Gravitationsbølger hjælper med at afsløre sorte huller, mørkt stof og teoretiske partikler

Gravitationsbølger – de usynlige krusninger i rummets struktur forudsagt af Albert Einstein – åbner op for en ny æra af astronomi, der tillader videnskabsmænd at se dele af universet, som engang troede var usynlige, såsom sorte huller, mørkt stof og teoretiske subatomære partikler kaldet axioner.

Næsten 100 år efter, at Einstein forudsagde deres eksistens som en del af sin generelle relativitetsteori, gravitationsbølger blev først opdaget i 2015 af forskere, der arbejder på Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory (LIGO), give dem Nobelprisen i fysik.

De svage forstyrrelser, som det gigantiske instrument opfangede, blev skabt af to sorte huller, der bragede ind i hinanden 1,3 milliarder lysår fra Jorden. Da disse to supertunge objekter stødte sammen, de deformerede rum og tid.

"Deformationen forplanter sig som krusninger på en sø, " forklarede professor Paolo Pani, en teoretisk fysiker ved Sapienza Universitet i Rom, Italien. "Det er gravitationsbølger."

Alle objekter med masse vil skabe deres eget lille dyk i rumtidens stof, skaber det, vi kalder tyngdekraften. Men kun katastrofale hændelser, der involverer de tungeste genstande, som sorte huller og neutronstjerner, kan skabe gravitationsbølger store nok til at blive opdaget på Jorden. De stråler ud over universet med lysets hastighed, passerer næsten alt på deres vej.

Men evnen til at opdage disse bølger giver nu også astronomer nye måder at se på universet. Prof. Pani leder DarkGRA-projektet i et forsøg på at bruge gravitationsbølger til at undersøge nogle af universets største mysterier, inklusive tunge eksotiske stjerner, mørkt stof og sorte huller selv.

Tidligere er astrofysikere blevet tvunget til at udlede tilstedeværelsen af ​​sorte huller ved at se på opførselen af ​​materialet omkring dem. Menes at være de supertunge rester af kollapsede stjerner, tyngdekraften, de producerer, er så stor, at ikke engang lys slipper ud. Alt, der passerer grænsen til et sort hul, kendt som begivenhedshorisonten, bliver der.

"Det er derfor, vi ikke kan se sorte huller, " sagde prof. Pani. "I stedet ser vi et fravær af lys fra dem. Sorte huller er stadig et stort mysterium."

Gravitationsbølger, imidlertid, tillader videnskabsmænd som prof. Pani at se dem direkte. "De er en slags budbringer af rumtiden omkring disse objekter, uden at bruge nogen mellemting, " han sagde.

Ved at studere funktionerne i disse bølger er det muligt at få information om massen, rotation, radius og hastighed af disse tidligere usynlige objekter. "Målet med vores projekt er at forstå gravitationsbølgeobservationer fra meget kompakte objekter, så vi kan udelukke eller bekræfte andre typer objekter, " sagde prof. Pani.

Ifølge almen relativitetsteori, sammensmeltningen af ​​to meget kompakte objekter – såsom hvide dværge, neutronstjerner eller sorte huller - vil få det endelige objekt til at kollapse og danne et sort hul. Men der er alternative teorier, der forudsiger, at de også kunne danne objekter med samme masse og radius som sorte huller, men uden en begivenhedshorisont. Disse mystiske kompakte objekter ville derfor have en overflade, der ville reflektere gravitationsbølger.

"Hvis der er en overflade, efter en sammenlægning af objekterne, der burde være gravitationsbølgeekkoer, så et signal, der reflekteres fra overfladen, Prof. Pani forklarede. Det burde være muligt at detektere disse ekkoer i de signaler, der opfanges her på Jorden.

Mørkt stof

Der er en anden forklaring, imidlertid, der ville føre til sorte huller, der uventet producerer ekkoer eller andre uforklarlige gravitationsbølgetræk - de kunne sidde i et bad af mørkt stof, en hypotetisk form for stof, der endnu ikke er set, men som menes at udgøre 85 % af alt stof i universet. Dette kunne også producere en karakteristisk afslørende gravitationsbølge.

