I 2017 fikk amerikanske forskere Nobelpris for å ha observert gravitasjonsbølger fra jorda. Nå er norske forskere med på et forsøk som skal observere disse bølgene fra rommet. Resultatene kan fortelle oss mer om fysikkens lover og universets opprinnelse.
Nylig ble det gitt klarsignal for at verdens største detektor-instrument skal skytes opp og inn i bane rundt sola for å oppdage og studere gravitasjonsbølger fra rommet. Oppskytingen skal skje i 2035 og norske forskere er med på prosjektet som skal lede til ny fysikk-forståelse.
Gravitasjonsbølger er bølger fra akselererende masse og gir oss informasjon om de mest ekstreme hendelsene i universet. Det kan være bølger fra to sorte hull som kolliderer eller en stjerne som eksploderer. Den eksplosive og raske utvidelsen av universet etter Big Bang igangsatte gravitasjonsbølger som fortsatt er i sving i universet i dag.
Det er den europeiske romorganisasjonen (ESA) som nylig har gitt grønt lys for Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-oppdraget, som skal observere og måle lengre bølgelengder enn det som er mulig på jorden.
Arbeidet starter i januar 2025 og innebærer blant annet at tre instrumenter skal skytes opp i verdensrommet. De skal gå i bane rundt sola og sende ut laserstråler mot hverandre i en gedigen trekant-formasjon. Hver side av trekanten blir 2,5 millioner kilometer, over seks ganger så langt som fra jorden til månen.
Laserstrålene skal måle bølgene i verdensrommet.
– LISA-detektoren vil gi oss en dypere innsikt i ulike astrofysiske og kosmologiske hendelser i universets historie, forklarer Germano Nardini , førsteamanuensis ved Universitetet i Stavanger og leder for den norske delegasjonen av forskere i LISA-konsortiet.
Nardini leder det norske LISA-bidraget som teller forskere fra UiO, UiB, NTNU og UiS.
En stor milepæl
Det var den 25. januar at ESA annonserte på sine nettsider at en nedtelling til oppskyting av verdens største interferometer i 2035 har begynt: Capturing the ripples of spacetime: LISA gets go-ahead.
– Dette er en stor milepæl. Tre tiår med vitenskapelig og teknologisk forskning, inkludert bidrag fra Norge, har gjort dette mulig, forklarer Nardini.
Så langt er alle eksperimenter som er gjort for å påvise gravitasjonsbølger, blitt utført fra jorda. Medlemslandene i LISA-prosjektet, som inkluderer Norge, har ansvar for å bygge instrumentene, romfartøyet og bakkesegmentet til LISA.
Instrumentene som nå skal bygges skal kunne måle gravitasjonsbølger i millihertz-området. Dette er et område som ikke kan observeres fra bakkenivå, men hvor det antas at mange astrofysiske objekter sender ut stråling – som for eksempel svarte hull og nøytronstjerner.
Vil gi nye innsikter
I fire år skal instrumentet på sin bane rundt sola fange bølger og stråler i verdensrommet. Forskerne mener blant annet det er mulig å fange svake gravitasjonsbølger fra andre galakser og fra universitets tidlige barndom for rundt 14 milliarder år siden. De har store forhåpninger om nye innsikter og oppdagelser.
Forskerne tror at de ved for eksempel å undersøke svake gravitasjonsbølger som stråler jevnt gjennom kosmos, så vil de kunne verifisere eller falsifisere fenomener knyttet til de første sekundene av universet. Fenomener forskerne i dag bare har teorier om.
I universets tidlige tilblivelse skjedde det en rekke faseoverganger, som betyr at noe forandret seg fra en fase til en annen, slik som vann kan gå over til gassform. I kosmologiske studier har for eksempel fenomener som kvarker og Higgs-partikkelen blitt knyttet til faseoverganger i universet kort tid etter Big Bang. Dette er faseoverganger som har betydelige konsekvenser for universets tidlige utvikling og struktur. Studier av faseoverganger knyttet til kvarker og Higgs-partikkelen bidrar til bedre forståelse av universets tidlige faser og fundamentale krefter som styrer universets utvikling.
– Slike faseoverganger skal i teorien gi helt spesifikke gravitasjonsbølgesignal. Nå kan vi kanskje faktisk oppdages og registrere disse, og teoriene vi har om disse fenomenene bekreftes, forklarer Nardini.
