– Hvis vi ser at lyset og gravitasjonsbølgen har ulik hastighet, da er Einsteins gravitasjonsteori feil, sier professor David Mota ved Institutt for teoretisk astrofysikk.
Det var i september 2015 at forskere ved LIGO-observatoriet i USA for aller første gang kunne registrere en gravitasjonsbølge idet den passerte jorden. Bølgen stammet fra to sorte hull som hadde kollidert langt ute i verdensrommet for 1,4 milliarder år siden.
Nå er alt klart for byggingen av et nytt observatorium. LISA (Laser Interferometer Space Antenna) skal fange opp gravitasjonsbølgene ute i verdensrommet mens det går i bane rundt solen, 50 millioner kilometer fra jordens overflate.
LISA
LISA står for Laser Interferometer Space Antenna.
LISA vil bestå av tre like romfartøyer som er plassert i hjørnene av en likesidet trekant med en innbyrdes avstand på 2,5 millioner kilometer, seks ganger større enn avstanden jorda-månen.
LISA vil bli det første rombaserte observatoriet laget for å studere gravitasjonsbølger. På denne måten skal LISA kunne kaste nytt lys over hele universets historie. De viktigste kosmiske kildene til gravitasjonsbølger inkluderer sammensmeltingen av sorte hull, kollisjonen av nøytronstjerner, supernovaeksplosjonen av massive stjerner og universets dannelse gjennom Big Bang. Alle disse hendelsene genererer enorme mengder energi i form av gravitasjonsbølger.
Hvert romfartøy vil bruke svært stabile laserstråler til å måle den relative avstanden til testmassene de frakter. Når en gravitasjonsbølge passerer, vil den forårsake en tidsvarierende tøyning eller strekking av romtiden. LISAs tre romfartøyer vil også svinge sammen og fra hverandre med små mengder mens de går i bane rundt sola.
LISA vil kunne måle gravitasjonsbølger i millihertz-området. Dette er et område som ikke kan observeres fra bakkenivå, men hvor det antas at mange astrofysiske objekter sender ut stråling.
– LISA vil kunne teste Einsteins generelle relativitetsteori under nye og ekstreme forhold, sier Mota.
Med universet som laboratorium
Gravitasjonsbølger er bølger i verdensrommet, forårsaket av store, tunge ting som sorte hull og nøytronstjerner som kolliderer. Mota forklarer det slik:
– Ifølge Einstein har ikke verdensrommet en fast form. Tenk deg et rom med et gulv på fem meter. Man vil tro at gulvet alltid vil være fem meter, både i dag og i morgen. Einstein sier at det ikke er slik. Du kan komme inn i rommet en dag og oppdage at det er 5,1 meter. Sånn er det med verdensrommet. Avstanden i rommet strekker seg og krymper, på grunn av gravitasjonsbølger, sier Mota.
Mota trekker sammenligningen videre til et svømmebasseng. Kast en ball ut i bassenget, og det blir bølger på overflaten. Vannet strekker seg ut over kanten på bassenget. Overflaten blir lengre.
– Vi lager slike bølger rundt oss, vi også, når vi beveger oss. Men de er så små at de er umulige å fange opp med måleinstrumenter. Skal vi få til det, må vi bruke store massive objekter slik de vi finner ute i universet. Som sorte hull, eller nøytronstjerner. De lager kjempestore energibølger, som det er mulig for oss å måle.
Endelig har noen slått på lyden
Det er altså selve det store, tomme rommet som endrer seg. Astrofysikerne kaller det romtid, hvor vi ikke bare har de tre dimensjonene lengde, bredde og høyde, men også tid. De fire dimensjonene danner en geometri, et forhold seg imellom, som påvirkes av ting som befinner seg i rommet og av hastigheten de beveger seg med.
Det er denne geometrien forskerne nå kan studere ved hjelp av gravitasjonsbølgene. Mota sammenligner det med å få en ekstra sans. Som å ha sett på en film uten lyd. Når noen slår på lyden, får man plutselig en helt annen opplevelse av filmen.
– Det er det samme med universet. Nå kan vi høre supernovaer eksplodere og sorte hull som kollapser, sier Mota.
For å måle et slikt forbigående «strekk» i romtiden som gravitasjonsbølge forårsaker, bruker man lys. Man sender lyset mot et speil og måler lyset når det kommer tilbake igjen. Rettere sagt: Man deler en lysstråle i to og sender dem ut i to retninger, og måler om de kommer samtidig tilbake igjen. Gjør de det er avstanden den samme. Kommer de ikke samtidig tilbake, har avstanden mellom lyskilden og speilene endret seg.
