Vågskvalp från Big Bang

2014-03-26 06:34  

Förra veckans stora vetenskapliga nyhet var att gravitationsvågor från Big Bang upptäckts. Men det är en sanning med modifikation. Ny Teknik reder ut begreppen.

En dag för sisådär 14 miljarder år sedan skapades universum ur ingenting i en stor smäll. Ur askan från smällen bildades så småningom galaxer, stjärnor och planeter. Och för ungefär fem miljarder år sedan bildades vår jord.

Ungefär så låter vår tids skapelseberättelse. Den skrevs ursprungligen 1930 av den belgiske fysikern och prästen Georges Lemaître, som hade kombinerat Einsteins generella relativitetsteori med astronomen Edwin Hubbles upptäckt att universum expanderade. Ju längre från oss en galax befinner sig ju snabbare avlägsnar den sig och desto mer förskjutet mot rött blir dess ljus.

Ju längre ut i universum vi tittar desto längre tillbaka i tiden tittar vi också. Tittar vi tillräckligt långt ser vi själva ursmällen. Men bara nästan. Inte ens med det bästa teleskop kan vi se längre tillbaka än till 380 000 år efter den stora smällen. Före dess var nämligen universum ogenomskinligt, så att det blir som att se in i en vägg. Eller som att titta på solytan. Vi ser inte vad som finns därunder.

Ljuset från ursmällen för 14 miljarder år sedan har emellertid blivit så rödförskjutet att det inte längre är synligt utan befinner sig i mikrovågsområdet. Den här kosmiska bakgrundsstrålningen upptäcktes 1964 av Arno Penzias och Robert Wilson, och motsvarar svartkroppsstrålningen från ett objekt med temperaturen 2,7 kelvin.

Isaac Newton hade på sin tid antagit att gravitationen mellan massor var en kraft som verkade momentant. Einstein visade 1915 att så inte alls var fallet, att gravitationen liksom ljuset har en absolut utbredningshastighet. En följd av detta är att när en massa rör sig uppstår gravitationsvågor i rumtiden. Det är inte märkvärdigare än att det uppstår ringar på vattnet i en damm när en skäggdopping rör sig på vattenytan.

Men det finns också ett annat fall då gravitationsvågor bör ha bildats, och det är under den så kallade inflationsfasen strax efter Big Bang. Det var då som, enligt teorin, universum blåstes upp snabbare än ljuset under en miljarddels miljarddel av en sekund.

Inflationen var ursprungligen en teori som utvecklades av kosmologerna Alan Guth och Andrej Linde på 1980-talet. De hade räknat ut att för att galaxer och stjärnor skulle kunna bildas behövdes ett visst mått av inhomogenitet, klimpighet i universum. Men någon sådan fanns inte i den ursprungliga Big Bang-modellen.

Guth och Linde fann emellertid att detta kunde uppstå om kvantfluktuationer förstorades upp till kosmisk skala genom en plötslig uppblåsning av hela det nyfödda universum. Energin till inflationen kom från det så kallade vakuum- eller Higgsfältet. Det som ursprungligen lät som ett prilligt försök att få ekvationerna att gå ihop har emellertid visat sig vara en fruktbar teori. Och genom upptäckten förra veckan har den kanske bekräftats.

Kosmologerna hade nämligen förutspått att som resultat av en plötslig inflation skulle så kallade stokastiska gravitationsvågor bildas och sedan genomströmma hela universum, ­ungefär som den kosmiska bakgrundsstrålningen.

Det är effekter av dessa vågor som astrofysikerna vid radioteleskopet Bicep 2 på Sydpolen nu har upptäckt. Nämligen att vågorna skrynklat till rymden en smula så att den kosmiska bakgrundsstrålningen blivit grynigt polariserad. Och det i precis den storleksordning som inflationsteoretikerna Alan Guth och Andrej Linde förutsagt. Inflationen verkar faktiskt ha ägt rum.

Det intressanta med gravitations­vågor är att de inte hindras av moln ­eller ogenomskinliga plasman. Skulle vi kunna bygga ett teleskop för gravitationsvågor i stället för ljusvågor skulle vi kunna se igenom rymdens gasmoln. Ja, vi skulle till och med kunna se hur universum såg ut när det föddes, innan det blev ogenomskinligt. Förutsatt av vi kan bygga en detektor för att ”se” vågorna förstås.

Men nej, någon sådan finns fortfarande inte, trots decenniers försök.

