Den första direkta upptäckten av gravitationsvågor förväntas tillkännages den 11 februari av forskare vid Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Med hjälp av två gigantiska LIGO-detektorer - en i Livingston, Louisiana och den andra i Hanford, Washington - mätte forskare krusningarna i rymden som genereras av kollisionen mellan två svarta hål och verkar äntligen ha hittat vad de letade efter.
Ett sådant uttalande skulle bekräfta gravitationella vågor som förutsågs av Albert Einstein, som han gjorde en del av sin allmänna relativitetsteori för 100 år sedan, men konsekvenserna kommer inte att sluta där. Som en vibration av tyget i rymdtid jämförs gravitationsvågor ofta med ljud, även omvandlas till ljudspår. Gravitationsvågsteleskop skulle göra det möjligt för forskare att "höra" fenomen på samma sätt som lätta teleskoper "ser" dem.
När LIGO kämpade för finansiering från den amerikanska regeringen i början av 1990-talet var astronomer dess främsta utmanare i kongressutfrågningarna.”Man trodde då att LIGO inte hade något att göra med astronomi,” säger Clifford Will, en generell relativitetsteoretiker vid University of Florida i Gainesville och en av de tidiga förespråkarna för LIGO. Men mycket har förändrats sedan dess.
Välkommen till området för gravitationsvågastronomi. Låt oss gå igenom de frågor och fenomen som hon kunde avslöja.
Finns svarta hål verkligen?
Signalen som förväntas från LIGO-tillkännagivandet kan ha producerats av två sammanslagna svarta hål. Händelser som dessa är de mest energiska kända; kraften i de gravitationsvågor som släpps ut av dem kan kort förmörka alla stjärnorna i det observerade universum totalt. Sammanfogning av svarta hål är också ganska lätt att tolka från mycket rena gravitationsvågor.
Kampanjvideo:
Signalen som förväntas från LIGO-tillkännagivandet kan ha producerats av två sammanslagna svarta hål. Händelser som dessa är de mest energiska kända; kraften i de gravitationsvågor som släpps ut av dem kan kort förmörka alla stjärnorna i det observerade universum totalt. Sammanfogning av svarta hål är också ganska lätt att tolka från mycket rena gravitationsvågor.
Sammanfogning av svarta hål inträffar när två svarta hål spiral runt varandra och avger energi i form av gravitationsvågor. Dessa vågor har ett karakteristiskt ljud (kvittra) som kan användas för att mäta massan på dessa två objekt. Efter det smälter vanliga svarta hål ihop.
”Föreställ dig två såpbubblor som kommer tillräckligt nära för att bilda en bubbla. Den större bubblan deformeras, säger Tybalt Damour, en gravitationsteoretiker vid Institute for Advanced Scientific Research nära Paris. Det sista svarta hålet kommer att vara perfekt sfäriskt, men måste först avge gravitationsvågor av en förutsägbar typ.
En av de viktigaste vetenskapliga implikationerna av att upptäcka sammanslagningar av svart hål är bekräftelsen av att det finns svarta hål - åtminstone perfekt cirkulära föremål som består av ren, tom, krökt rymdtid, som förutses av allmän relativitet. En annan konsekvens är att sammanslagningen fortskrider som forskarna förutspådde. Astronomer har mycket indirekt bekräftelse av detta fenomen, men hittills har det varit observationer av stjärnor och överhettad gas i omloppet av svarta hål, inte själva svarta hålen.
”Det vetenskapliga samfundet, jag själv ingår, gillar inte svarta hål. Vi tar dem för givet, säger Frans Pretorius, specialist i generell relativitetssimulering vid Princeton University i New Jersey. "Men om du tänker på vilken fantastisk förutsägelse detta är, behöver vi verkligen fantastiskt bevis."
Rör sig gravitationsvågor med ljusets hastighet?
