Hvað eru þyngdarbylgjur og hvað er svona merkilegt við þær?
Sævar Helgi Bragason
17. feb. 2017
Fréttir
Þyngdarbylgjur eru gárur í tímarúminu sem verða til dæmis til við samruna svarthola og/eða nifteindastjarna.
Hinn 14. September 2015, klukkan 11:50 á evrópskum tíma, gekk Jörðin í gegnum agnarsmáa tognun og samþjöppun sem varði í aðeins nokkrar millisekúndur. Fyrir ævaforna Jörðina er þetta nánast daglegt brauð og getur vart talist sérstak þegar enn ein þyngdarbylgjan þeysist framhjá án þess að nokkur verður hennar var. En í þetta skipti vorum við tilbúin. Með hjálp nákvæmustu tækja sem smíðuð hafa verið, námu tveir þyngdarbylgjunemar í Bandaríkjunum merkið svo úr varð nýr samskiptamáti mannsins við alheiminn.
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) rannsóknarhópurinn varð fyrstur til að mæla þyngdarbylgjur og þar með staðfesta þar með 100 ára gamla spá Alberts Einstein um tilvist þeirra.
Með uppgötvuninni er nýtt svið í vísindum orðið til og nýr gluggi að opnast út í alheiminn. Til þessa höfum við lært allt sem við vitum um alheiminn út frá því ljósi sem við sjáum með sjónaukum (að frátöldum geimgeisla- og fiseindamælum). Nú getum við hlustað á alheiminn líka.
Hvað eru þyngdarbylgjur?
Samkvæmt almennu afstæðiskenningunni eru tími og rúm (geimurinn) einn og sami hluturinn sem við köllum tímarúm (e. spacetime).
Hægt er að ímynda sér tímarúmið sem strekt en sveigjanlegt lak. Massamikil fyrirbæri eins og plánetur, stjörnur og svarthol sveigja tímarúmið og geta gárað það eins og steinn sem varpað er ofan í vatn.
 |
| „Tímarúmið segir efni hvernig það á að hreyfast, efnið segir tímarúminu hvernig það á að sveigja“ er haft eftir eðlisfræðingnum John Archibald Wheeler um almennu afstæðiskenninguna. Mynd: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab |
Þyngdarkrafturinn, sem heldur reikistjörnunum á braut um sólina og fær epli til að falla til Jarðar, er ekkert annað en birtingarmynd þessarar sveigju.
Þyngdarbylgjur geta myndast þegar eitthvað hristir upp í tímarúminu eins og gárur á vatni. Þyngdarkrafturinn er hins vegar mjög veikur samanborið við hina frumkraftana: rafkraftinn og veika- og sterka kjarnakraftinn.
Þess vegna þarf eitthvað massamikið, til að mynda tvö svarthol á miklum hraða (t.d. á þéttri braut umhverfis hvort annað), til að mynda mælanlegar þyngdarbylgjur.
Því massameiri sem fyrirbærið er, því kröftugri verða gárurnar. Allt sem verður í vegi þyngdarbylgna liðast því sundur og saman eins og þegar við kreistum stressbolta — en áhrifin eru agnarsmá.
 |
| Þyngdarbylgjur liðast um fjórvítt tímarúmið eins og gárur á vatni. Þegar hnöttur eins og Jörðin verður í vegi þeirra aflagast hún sundur og saman — örlítið. |
Hvernig fundust þyngdarbylgjurnar?
Til að mæla bylgjurnar voru smíðaðar tvær risavaxnar tilraunastöðvar, LIGO, á sínum hvorum enda Bandaríkjanna. Í LIGO er leysigeisla skipt í tvennt og er hvorum helmingi skotið gegnum 4 km lofttæmd göng sem liggja hornrétt hvor á annað eins og bókstafurinn L.
 |
| LIGO þyngarbylgjumælirinn í Washingtonríki í Bandaríkjunum. Mynd: LIGO |
Í enda ganganna eru speglar sem endurkasta leysigeislanum tilbaka þar sem báðar ljósbylgjurnar mætast og víxverka við sig sjálfar. Þessi víxlhrif ljósbylgjunnar gefa nákvæma mælingu á vegalengd ganganna eða fjarlægðina milli speglanna.
Göng þyngdarbylgjumælanna (4 km og 2 km í LIGO) þurfa að vera sem lengst til að magna upp áhrifin sem verða þegar þyngdarbylgja fer í gegn. Því lengri sem göngin eru, þeim mun nákvæmari er mælingin.
Þegar þyngdarbylgja berst í gegnum Jörðina styttist og lengist vegalengdin milli speglanna um sem nemur einum tíuþúsundasta af þvermáli vetniskjarna.