För att det ska bildas kraftiga gravitationsvågor krävs att en väldig massa materia flyttas väldigt snabbt. Det är inget som händer till vardags i universum, men det sker faktiskt då och då.

En typ av händelser där det borde bildas detekterbara gravitationsvågor är när ett svart hål och en neutronstjärna cirklar nära varandra. Resultatet blir att systemets tyngdpunkt skakar kraftigt och sänder ut gravitationsvågor.

Skakningarna medför att systemet förlorar energi, vilket får de båda kropparna att närma sig varandra tills de förenas med ett sista kraftigt ryck i rumtidens väv. Nu är det inte särskilt ofta sådana saker inträffar i vår närhet. Och det kanske är tur. För oss räcker det nog bra med jordbävningar, vi behöver inte drabbas av kosmiska gravitationstsunamier också.

Den första detektorn för gravitationsvågor byggdes redan på 1990-talet i staten Washington, USA. Den kallas Ligo – Light Interferometer Gravitational Wave Observatory – och arbetar efter ungefär samma princip som Michelsons och Morleys berömda experiment från 1887 – laserljus sänds ut i två kilometerlånga vinkelben för att sedan reflekteras tillbaka. Skulle en passerande gravitationsvåg få rymden att kontraktera eller tänjas ut släcker vågorna ut varandra genom interferens. Trots observationer från 2002 till 2010 har Ligo inte lyckats finna en tillstymmelse till gravitationsvågor. Instrumentet har nu monterats ner för att byggas om.

Problemet är att gravitationsvågorna är så svaga att längdförändringen inte blir större än diametern hos en elementarpartikel. Signalerna drunk­nar i bruset från rörelser i jordskorpan och andra störningar.

Men varför placera detektorn på den ostadiga jorden? Varför inte skicka upp den i rymden?

Projektet Lisa – Laser Interferometer Space Antenna – innehåller tre satelliter som placeras i hörnen av en liksidig triangel. Principen är även här att jämföra laserstrålar, men där den jordbaserade Ligo har fyra kilometer långa vinkelarmar planeras Lisa ha fem miljoner kilometer mellan sina satelliter. Borde inte det räcka för att äntligen kunna se gravitationsvågorna?

Problemet är bara att projektet är så hiskeligt dyrt att redan president Clinton på sin tid drog i nödbromsen.

Kanske lika bra. Under senare år har nämligen två forskare vid namn Mark Kasevich och Babak Saif presenterat ett nytt sätt att mäta gravitationsvågor. Det kallas Atom Interferometer Gravitational Wave Detector in Low Earth Orbit (AGIS-LEO), och går ut på att man låter laserstrålar excitera moln av atomer i rymden utanför två satelliter. Sedan ser man hur strålningen från dem interfererar.

Ett betydligt billigare och bättre projekt än Lisa, säger forskarna, och tillägger att man skulle kunna använda internationella rymdstationen ISS som en av enheterna i experimentet.

Vi får väl se hur det går i framtiden. Alla Nasas pengar är för tillfället uppbundna av James Webb Space Telescope, ersättaren för Hubble-teleskopet.

Det dröjer nog minst ett decennium innan Nasa sätter en detektor för gravitationsvågor i rymden, skrev Scientific American dystert i sitt oktobernummer 2013.

Det är inte längre så säkert. Efter förra veckans sensationella upptäckt är det nog många som plötsligt gärna vill satsa på gravitationsvågor.

Att gravitationsvågor legat i tiden sedan flera år märks inte minst på att de nu dyker upp i populärkulturen.

Författaren och fysikern L P Ramberg kommer i april ut med en ny roman i internationell akademisk toppforskningsmiljö med titeln ”Einsteins arvingar”. Det är en thriller i bästa Dan Brown-stil där upptäckten av gravitationsvågorna bildar bakgrund till ruskiga intriger med flagrant forskningsfusk, korruption, mystiska tecken, sexuella övergrepp, utpressning, bestialiska mord och annat smått och gott. Delar av handlingen försiggår i en jättelik (fungerande) detektor för gravitationsvågor av Ligo-typ, nedgrävd i en övergiven gruva i Japan. Som grädde på moset äger den rafflande upplösningen rum under självaste Nobelbanketten på Stadshuset i Stockholm där upptäckarna av gravitationsvågorna just premieras.

 

PS: Det har senare (hösten 2014) alltmer ifrågasatts om tolkningen av mätresultaten från Bicep 2 verkligen visar gravitationsvågor. Snarare är det nog kosmiskt damm som gett effekten.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt