Som en del af hans generelle relativitetsteori forudsagde Einstein, at masse skulle udsende tyngdekraftsbølger. Det skal være i stand til at registrere de mest kraftfulde tyngdekraftsbølger, når de passerer gennem Jorden. Og et rumbaseret observatorium, der er planlagt til lancering i 2015 kaldet LISA, bør stadig være stærkere.
Forskere er tæt på faktisk at se tyngdekraftsbølger. Billedkredit: NASA
Tyngdekraft er en velkendt kraft. Det er grunden til frygt for højder. Det holder månen til Jorden, Jorden til solen. Det forhindrer øl i at flyde ud af vores briller.
Men hvordan? Sender Jorden hemmelige beskeder til månen?
Nå, ja - slags.
Eanna Flanagan, Cornell lektor i fysik og astronomi, har viet sit liv til at forstå tyngdekraften, siden han var studerende ved University College Dublin i sit hjemland Irland. Nu, næsten to årtier efter at have forladt Irland for at studere til sin doktorgrad under den berømte relativist Kip Thorne ved California Institute of Technology, fokuserer hans arbejde på at forudsige størrelsen og formen på gravitationsbølger - et undvigende fænomen, der blev forudsagt af Einsteins 1916 Theory of General Relativity men som aldrig er blevet direkte fundet.
I 1974 målte Princeton University-astronomer Russell Hulse og Joseph H. Taylor Jr indirekte indflydelsen af tyngdekraftsbølger på co-kredsende neutronstjerner, en opdagelse, der gav dem 1993 Nobelprisen i fysik. Takket være Flanagan og hans kollegers nylige arbejde er videnskabsmænd nu på randen af at se de første tyngdekraftsbølger direkte.
Lyd kan ikke eksistere i et vakuum. Det kræver et medium, f.eks. Luft eller vand, til at levere budskabet igennem. Tilsvarende kan tyngdekraften ikke eksistere i intetheden. Det har også brug for et medium, hvorigennem det kan levere sit budskab. Einstein teoretiserede, at dette medium er rum og tid, eller "rumtidsstof."
Ændringer i tryk - en stamp på en tromme, et vibrerende stemmebånd - producerer lydbølger, krusninger i luften. Ifølge Einsteins teori producerer ændringer i masse - sammenstød mellem to stjerner, støv, der lander på en boghylde, tyngdekraftsbølger, krusninger i rumtiden.
Fordi de fleste hverdagsobjekter har masse, bør tyngdekraftsbølger være rundt omkring os. Så hvorfor kan vi ikke finde nogen?
"De stærkeste tyngdekraftsbølger vil forårsage målelige forstyrrelser på Jorden, der er 1000 gange mindre end en atomkerne," forklarede Flanagan. ”At opdage dem er en enorm teknisk udfordring.”
Svaret på denne udfordring er LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, et kolossalt eksperiment, der involverer et samarbejde med mere end 300 forskere.
LIGO består af to installationer med næsten 2.000 miles fra hinanden - en i Hanford, Wash., Og en i Livingston, La. Hver facilitet er formet som en kæmpe "L" med to 2,5-mil lange arme lavet af 4 fod i diameter vakuumrør indkapslet i beton. Ultrastabile laserstråler krydser rørene og hopper mellem spejle i slutningen af hver arm. Forskere forventer, at en passerende tyngdekraftbølge vil strække den ene arm og klemme den anden, hvilket får de to lasere til at rejse lidt forskellige afstande.
Forskellen kan derefter måles ved at "forstyrre" laserne, hvor armene krydser hinanden. Det kan sammenlignes med to biler, der kører vinkelret på en vejkryds. Hvis de kører med samme hastighed og afstand, vil de altid gå ned. Men hvis afstandene er forskellige, kan de muligvis gå glip af. Flanagan og hans kolleger håber på en miss.
Derudover præcist, hvor meget laserne rammer eller savner, vil give information om egenskaberne og oprindelsen af tyngdekraften. Flanagans rolle er at forudsige disse egenskaber, så hans kolleger i LIGO ved, hvad de skal kigge efter.
På grund af teknologiske grænser er LIGO kun i stand til at registrere gravitationsbølger af bestemte frekvenser fra kraftige kilder, herunder supernovaeksplosioner i Mælkevejen og hurtigt spinde eller co-bane neutronstjerner i enten Mælkevejen eller fjerne galakser.
For at udvide potentielle kilder planlægger NASA og Det Europæiske Rumagentur allerede LIGOs efterfølger, LISA, laserinterferometer-rumantennen. LISA ligner konceptet LIGO, med undtagelse af at laserne spretter mellem tre satellitter med 3 millioner miles fra hinanden, der følger Jorden i kredsløb omkring solen. Som et resultat vil LISA være i stand til at detektere bølger ved lavere frekvenser end LIGO, såsom dem, der produceres ved kollisionen af en neutronstjerne med et sort hul eller kollisionen af to sorte huller. LISA er planlagt til lancering i 2015.
Flanagan og samarbejdspartnere ved Massachusetts Institute of Technology dechiffrer for nylig gravitationsbølgesignaturen, der resulterer, når et supermassivt sort hul sluger en solstørret neutronstjerne. Det er en signatur, der vil være vigtig for LISA at genkende.
”Når LISA flyver, skulle vi se hundreder af disse ting,” bemærkede Flanagan. ”Vi vil være i stand til at måle, hvordan rum og tid forvrides, og hvordan plads formodes at blive snoet rundt af et sort hul. Vi ser elektromagnetisk stråling, og vi tror, det er sandsynligvis et sort hul - men det er omtrent så vidt vi har nået. Det vil være meget spændende at se endelig, at relativitet faktisk fungerer. ”
Men han advarede: ”Det fungerer muligvis ikke. Astronomer observerer, at universets udvidelse accelererer. En forklaring er, at den generelle relativitet skal ændres: Einstein havde for det meste ret, men i nogle regimer kunne tingene fungere anderledes. ”
Thomas Oberst er videnskabsskribent praktikant ved Cornell News Service.
Original kilde: Cornell University