Þessi nákvæmni samsvarar því að mæla fjarlægðina á milli Jarðar og nálægstu stjörnunnar (Alpha Centauri) með nákvæmni upp á breidd mannshárs.
Báðar LIGO stöðvarnar mældu þessar fjarlægðarbreytingar með 7 millísekúndna millibili, sem er merki um þyngdarbylgjuna.
Hvaðan komu þyngdarbylgjurnar?
Þyngdarbylgjumerkið var einkennandi fyrir svartholatvístirni, þ.e. tvö hringsólandi svarthol: Annað 36 sinnum massameira en sólin en hitt 29 sinnum massameira en sólin.
Við samrunann varð til svarthol sem er 62 sinnum massameira en sólin. En hvers vegna var lokamassinn 62 sinnum meiri en massi sólar? 36 + 29 = 65, hvert fóru heilir þrír sólmassar?
Svarið felst í hinni frægu jöfnu Einsteins, E = mc2.
Á innan við sekúndu breyttist massi á við þrjár sólir í hreina orku í formi þyngdarbylgna sem bárust út í geiminn.
Aflið sem sem fylgdi árekstrinum saman var margfalt meiri en samanlagt afl allra stjarna í alheiminum. Heildarorkan sem losnaði á sekúndubroti var 8000 sinnum meiri en sólin okkar hefur framleitt á allri sinni 5 milljarða ára ævi til þessa.
En er hægt að sjá úr hvaða vetrarbraut merkið barst? Hver voru heimkynni svartholanna?
LIGO er í samstarfi við fjölda sjónauka bæði í geimnum og á jörðu niðri sem ætlað er að skoða hvort samrunanum fylgdi einhvers konar blossi eða glæður.
Ritrýnda greinin um þessar athuganir er enn ekki komin út, en leiða má líkur að því að engin ummerki hafi fundist í öðrum sjónaukum, fyrst ekki var tilkynnt sérstaklega um það. Hins vegar má áætla útfrá styrk þyngdarbylgjumerkisins að svortholin voru í 1,3 milljarða ljósára fjarlægð.
Hvað er svona merkilegt við þetta?
Fyrir utan að staðfesta síðasta pússlið í afstæðiskenningu Einsteins, þá hefur uppgötvunin opnað nýtt svið í vísindum — þyngdarbylgjustjarnvísindi.
Þyngdarbylgjur koma meðal annars frá fyrirbærum sem við sjáum ekki beint, eins og svartholum, svo þetta gefur okkur beina leið til að rannsaka þau, nokkuð sem við höfum ekki getað hingað til. Það er eins og okkur hafi vaxið nýtt skilningarvit, líkt og blindur maður fái sjón.
Uppgötvunin er ekki síður merkileg fyrir að staðfesta tilvist svarthola. Þó svo að enginn stjörnufræðingur efist um tilvist þeirra, þá höfum við aldrei séð svo bein og skýr sönnunargögn, eins og þyngdarbylgjrnar sem mældust.
Einnig forvitnilegt að fylgjast með hvort LIGO finni ummerki um annars konar fyrirbæri. Auk svartholasamruna er LIGO einnig næmur fyrir samruna nifteindastjarna eða nifteindastjörnu og svarthols.
Nifteindastjörnur eru gríðarlega þéttir hnettir (einn sykurmoli af nifteindastjörnuefni vegur um 100 milljón tonn) á stærð við höfuðborgarsvæði sem geta snúist hraðar en þvottavél á fullu spani.
 |
| Samruni nifteindastjarna — kjarna sprunginna stjarna — framkallar gammablossa og þyngdarbylgjur. Mynd: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc. |
Grundvallarmunurinn á svartholasamruna og samruna nifteindastjarna er að þær síðarnefndu hafa fast yfirborð. Þá verða ekki aðeins til þyngdarbylgjur við áreksturinn heldur gæti fylgt gammablossi sem við getum numið með hefðbundum háorkusjónaukum.
Gammablossar verða á hverjum degi í alheimnum og ef við getum numið þyngdarbylgjurnar frá þeim samtímis mun það hjálpa stjörnufræðingum að skilja betur þessar sérkennilegu hamfarir.
Eins og er getur LIGO numið þyngdarbylgjur sem berast úr allt að 190 milljón ljósára fjarlægð. Á næstu árum verður LIGO gert enn nákvæmara og mun þá geta mælt þyngdarbylgjur úr 640 milljóna ljósára fjarlægð.
Í fyrra sendi ESA á loft LISA Pathfinder sem á að prófa tæknina sem þarf til að nema þyngdarbylgjur með enn meiri nákvæmni en LIGO. Ef vel tekst til verður annar leiðangur sendur á loft sem samanstendur af þremur gervitunglum með þyngdarbylgjunemum.
