Lange arme fanger tyngdebølgerne

Tyngdebølgedetektorer – såkaldte interferometre – har to lange arme. I armene løber laserpulser frem til spejle for enderne, som sender dem tilbage. Når de mødes igen, afslører deres mønster, om en tyngdebølge har vaeret forbi.

Da Galileo Galilei den 7. januar 1610 rettede sit nye teleskop mod Jupiter, så han som den første tre af gasgigantens største måner, og hans opfindelse revolutionerede astronomien. Men den gamle mesters kikkert var det rene legetøj sammenlignet med nutidens avancerede teleskoper, som har kortlagt hele det synlige univers og fulgt galaksernes udvikling tilbage til dannelsen af de første stjerner. Nu står astronomerne igen ved taersklen til en ny epoke, hvor vi takket vaere banebrydende teknologi for første gang kan få indsigt i universets mørke side, som intet almindeligt teleskop kan se. Budbringeren er såkaldte tyngdebølger, som får selve rummet til at svinge, når store, kompakte masser som sorte huller og neutronstjerner accelereres voldsomt op eller brager sammen. I 2015 lykkedes det for første gang at opfange tyngdebølger ved hjaelp af to detektorer i USA. Bølgerne stammede fra to sorte huller, som smeltede sammen i en naer galakse. Opdagelsen var en sensation og en triumf for de to detektorer, men allerede om et par årtier vil de virke lige så foraeldede og primitive, som Galileis simple teleskop gør i dag. Astrofysikerne har nye og langt følsommere detektorer på vej, som vil afsløre tyngdebølger fra begivenheder, som ligger meget laengere vaek i tid og rum.

De nye detektorer vil dermed fortaelle os om universets mørke barndom, hvor ingen stjerner endnu var taendt. Og de vil gøre os klogere på to helt centrale faenomener, som styrer universets udvikling.

Det ene faenomen er det ukendte mørke stof, som vi ikke kan se, men som med sin tyngdekraft holder sammen på alt det almindelige stof i galakserne.

Det andet er den mystiske mørke energi, som får universet til at udvide sig med accelererende hastighed.

Sorte huller forvraenger Jorden

Tyngdebølger fra sorte huller, som smeltede sammen i det tidlige univers, vil hjaelpe forskerne til at forstå begge faenomener. Når tyngdebølger fra et sammenstød mellem to sorte huller ruller gennem Jorden, får de planeten til rytmisk at udvide sig og traekke sig sammen. Effekten er ganske lille, så detektorerne skal kunne måle forskellen med en nøjagtighed på en hundredetusindedel af en nanometer. Nutidens detektorer – som også kaldes interferometre – er formet som et L og har tre eller fire kilometer lange arme, som forskerne sender laserpulser igennem. For enden af begge arme er der ophaengt et spejl, som reflekterer pulserne tilbage til detektorens centrum, hvor strålerne mødes igen og påvirker hinanden.

Normalt opstår der negativ interferens, hvor lysbølgerne udslukker hinanden, men når en tyngdebølge ruller gennem anlaegget, aendres armenes laengde en smule, så spejlene flyttes. Det forskyder laserpulserne i forhold til hinanden og skaber positiv interferens, hvor de forstaerker hinanden og danner et mønster, som detektoren registrerer. De to amerikanske detektorer – kaldet LIGO – som opfangede de første tyngdebøl

ger i 2015, er placeret tre tusind kilometer fra hinanden, hvilket sikrer mod falske signaler fra lokale jordiske rystelser. I juni 2017 blev den europaeiske Virgo-detektor sat i drift i Italien, og i 2020 kom den japanske detektor KAGRA med på holdet, så forskerne nu har i alt fire detektorer til rådighed spredt ud over verdenskortet.

Detektorerne arbejder sammen

Når tyngdebølger saetter hele kloden i svingninger, registreres signalet simultant i alle detektorerne. Det gør det muligt at afgøre, hvilken retning bølgerne kommer fra, og dermed hvor på himlen astronomerne skal søge efter kilden til dem. I de første seks år af tyngdebølgernes aera har forskerne fanget 50 sammenstød mellem sorte huller og to sammenstød mellem neutronstjerner. Detektorerne er netop blevet opgraderet, og når observationerne begynder igen i begyndelsen af 2022, regner fysikerne med at opdage tyngdebølger fra et nyt brag en gang om ugen. Men det vil stadig vaere tyngdebølger fra et begraenset område af universet. Hvis vi skal fange bølger fra fjernere områder – og dermed tidligere tider – skal der nye detektorer til. Jo laengere vaek i tid og rum en kollision mellem to sorte huller har fundet sted, desto svagere er de tyngdebølger, som saetter kloden i svingninger. Den naeste generation af detektorer skal derfor vaere ti gange følsommere end nutidens, som kan fange tyngdebølger fra de seneste otte-ni milliarder år. Med de nye detektorer vil forskerne kunne registrere tyngdebølger fra brag, som fandt sted fire milliarder år

Spejlene for enden af detektorernes arme skal holdes helt i ro. Støddaempende ophaeng sørger for at udligne små jordrystelser, så de ikke får indflydelse på de praecise målinger.