Deltar i jakten på gravitasjonsbølger


Jakten på gravitasjonsbølger er ikke avlyst etter at de to første oppdagelsene ble kjent tidligere i år. Et knippe forskere ved UiS er med på å klargjøre eLISA, det første observatoriet som blir sendt ut i verdensrommet for å oppdage gravitasjonsbølger.

Jakten på gravitasjonsbølger er ikke ny. Leiting etter gravitasjonsbølger på 1970-tallet ble gjort med store klokker og metallmateriale plassert i et rom, men dimensjonene på eksperimentene og sensitiviteten på linsene var for små.

De siste årene har jakten på disse bølgene fra tidenes morgen økt i intensitet. Også i LIGO-prosjektet, som 11. februar tidligere i år kunne offentliggjøre den første observasjonen av gravitasjonsbølger noen sinne, måtte det stadige justeringer til av instrumenter før suksessen var et faktum.

Forskerne som la grunnlaget for LIGO-observasjonen, fikk i vår Kavliprisen i astrofysikk for 2016. Mange spår at disse forskerne seinere i høst vil få Nobelprisen i fysikk.

Så langt er alle eksperimenter som er gjort for å påvise gravitasjonsbølger, utført fra jorda. I vinter ble LISA Pathfinder skutt opp for å teste teknologi som skal måle gravitasjonsbølger i rommet. 

Som de eneste fysikerne i Norge deltar Angelo Ricciardone og og Anders Tranberg fra Universitetet i Stavanger i en egen arbeidsgruppe innenfor kosmologi med å klargjøre eLISA, det første observatoriet som blir sendt ut i verdensrommet for å oppdage gravitasjonsbølger.

– Det var Einstein som la det teoretiske grunnlaget for at gravitasjon bør kunne skape bølger som utbrer seg med lysets hastighet. Siden har vi fått en idé om hvor høy tetthet de må ha, hvor sensitive innretninger vi må ha for å få øye på dem og ikke minst vet vi hvordan signalene vil se ut, forteller David Weir, postdoktor ved UiS.

– Med eLISA har vi fått et komplisert lasermåler-system med presisjon på en milliarddel millimeter som kan registrere påvirkning fra gravitasjonsbølger.

100 år etter Einsteins relativitetsteori er altså teknologien og sensitiviteten til verktøyene så gode at det gir oss muligheten til å oppdage gravitasjonsbølger, bølger i romtiden som skyldes akselerasjon av massive objekter.

Ulike kilder til gravitasjonsbølger

Det er ulike kilder til gravitasjonsbølger, poengterer Angelo Ricciardone. De kan genereres fra sammensmelting av to svarte hull, fra faseoverganger og topologiske feil og de kan genereres via inflasjon.

– Det er viktig å skille disse kildene med tanke på hvilke sensorer du skal velge til å oppdage bølgene, sier Ricciardone.

Gravitasjonsbølgene som ble fanget opp i LIGO-prosjektet, ble generert ved sammensmelting av to svarte hull. Men hva med inflasjon? Det er Angelo Ricciardones forskningsfelt, og som han tok sin ph.d. på ved universitetet i Padova i Italia. 

Urbølgene

Ifølge inflasjonsteorien gjennomgikk universet en periode med svært rask utvidelse da det bare var en brøkdel av et sekund gammelt. I denne perioden med mildt sagt hektisk aktivitet, ble det generert det som på engelsk kalles primordial gravitasjonsbølger – selveste urbølgene for gravitasjon! Dette er gravitasjonsbølger med mye lavere tetthet og som har en effekt på den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen.

– Ved å påvise disse urgravitasjonsbølgene vil vi få en nesten fullstendig forståelse av fysikken i det tidlige universet. Det handler om å forstå energiskalaene til de opprinnelige partiklene som er utgangspunktet for hele strukturen i universet. Ved å påvise gravitasjonsbølger fra denne tiden, vil vi også forstå mer av gravitasjonens natur, sier Ricciardone.

– Den virkelige kule tingen med gravitasjonsbølger er at for de er universet gjennomsiktig. Det er ingenting der ute som kan forstyrre gravitasjonsbølgene når de først er generert, så på den måten gir de oss et totalt gjennomsiktig vindu til universets tidlige barndom, forklarer David Weir.

Teorien om kosmisk inflasjon er i dag et paradigme om hva som skjedde i universets aller tidligste fase, umiddelbart etter Big Bang. Teorien ble første gang framsatt av Alan H. Guth i 1981 og har med sine naturlige modifikasjoner og forbedringer revolusjonert vår forestilling om universet.