Gervitunglin verða tengd saman með leysigeislum og milljónir kílómetra skilja á milli þeirra, svo næmnin verður miklu meiri en í LIGO og mun opna þyngdarbylgjustjarnvísindi upp á gátt.
 |
| Teikning af LISA, fyrirhuguðum leiðangri NASA og ESA til nema þyngdarbylgjur. Mynd: ESA |
Hvað eru þyngdarbylgjur og hvað er svona merkilegt við þær?
Sævar Helgi Bragason 17. feb. 2017 Fréttir
Þyngdarbylgjur eru gárur í tímarúminu sem verða til dæmis til við samruna svarthola og/eða nifteindastjarna.
Hinn 14. September 2015, klukkan 11:50 á evrópskum tíma, gekk Jörðin í gegnum agnarsmáa tognun og samþjöppun sem varði í aðeins nokkrar millisekúndur. Fyrir ævaforna Jörðina er þetta nánast daglegt brauð og getur vart talist sérstak þegar enn ein þyngdarbylgjan þeysist framhjá án þess að nokkur verður hennar var. En í þetta skipti vorum við tilbúin. Með hjálp nákvæmustu tækja sem smíðuð hafa verið, námu tveir þyngdarbylgjunemar í Bandaríkjunum merkið svo úr varð nýr samskiptamáti mannsins við alheiminn.
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) rannsóknarhópurinn varð fyrstur til að mæla þyngdarbylgjur og þar með staðfesta þar með 100 ára gamla spá Alberts Einstein um tilvist þeirra.
Með uppgötvuninni er nýtt svið í vísindum orðið til og nýr gluggi að opnast út í alheiminn. Til þessa höfum við lært allt sem við vitum um alheiminn út frá því ljósi sem við sjáum með sjónaukum (að frátöldum geimgeisla- og fiseindamælum). Nú getum við hlustað á alheiminn líka.
Hvað eru þyngdarbylgjur?
Samkvæmt almennu afstæðiskenningunni eru tími og rúm (geimurinn) einn og sami hluturinn sem við köllum tímarúm (e. spacetime).
Hægt er að ímynda sér tímarúmið sem strekt en sveigjanlegt lak. Massamikil fyrirbæri eins og plánetur, stjörnur og svarthol sveigja tímarúmið og geta gárað það eins og steinn sem varpað er ofan í vatn.
Þyngdarkrafturinn, sem heldur reikistjörnunum á braut um sólina og fær epli til að falla til Jarðar, er ekkert annað en birtingarmynd þessarar sveigju.
Þyngdarbylgjur geta myndast þegar eitthvað hristir upp í tímarúminu eins og gárur á vatni. Þyngdarkrafturinn er hins vegar mjög veikur samanborið við hina frumkraftana: rafkraftinn og veika- og sterka kjarnakraftinn.
Þess vegna þarf eitthvað massamikið, til að mynda tvö svarthol á miklum hraða (t.d. á þéttri braut umhverfis hvort annað), til að mynda mælanlegar þyngdarbylgjur.
Því massameiri sem fyrirbærið er, því kröftugri verða gárurnar. Allt sem verður í vegi þyngdarbylgna liðast því sundur og saman eins og þegar við kreistum stressbolta — en áhrifin eru agnarsmá.
Hvernig fundust þyngdarbylgjurnar?
Til að mæla bylgjurnar voru smíðaðar tvær risavaxnar tilraunastöðvar, LIGO, á sínum hvorum enda Bandaríkjanna. Í LIGO er leysigeisla skipt í tvennt og er hvorum helmingi skotið gegnum 4 km lofttæmd göng sem liggja hornrétt hvor á annað eins og bókstafurinn L.
Í enda ganganna eru speglar sem endurkasta leysigeislanum tilbaka þar sem báðar ljósbylgjurnar mætast og víxverka við sig sjálfar. Þessi víxlhrif ljósbylgjunnar gefa nákvæma mælingu á vegalengd ganganna eða fjarlægðina milli speglanna.
Göng þyngdarbylgjumælanna (4 km og 2 km í LIGO) þurfa að vera sem lengst til að magna upp áhrifin sem verða þegar þyngdarbylgja fer í gegn. Því lengri sem göngin eru, þeim mun nákvæmari er mælingin.
Þegar þyngdarbylgja berst í gegnum Jörðina styttist og lengist vegalengdin milli speglanna um sem nemur einum tíuþúsundasta af þvermáli vetniskjarna.
Þessi nákvæmni samsvarar því að mæla fjarlægðina á milli Jarðar og nálægstu stjörnunnar (Alpha Centauri) með nákvæmni upp á breidd mannshárs.