Han tror også det blir mulighet til å få mer innsikt i hemmelighetene til partikkelfysikken ved høyere energier enn vi er i stand til at nå ved dagens partikkelakseleratorer.
Bekrefter Einsteins teorier
Gravitasjonsbølger ble forutsagt av Einsteins relativitetsteori og først observert i 2015. Over 100 år etter Einsteins relativitetsteori er altså teknologien og sensitiviteten til verktøyene så gode at det gir forskerne muligheten til å observere etablerte teorier.
– Med LISA-prosjektet kan vi oppdage helt uventede ting og nye fenomener. Hvis relativitetsteorien skulle vise seg å gi litt feil resultater, kan det bety at vi for eksempel må vurdere alternative teorier for tyngdekraften, påpeker Anders Tranberg, professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Stavanger og bidragsyter til LISA-prosjektet siden 2014.
Tranberg er for eksempel spent på om vi kan få bekreftet hypoteser om eksistensen av ekstra dimensjoner og strengteorien – fenomener som fysikere har regnet på i opp mot 50 år.
– Dersom instrumentet oppdager flere sorte hull – små og store – enn vi forventer, må vi revidere elementer av vår Big Bang-teori, påpeker Tranberg og fortsetter:
– Hvis vi ikke gjennom dette finner noen tegn på faseoverganger for eksempel, så har vi et problem med å forklare hvor universets antistoff er blitt av. Så der er nok å ta av!
Norsk teknologisk ekspertise
Det blir en stor jobb for det internasjonale lauget av fysikerne som skal sortere kildene og tolke dataene og sette dem inn i riktig sammenheng. Forskerne har tilgang til avanserte dataanalyser og store databehandlingsressurser.
Helt konkret har norske teknologivirksomheter anledning til å bygge komponenter til fartøyene som skal skytes opp i rommet. Og det norske LISA-konsortium bidrar ved at de utvikler deler av data-analysen, det vil si en «pipeline» som konverterer rå-data direkte fra LISA-instrumentene til mer umiddelbart brukbare data for forskerne, og med en superdatamaskin med mer enn 50 millioner timers regnetid til å undersøke om disse dataene har de signaler som forskerne så gjerne håper at de har.
Har jaktet på gravitasjonsbølger i ti år
– Dette er også en veldig stor milepæl for oss i LISA-gruppa på Universitetet I Stavanger, sier Tranberg, veteranen i prosjektet.
I Norge er det nettopp forskerne ved Universitetet i Stavanger som har vært tettest koplet på. Som de eneste fysikerne i Norge var UiS-forskerne Angelo Ricciardone, David Weir og Tranberg med på å klargjøre eLISA, som LISA het tidligere, og som beviste at teknologien som nå skal brukes fungerte som tenkt.
De siste 20 år har jakten på gravitasjonsbølgene økt i intensitet. Også i LIGO-prosjektet, som i 2016 kunne offentliggjøre den første observasjonen av gravitasjonsbølger noensinne, måtte det stadige justeringer til av instrumenter før suksessen var et faktum.
I 2017 fikk endelig de tre amerikanske foregangsmennene for LIGO Nobelprisen i fysikk for å ha påvist gravitasjonsbølger året før. Alex Nielsen, også han professor i fysikk ved UiS, deltok i data-analysen av den aller første gravitasjonsbølge-hendelsen i september 2015, som del av LIGO-prosjektet.
Helena Kolesova er også en del av LISA-samarbeidet og jobber med teori. Hun utforsker hvordan gravitasjonsbølger fra det tidlige universet kan avsløre ny fysikk, som naturen til mørk materie.
– For 30 år siden var ideen vanvittig, sier Helena Kolesova, partikkelfysiker ved Universitetet i Stavanger til forskning.no
Når de første dataene kommer fra det gedigne måleinstrument vil alle de norske fysikerne som deltar i LISA-konsortiumet være de første til å kaste seg over dataene. Teoriene de jobber med om verdensrommet og universets tidlige begynnelse kan enten bekreftes eller risikere å bli kastet på historiens skraphaug – og helt nye teorier kan lages og bekreftes.
Denne saken er først publisert på forskning.no: Norske forskere kan bidra til å endre Big Bang-teorien.
Tekst: Karen Anne Okstad, Universitetet i Stavanger