Hvorfor opdagelsen af gravitationsbølger er en milepæl for fysik

satori13/iStock/GettyImages

I slutningen af det 17. århundrede foreslog Sir IsaacNewton, som udvidede Galileos indsigt, at gravitationsforstyrrelser rejste hurtigere end noget andet signal i kosmos. I 1915 udfordrede AlbertEinstein denne opfattelse med sin generelle relativitetsteori, idet han hævdede, at ingen information kan rejse hurtigere end lys – inklusive gravitationsbølger.

TL;DR (for lang; læste ikke)

Betydningen af gravitationsbølger:

• Åbner et nyt vindue ind i kosmos
• Giver en afgørende bekræftelse af Einsteins generelle relativitetsteori
• Modviser Newtons forestilling om øjeblikkelig handling på afstand
• Afslører et helt spektrum af gravitationsstråling
• Tips til transformative fremtidige teknologier

En episk begivenhed

Den 14. september 2015 ankom de første direkte målte gravitationsbølger til Jorden samtidig med lyset fra sammensmeltningen af to sorte huller omkring 1,3 milliarder lysår væk. Denne observation, fanget af LIGO i USA og Jomfruen i Europa, og bekræftet af omkring 70 jord- og rumbaserede teleskoper, validerede Einsteins forudsigelse og indviede en ny gren af astronomi.

Hvordan videnskabsmænd måler gravitationsbølger

De to LIGO-steder - Livingston, Louisiana og Hanford, Washington - er formet som et "L" på jorden med 2½-mile arme, der huser lasere, stråledelere, spejle og detektorer. En laserstråle opdeles, sendes ned ad hver arm, reflekteres tilbage og kombineres igen. En passerende gravitationsbølge strækker den ene arm, mens den klemmer den anden, hvilket skaber en minuts forskel i returtider for de to stråler. Dette differentielle signal er det, fotodetektoren optager.

Samtidige påvisninger på begge steder, omend med en lille tidsforsinkelse, giver astronomer to rumligt adskilte datapunkter. Ved at triangulere disse signaler kan videnskabsmænd lokalisere kildens himmelposition og måle bølgeformen i udsøgte detaljer.

Gravitationsbølger bølger rum-tidskontinuumet

Einsteins relativitetsteori viser, at ændringer i et gravitationsfelt forplanter sig med lysets hastighed, meget som krusninger på en dam. Når to massive legemer – såsom sorte huller – smelter sammen, ophidser deres bevægelse selve rumtiden og producerer oscillationer, der transporterer energi væk som gravitationsbølger. I modsætning til lys kan disse bølger rejse gennem stof praktisk talt uhindret og afsløre information om de mest voldelige begivenheder i universet.

Tyngekraftsbølger og deres virkninger på Jorden

Siden 2015 er der registreret mindst fire binære sorte hul-fusioner, som hver tillader samtidige observationer af både gravitations- og elektromagnetiske signaler. Når tre eller flere observatorier registrerer et signal, kan astronomer (1) lokalisere begivenheden med høj præcision og (2) teste bølgeformen mod forudsigelser fra den generelle relativitetsteori. Selvom bølgerne kun inducerer minimale forvrængninger i rumtid, muliggør detektorernes følsomhed deres måling med hidtil uset nøjagtighed.

Hvad fremtiden bringer

Detekteringerne i 2015 fandt sted lige for 100-årsdagen for Einsteins præsentation af generel relativitet til Det Kongelige Preussiske Videnskabsakademi. Efterhånden som gravitationsbølgeastronomi modnes, lover den at låse op for ny fysik, udfordre eksisterende teorier og måske anspore innovationer, der er analoge med dem, der er født fra opdagelsen af nye elektromagnetiske frekvensbånd – røntgenstråler, radiobølger og mere.