Det sorte hul ligger så langt væk, at strålingen fra gasserne har været over 13 milliarder år om at nå frem til os. Det betyder, at det sorte hul må være opstået blot 690 millioner år efter big bang, og det har sendt den klassiske model for oprindelsen af de supertunge sorte huller til tælling.

Teorien går ud på, at de førstefødte kæmpestjerner eksploderede som supernovaer, da universet var 250-350 millioner år gammelt. Eksplosionerne efterlod sorte huller med op til 100 solmasser, som senere kolliderede, smeltede sammen, åd gas og voksede sig store. Problemet er bare, at denne type vækst er alt for langsom til at forklare det tidlige supertunge hul.

Situationen er anderledes, hvis universet helt fra begyndelsen rummede sorte huller med masser fra under én solmasse og op til 10.000 solmasser. Så vil de oprindelige sorte huller have haft tid nok til at vokse til de supertunge monstre, astronomerne i dag kan se i hjertet af de første galakser. Men det kræver altså, at de oprindelige sorte huller opstod, før de første stjerner blev født.

Universet

Supertunge sorte huller i meget fjerne galakser driller astronomerne. Hullerne er tilsyneladende alt for store i forhold til deres alder.

© Shutterstock

Den nye teori om de oprindelige sorte huller åbner også mulighed for, at nogle af dem stadig eksisterer frit i rummet og udgør det ukendte mørke stof i galakserne, som forskerne har forsøgt at identificere gennem årtier.

Sammenlagt har universets mørke stof en masse, der er fire-fem gange større end massen af alle stjerner, planeter, gasser og støv – dvs. alt det synlige stof i universet. Vi kan ikke se det mørke stof direkte, for det udsender ingen stråling, men vi kan se, at det påvirker det synlige stof med sin tyngdekraft.

Uden en god portion mørkt stof i galakserne ville de simpelthen ikke kunne hænge sammen. Rotationen i galakserne ville hurtigt slynge de yderste stjerner ud i rummet i alle retninger.

VIDEO: Oplev Einstein Telescope indefra

En forklaring på, hvad det mørke stof består af, vil derfor samtidig fortælle os, hvordan der overhovedet kan eksistere galakser i universet. Hvis det mørke stof er små og mellemstore sorte huller, som fra begyndelsen har fungeret som samlende sædekorn for galakserne, vil Einstein Telescope kunne opdage dem ved at opfange tyngdebølger fra tidlige sammenstød mellem dem.

Detektor bliver større end Jorden

Selv Einstein Telescope vil dog have sin begrænsning. Når det gælder observationer af kollisioner mellem supertunge sorte huller med flere millioner eller milliarder solmasser, må det give fortabt. Det samme må alle andre jordbaserede detektorer.

Årsagen er, at tyngdebølgerne fra de allerstørste brag i universet har bølgelængder, som er længere end Jordens diameter, og derfor må vi ud i rummet for at opfange dem. Netop det er målet med ESA’s bud på fremtidens tyngdebølgedetektor med navnet Laser Interferometer Space Antenna – forkortet LISA.

Detektoren skal bestå af tre satellitter, som sender laserpulser til hinanden. Ligesom i Einstein Telescope skal de danne en ligesidet trekant, men med sider, som er hele fem millioner kilometer lange. LISA skal efter planen opsendes i 2034 og give forskerne mulighed for at se tilbage til den tid, hvor de første supertunge huller blev dannet, og følge deres sammenstød frem til nu.

Tyngdeboelger

Fremtidens detektorer vil fange ældre tyngdebølger end nutidens. Einstein Telescope rækker længst tilbage i tiden og vil måle bølger, som opstod mindre end 0,1 mia. år efter big bang.

© NAOJ & Shutterstock

Observationerne vil vise, hvordan supertunge huller under galaksesammenstød først omkredser hinanden og til sidst brager sammen. Dermed vil astronomerne bl.a. blive klogere på, hvordan sammenstød mellem sværvægterne påvirker fordelingen af stjerner i galakserne og fører til ny stjernedannelse.

Med Einstein Telescope og LISA kan forskerne få dyb indsigt i galaksernes dannelse og udvikling, men ikke nok med det: Detektorerne vil også løfte sløret for kosmologiens allerstørste mysterium – den mørke energi.

Bølger viser universets vokseværk

Selv hvis vi får styr på, hvad det mørke stof består af, er der stadig over to tredjedele af universets indhold, vi ikke kan gøre rede for. Tilsammen udgør det mørke og det almindelige stof kun 32 procent. De resterende 68 procent er den mørke energi, som er ansvarlig for, at universet udvider sig.

Den mørke energi har gennem hele universets historie været i brydekamp med tyngdekraften, som forsøger at trække universets klynger af galakser mod hinanden. For fem-seks milliarder år siden fik den mørke energi overtaget, speedede universets udvidelse op og sendte galaksehobene på vild flugt væk fra hinanden.

Tyngdeboelger diagram

Kun fem procent af universets indhold er synligt for os. Resten er mørkt stof (27 procent) og mørk energi (68 procent).

© BiM

Hvad den mørke energi består af, og hvorfor effekten af den har taget til over tid, ved kosmologerne stadig ikke. En forudsætning for at finde ud af det er nøjagtige målinger af hastigheden af rummets udvidelse gennem hele universets historie, og også her vil de nye tyngdebølgedetektorer levere varen.

Tyngdebølger ruller gennem rummet med præcis lysets hastighed, og deres styrke falder proportionelt med afstanden. De to egenskaber gør dem til en målestok, som forskerne kan bruge, når de skal finde afstanden til bølgernes udspring.

Og har de først lokaliseret den galakse, tyngdebølgerne kommer fra, er det en smal sag at måle på lyset fra galaksen og se, hvor meget lysbølgerne er blevet forlænget på vejen til os på grund af universets udvidelse. Tilsammen vil tallene vise, hvor meget universet har udvidet sig, siden de to sorte huller, som skabte tyngdebølgerne, bragede sammen.

Tusinder eller måske millioner af den slags målinger vil fortælle den detaljerede historie om universets vokseværk siden tidernes morgen – og det vil åbne nye muligheder for at opklare, hvad den mørke energi er, og hvordan den virker.

Hvis det lykkes, vil de nye tyngdebølgedetektorer skabe et gennembrud i astronomien og kosmologien, som tåler sammenligning med den revolution, Galileo Galilei satte gang i, da han for over 400 år siden for første gang satte sin kikkert for øjet.