Báðar LIGO stöðvarnar mældu þessar fjarlægðarbreytingar með 7 millísekúndna millibili, sem er merki um þyngdarbylgjuna.
Hvaðan komu þyngdarbylgjurnar?
Þyngdarbylgjumerkið var einkennandi fyrir svartholatvístirni, þ.e. tvö hringsólandi svarthol: Annað 36 sinnum massameira en sólin en hitt 29 sinnum massameira en sólin.
Við samrunann varð til svarthol sem er 62 sinnum massameira en sólin. En hvers vegna var lokamassinn 62 sinnum meiri en massi sólar? 36 + 29 = 65, hvert fóru heilir þrír sólmassar?
Svarið felst í hinni frægu jöfnu Einsteins, E = mc2.
Á innan við sekúndu breyttist massi á við þrjár sólir í hreina orku í formi þyngdarbylgna sem bárust út í geiminn.
Aflið sem sem fylgdi árekstrinum saman var margfalt meiri en samanlagt afl allra stjarna í alheiminum. Heildarorkan sem losnaði á sekúndubroti var 8000 sinnum meiri en sólin okkar hefur framleitt á allri sinni 5 milljarða ára ævi til þessa.
En er hægt að sjá úr hvaða vetrarbraut merkið barst? Hver voru heimkynni svartholanna?
LIGO er í samstarfi við fjölda sjónauka bæði í geimnum og á jörðu niðri sem ætlað er að skoða hvort samrunanum fylgdi einhvers konar blossi eða glæður.
Ritrýnda greinin um þessar athuganir er enn ekki komin út, en leiða má líkur að því að engin ummerki hafi fundist í öðrum sjónaukum, fyrst ekki var tilkynnt sérstaklega um það. Hins vegar má áætla útfrá styrk þyngdarbylgjumerkisins að svortholin voru í 1,3 milljarða ljósára fjarlægð.
Hvað er svona merkilegt við þetta?
Fyrir utan að staðfesta síðasta pússlið í afstæðiskenningu Einsteins, þá hefur uppgötvunin opnað nýtt svið í vísindum — þyngdarbylgjustjarnvísindi.
Þyngdarbylgjur koma meðal annars frá fyrirbærum sem við sjáum ekki beint, eins og svartholum, svo þetta gefur okkur beina leið til að rannsaka þau, nokkuð sem við höfum ekki getað hingað til. Það er eins og okkur hafi vaxið nýtt skilningarvit, líkt og blindur maður fái sjón.
Uppgötvunin er ekki síður merkileg fyrir að staðfesta tilvist svarthola. Þó svo að enginn stjörnufræðingur efist um tilvist þeirra, þá höfum við aldrei séð svo bein og skýr sönnunargögn, eins og þyngdarbylgjrnar sem mældust.
Einnig forvitnilegt að fylgjast með hvort LIGO finni ummerki um annars konar fyrirbæri. Auk svartholasamruna er LIGO einnig næmur fyrir samruna nifteindastjarna eða nifteindastjörnu og svarthols.
Nifteindastjörnur eru gríðarlega þéttir hnettir (einn sykurmoli af nifteindastjörnuefni vegur um 100 milljón tonn) á stærð við höfuðborgarsvæði sem geta snúist hraðar en þvottavél á fullu spani.
Grundvallarmunurinn á svartholasamruna og samruna nifteindastjarna er að þær síðarnefndu hafa fast yfirborð. Þá verða ekki aðeins til þyngdarbylgjur við áreksturinn heldur gæti fylgt gammablossi sem við getum numið með hefðbundum háorkusjónaukum.
Gammablossar verða á hverjum degi í alheimnum og ef við getum numið þyngdarbylgjurnar frá þeim samtímis mun það hjálpa stjörnufræðingum að skilja betur þessar sérkennilegu hamfarir.
Eins og er getur LIGO numið þyngdarbylgjur sem berast úr allt að 190 milljón ljósára fjarlægð. Á næstu árum verður LIGO gert enn nákvæmara og mun þá geta mælt þyngdarbylgjur úr 640 milljóna ljósára fjarlægð.
Í fyrra sendi ESA á loft LISA Pathfinder sem á að prófa tæknina sem þarf til að nema þyngdarbylgjur með enn meiri nákvæmni en LIGO. Ef vel tekst til verður annar leiðangur sendur á loft sem samanstendur af þremur gervitunglum með þyngdarbylgjunemum.
Gervitunglin verða tengd saman með leysigeislum og milljónir kílómetra skilja á milli þeirra, svo næmnin verður miklu meiri en í LIGO og mun opna þyngdarbylgjustjarnvísindi upp á gátt.