"Mørkt stof interagerer meget lidt med noget andet, så det er meget svært at teste i laboratoriet, " sagde prof. Pani. Men ved at lede efter distinkte signaler i gravitationsbølgerne kunne det tillade videnskabsmænd at 'se' det for første gang.

Nogle gravitationsobservationer kan kun forklares enten ved tilstedeværelsen af ​​mørkt stof, som vi ikke kan se, eller ved at ændre vores tyngdelove. Professor Ulrich Sperhake, en teoretisk fysiker ved University of Cambridge, Storbritannien, og ledende videnskabsmand i StronGrHEP-projektet, beskrev gravitationsbølger som et 'nyt vindue til universet', der kunne hjælpe os med at optrevle disse mysterier.

Hvis der er alt det mørke stof, der hænger rundt om to sorte huller, når de smelter sammen, så ville det opsuge energi.

Det ville betyde, at i en sort hul-kollision som den, der blev opdaget af LIGO, gravitationsbølgerne ville se lidt anderledes ud end uden mørkt stof.

Et observationspuslespil, de kunne kaste lys over, er, hvorfor galakser roterer hurtigere, end deres størrelse antyder, at de burde. "Rotationshastigheden er relateret til massen, der er indeni, " sagde Prof. Sperhake. Så hvis en galakse drejer hurtigere end massen, kan vi se, der er to mulige forklaringer:enten skal vi ændre vores grundlæggende teorier om, hvordan tyngdekraften virker, eller også er der mørkt stof i galakserne, som vi ikke kan se.

En idé, Prof. Sperhake undersøger, er at udvide Einsteins generelle relativitetsteori med en ny teori, døbt skalær tensortyngdekraft. Dette tyder på, at universet er fyldt med et ekstra felt - svarende til et magnetisk eller elektrisk felt - som endnu ikke er opdaget.

Det ville betyde, at supernovaeksplosionen af ​​en døende stjerne ikke kun ville være synlig som et udbrud af gravitationsbølger, men der ville være et efterglød af gravitationsbølger, som vi kunne opdage. Vi kunne dirigere LIGO til områder på himlen, hvor stjerner er eksploderet - kendt som supernovaer - for at forsøge at opdage en sådan efterglød fra skalarfeltet, der kan vare ved århundreder efter selve eksplosionen.

Separat, Prof. Sperhake undersøger, om mørkt stof kan forklares med teoretiske subatomære partikler kaldet axioner. Han forsøger at modellere, hvordan ekkoerne af gravitationsbølger fra sorte huller kan se ud, hvis disse partikler er til stede.

"Jeg vil sige, at aksioner er en af ​​de bedste kandidater til mørkt stof, " sagde han. Det næste skridt er at anvende hans modeller på de data, som LIGO indsamler for at se, om teori og observation passer sammen.

Smuk teori

Dr. Richard Brito sluttede sig til Prof. Panis gruppe i Italien tidligere på året som en del af sit eget projekt, FunGraW til at bruge gravitationsbølger til at teste eksistensen af ​​axionpartikler. Men han vil også bruge dem til at teste selve Einsteins teori, og om den kan være forkert i store skalaer.

"Hvis vi ser objekter næsten lige så kompakte som sorte huller, men uden en begivenhedshorisont, det betyder, at den generelle relativitetsteori er forkert på de skalaer, " han sagde.

Det kan have vigtige hverdagslige konsekvenser. Den generelle relativitetsteori er afgørende for den daglige drift af f.eks. GPS. Men at finde ud af, at Einsteins teori bryder sammen i store skalaer, betyder ikke, at den skal smides ud. Hellere, et tillæg kan være nødvendigt.

"You'd have a hard time matching the mathematical clarity of Einstein's theory, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."