Som en del av sin generelle relativitetsteori spådde Einstein at masse skulle avgi gravitasjonsbølger. Den skal være i stand til å oppdage de kraftigste tyngdekraftsbølgene når de passerer gjennom jorden. Og et rombasert observatorium som er planlagt lansert i 2015 kalt LISA, bør være sterkere fremdeles.
Forskere er i nærheten av å faktisk se gravitasjonsbølger. Bildekreditt: NASA
Tyngdekraften er en kjent kraft. Det er grunnen til høydeskrekk. Den holder månen til Jorden, Jorden til solen. Det holder at øl flyter ut av glassene våre.
Men hvordan? Sender Jorden hemmelige meldinger til månen?
Vel, ja - slags.
Eanna Flanagan, førsteamanuensis i fysikk og astronomi i Cornell, har viet livet til å forstå alvoret siden han var student ved University College Dublin i hjemlandet Irland. Nå, nesten to tiår etter at han forlot Irland for å studere for doktorgrad under den berømte relativisten Kip Thorne ved California Institute of Technology, fokuserer hans arbeid på å forutsi størrelsen og formen på gravitasjonsbølger - et unnvikende fenomen som var forutsett av Einsteins 1916 Theory of General Relativity men som aldri har blitt direkte oppdaget.
I 1974 målte Princeton University-astronomene Russell Hulse og Joseph H. Taylor jr. Indirekte gravitasjonsbølgenes innflytelse på nøytronstjerner som co-kretser, en oppdagelse som ga dem Nobelprisen i fysikk 1993. Takket være det nylige arbeidet med Flanagan og hans kolleger, er forskere nå på grensen til å se de første tyngdekraftsbølgene direkte.
Lyd kan ikke eksistere i et vakuum. Det krever et medium, for eksempel luft eller vann, for å levere budskapet gjennom. Tilsvarende kan ikke tyngdekraften eksistere i intet. Også den trenger et medium for å kunne levere budskapet sitt. Einstein teoretiserte at det mediet er rom og tid, eller "romtidstoffet."
Endringer i trykk - en dunk på en tromme, en vibrerende stemmesnor - produserer lydbølger, krusninger i luften. I følge Einsteins teori produserer endringer i masse - kollisjonen av to stjerner, støv som lander på en bokhylle, tyngdekraftsbølger, krusninger i romtiden.
Fordi de fleste hverdagsobjekter har masse, bør tyngdekraftsbølger være rundt oss. Så hvorfor kan vi ikke finne noen?
"De sterkeste gravitasjonsbølgene vil forårsake målbare forstyrrelser på jorden 1000 ganger mindre enn en atomkjerne," forklarte Flanagan. "Å oppdage dem er en enorm teknisk utfordring."
Responsen på den utfordringen er LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, et kolossalt eksperiment som involverer et samarbeid fra mer enn 300 forskere.
LIGO består av to installasjoner med nesten 2 000 mil fra hverandre - en i Hanford, Wash., Og en i Livingston, La. Hvert anlegg er formet som en gigantisk "L", med to 2,5 mil lange armer laget av 4 fot i diameter vakuumrør innkapslet i betong. Ulastabile laserstråler krysser rørene og spretter mellom speil i enden av hver arm. Forskere forventer at en passerende tyngdekraftbølge vil strekke den ene armen og klemme den andre, noe som får de to laserne til å reise litt forskjellige avstander.
Forskjellen kan deretter måles ved å "forstyrre" laserne der armene krysser hverandre. Det kan sammenlignes med to biler som kjører vinkelrett mot et veiskille. Hvis de reiser samme hastighet og distanse, vil de alltid krasje. Men hvis avstandene er forskjellige, kan de savne. Flanagan og kollegene håper på en glipp.
Videre nøyaktig hvor mye laserne treffer eller savner vil gi informasjon om karakteristikkene og opprinnelsen til gravitasjonsbølgen. Flanagans rolle er å forutsi disse egenskapene, slik at kollegene ved LIGO vet hva de skal se etter.
På grunn av teknologiske grenser er LIGO bare i stand til å avkjenne gravitasjonsbølger av bestemte frekvenser fra kraftige kilder, inkludert supernovaeksplosjoner i Melkeveien og raskt spinne eller co-bane nøytronstjerner i enten Melkeveien eller fjerne galakser.
For å utvide potensielle kilder planlegger NASA og European Space Agency allerede LIGOs etterfølger, LISA, Laserinterferometer Space Antenna. LISA er i konsept som LIGO, bortsett fra at laserne vil sprette mellom tre satellitter med 3 millioner miles fra hverandre etterfølgende Jorden i bane rundt solen. Som et resultat vil LISA være i stand til å oppdage bølger ved lavere frekvenser enn LIGO, for eksempel de som er produsert ved kollisjonen av en nøytronstjerne med et svart hull eller kollisjonen av to sorte hull. LISA skal etter planen lanseres i 2015.
Flanagan og samarbeidspartnere ved Massachusetts Institute of Technology dechiffrerte nylig gravitasjonsbølgesignaturen som blir resultatet når et supermassivt svart hull svelger en solstor nøytronstjerne. Det er en signatur som vil være viktig for LISA å gjenkjenne.
“Når LISA flyr, skulle vi se hundrevis av disse tingene,” bemerket Flanagan. ”Vi vil kunne måle hvordan rom og tid blir forvridd, og hvordan plass antas å bli vridd rundt av et svart hull. Vi ser elektromagnetisk stråling, og vi tror det sannsynligvis er et svart hull - men det er omtrent så langt vi har kommet. Det vil være veldig spennende å endelig se at relativitet faktisk fungerer. ”
Men han advarte, “Det kan ikke virke. Astronomer observerer at utvidelsen av universet akselererer. En forklaring er at generell relativitet må endres: Einstein hadde stort sett rett, men i noen regimer kunne ting fungere annerledes. ”
Thomas Oberst er vitenskapsforfatter praktikant ved Cornell News Service.
Originalkilde: Cornell University