När forskare börjar jämföra LIGO-observationer med andra teleskop, är det första de kontrollerar om signalen anlände samtidigt. Fysiker tror att tyngdekraften överförs av gravitonpartiklar, fotonens gravitationsanalog. Om dessa partiklar, som fotoner, inte har någon massa, kommer gravitationsvågor att röra sig med ljusets hastighet, i överensstämmelse med förutsägelsen av gravitationsvågens hastighet i klassisk relativitet. (Deras hastighet kan påverkas av den snabbare expansionen av universum, men detta borde manifestera sig på avstånd som är betydligt större än de som täcks av LIGO).
Det är dock mycket möjligt att gravitoner har en liten massa, vilket innebär att gravitationsvågorna rör sig med en hastighet som är mindre än ljuset. Så, till exempel, om LIGO och Virgo upptäcker gravitationsvågor och upptäcker att vågorna anlände till jorden senare än associerade med en kosmisk händelse av gammastrålar, kan detta få ödesdigra konsekvenser för grundläggande fysik.
Är rymdtid gjord av kosmiska strängar?
En ännu främmande upptäckt kan inträffa om skurar av gravitationsvågor upptäcks från "kosmiska strängar". Dessa hypotetiska rymd-tids krökningsdefekter, som kanske eller inte är relaterade till strängteorier, bör vara oändligt tunna men sträckas till kosmiska avstånd. Forskare förutspår att kosmiska strängar, om de finns, kan böjas av misstag; om strängen böjs kommer det att orsaka en gravitationsökning som detektorer som LIGO eller Virgo kan mäta.
Kan neutronstjärnor vara taggade?
Neutronstjärnor är resterna av stora stjärnor som kollapsade under sin egen vikt och blev så täta att elektroner och protoner började smälta till neutroner. Forskare har liten förståelse för fysik i neutronhål, men gravitationsvågor kan berätta mycket om dem. Till exempel orsakar den intensiva tyngdkraften på ytan neutronstjärnor nästan perfekt sfäriska. Men vissa forskare har föreslagit att de också kan ha "berg" - några millimeter höga - som gör dessa täta föremål, 10 kilometer i diameter, inte mer, något asymmetriska. Neutronstjärnor snurrar vanligtvis mycket snabbt, så en asymmetrisk massfördelning kommer att skeva i rymdtid och producera en konstant sinusformad gravitationsvågsignal, vilket bromsar stjärnans rotation och avger energi.
Par av neutronstjärnor som kretsar kring varandra ger också en konstant signal. Liksom svarta hål spiralar dessa stjärnor och smälter slutligen till ett distinkt ljud. Men dess specificitet skiljer sig från ljudet i svarta hål.
Varför exploderar stjärnor?
Svarta hål och neutronstjärnor bildas när massiva stjärnor slutar lysa och kollapsar i sig själva. Astrofysiker tror att denna process är kärnan i alla vanliga typer av supernovaexplosioner av typ II. Simuleringar av sådana supernovaer har ännu inte visat varför de antänds, men att lyssna på gravitationsvågskurarna som utsänds av en riktig supernova tros ge ett svar. Beroende på hur burstvågorna ser ut, hur höga de är, hur ofta de förekommer och hur de korrelerar med supernovaer som spåras av elektromagnetiska teleskoper, kan dessa data hjälpa till att utesluta en massa befintliga modeller.
Hur snabbt expanderar universum?
Universans expansion innebär att avlägsna föremål som rör sig bort från vår galax verkar rödare än de faktiskt är, eftersom ljuset de avger sträcker sig när de rör sig. Kosmologer uppskattar hastigheten för universums expansion genom att jämföra galaxernas rödförskjutning till hur långt de är borta från oss. Men detta avstånd beräknas vanligtvis från ljusstyrkan hos super Ina supernovaer, och denna teknik lämnar en hel del osäkerheter.
Om flera gravitationsvågdetektorer runt om i världen upptäcker signaler från sammanslagningen av samma neutronstjärnor, tillsammans kan de helt exakt uppskatta signalens höghet, liksom avståndet till vilket sammanslagningen ägde rum. De kommer också att kunna bedöma riktningen och med den identifiera den galax där händelsen inträffade. Genom att jämföra den röda skiftningen av denna galax med avståndet till de sammanslagna stjärnorna, kan en oberoende hastighet av kosmisk expansion erhållas, möjligen mer exakt än nuvarande metoder tillåter.