En bitteliten vibrasjon
På observatoriene her nede på jorda, LIGO i USA og VIRGO i Italia, sendes lyset gjennom rør. Disse er noen få kilometer lange. LISA, som vil bestå av tre laserantenner plassert i triangelform ute i verdensrommet, vil sende lyset 2,5 millioner kilometer for å fange opp de ørsmå endringene gravitasjonsbølgene forårsaker.
– Gravitasjonsbølgen består egentlig av en serie av bølger, som dannes kontinuerlig når to sorte hull spinner rundt hverandre og til slutt smelter sammen. Når disse bølgene beveger seg forbi LISAs lasere vil de føre til en oscillering: Avstanden mellom dem vil øke og minke. Det hele tar bare noen sekunder, sier Mota.
Men det er ikke nok å på denne måten «høre» gravitasjonsbølgen idet den passerer. Man må også vite hvor den kommer fra. For å kunne peile inn hvor bølgen kommer fra, er antennene plassert i triangelform.
Med tre satellitter kan man triangulere. Da vet man ikke bare avstanden fra kilden. Man kan også lokalisere den. I tillegg trenger vi et teleskop rettet mot den samme kilden, for å se eksplosjon av lys som sendes ut.
– Teleskopet ser lyset og måler hvor langt det har reist. LISA ser mot det samme punket og «ser» hvor langt gravitasjonsbølgen har reist, og om det har samme hastighet som lyset. Har bølgen og lyset ulik hastighet, eller er gravitasjonsbølgenes form ikke som forventet, er Einsteins gravitasjonsteori feil. Det vil få store konsekvenser for det vi vet om verdensrommet, sier Mota.
Da snakker vi om en revolusjon innen vitenskapen. Det vil bli ekstremt viktig for vår forståelse av universet.
David Mota
Skal teste alternative teorier
At Einstein kan ha tatt feil, er ikke noe nytt innen romforskning. Det er blant annet velkjent at relativitetsteorien ikke lar seg kombinere med kvantefysiske lover. Men kanskje enda viktigere er problemet med det forskerne kaller mørk materie og mørk energi. Hvorfor utvider universet seg fortere og fortere?
Ifølge Einstein skal alle objekter i verdensrommet ha en tiltrekkende kraft. Det betyr at all bevegelse etter hvert skal bremse opp. Så vil universet kollapse igjen. Men det er ikke det som skjer. Det er noe ukjent der ute, som får universet til å fortsette å utvide seg, raskere og raskere.
Det ukjente har fått navnet mørk energi.
– Vi vet ganske enkelt ikke hva det er for noe, sier Mota.
Forskere har derfor i mange år jobbet med alternative gravitasjonsteorier, som skal kunne forklare fenomener som mørk energi. Dette er blant tingene LISA skal bidra til å finne ut. Men først må forskerne vite hvilke data de kan forvente, alt ettersom hvilken gravitasjonsmodell de benytter seg av. Vil gravitasjonsbølgene oppføre seg ifølge Einsteins relativitetsteori, eller vil de føye seg etter andre lover?
Ulike geometrier gir ulike bølger
Det er her Mota og hans kollegaer ved Universitetet i Oslo kommer inn i bildet. Ved hjelp av numeriske simuleringer skal de forutsi formen på gravitasjonsbølgene, avhengig av hvilken modell for tyngdekraft og mørk energi man vil teste ut.
– Dette er noe vi må bygge opp og lære underveis. Vi vil simulere utviklingen av sorte hull og nøytronstjerner som kolliderer, innenfor de ulike teoriene. Ifølge Einstein vil sorte hull ha en bestemt romgeometri rundt seg. For andre teorier vil denne geometrien være annerledes. Da vil gravitasjonsbølgen også være annerledes.
Skulle det vise seg at gravitasjonsbølgen ikke går med lysets hastighet, vil også vår oppfatning av universets alder måtte vurderes på nytt. Samt en hel del andre ting, som hvordan stjerner og galakser blir til. All denne kunnskapen skal forskerne altså hente ut fra en bitte liten forstyrrelse i avstanden mellom tre romskip 2,5 millioner kilometer fra hverandre.
– Vi snakker om en endring så liten som 1/10 000-del av bredden til et proton. Det er utrolig hvordan man klarer å måle disse små forskjellene, sier Mota.
Les også: Tommel opp for jakten på gravitasjonsbølger i verdensrommet