Så sent som i 2014 mottok Guth, sammen med to andre pionerer, Andrei D. Linde og Alexei A. Starobinsky, den norske Kavliprisen i astrofysikk for inflasjonsteorien som et vitenskapelig gjennombrudd.

Faseovergangene

De fleste typer stoff gjennomgår faseoverganger. David Weir forklarer faseoverganger med det som skjer med vann som varmes opp til det koker. Den energien som settes i gang når disse boblene kolliderer, er eksempel på en slik faseovergang.

I det tidligste universet skjedde dette med en slik kraft at de genererte gravitasjonsbølger og Weirs jakt handler blant annet om hvordan de ser ut, de mulige signaturene dette har gitt.

– Jeg leter rundt tida da Higgs-bosonet fikk sin masse. Den prosessen var veldig kraftig og vil være en god kilde til gravitasjonsbølger som en kan søke etter med eLISA, sier Weir.

Spekulative

Leitinga etter gravitasjonsbølgene foregår på ulike frekvenser. I LIGO-prosjektet ble de for eksempel oppdaget på frekvensen 30 Hertz. eLISA vil komplementere dette ved å måle gravitasjonsstråling innenfor et mye breiere felt av frekvenser – fra 0,1 millihertz til 100 millihertz – et frekvensområde som er fylt opp av sterke kilder til gravitasjonsbølger.

– Vi skal være litt mer spekulative enn LIGO. Selvfølgelig skal vi også se etter gravitasjonsbølger fra sammensmelting av svarte hull, men i vår arbeidsgruppe arbeider vi med ting der vi ikke er garantert å oppdage noe, sier Weir.

Angelo Ricciardones bidrag i kosmologigruppa er blant annet å prøve å forstå hvilken teori som kan bli testet i de målestokker eLISA kan tilby.

– eLISA er ikke veldig godt designet for å studere inflasjon. Men det er viktig å forstå hva dette kan si om andre typer fysikk, som igjen kan påvirke de modellene vi jobber på, sier Ricciardone som arbeider på en rapport om hva eLISA-prosjektet kan bety for inflasjonsteorien.

The boss of simulations

Da forskerne i LIGO-prosjektet oppdaget gravitasjonsbølger, så var det fordi signalene som ble fanget opp av de 4 kilometer lange armene som laserstrålene ble sendt gjennom, stemte omtrent identisk med de forutsigelsene som var gjort med tanke på hvordan signalene skulle se ut. Og nå beveger vi oss inn på det som er David Weirs domene, og som har vært en del av hans akademiske verktøykasse siden ph.d.-studiene i London, nemlig simuleringer av tallmengder. Enorme tallmengder. Numerisk feltteori er den mer nøyaktige beskrivelsen.

– Han er the boss of simulations! sier Angelo beundrende.

Davids arbeid handler altså om å komme med noen forutsigelser til eLISA om hva en kan forvente å se. Og nå er dimensjonene litt annerledes enn i LIGO. Der den såkalte interferensmåleren i LIGO ble brukt med såkalte armlengder på 4 kilometer, blir armlengden i eLISA-prosjektet 1 million kilometer. Armlengden er nøye utvalgt for å tillate observasjoner av de mest interessante kildene av gravitasjonsbølger.

– Det er noen prosesser som vi ikke klarer å få hånd på matematisk, så vi trenger å gjennomføre simuleringer, sier David Weir.

To kolleger fra Sussex i England, hans tidligere sjef fra et postdoktoropphold i Helsinki, i tillegg til noen andre finner, har vært med på laget som har jobbet fram simuleringene, med Weir som leder for alt. Søknaden til PRACE – Partnership for Advanced Computing in Europe innebar forespørsel om 27 millioner datamaskintimer. Simuleringene varte i ett år og ble avsluttet i mars i år.

– Det er definitivt en av de største simuleringer som er gjort innen kosmologi, jeg føler meg nesten skyldig over å ha brukt den så mye, smiler David.

Les Weirs egen rapport om simuleringsarbeidet.

Om å vite hva en skal se etter

– Vi leter etter frekvenser hvor vi kan forvente signaler og hvordan de vil se ut. Faseovergangene innebærer også enormt mange prosesser. Teoretisk kan en forstå hva som skjer der, men gjennom simuleringene kan du forene dem og forstå dem enda bedre. Kort oppsummert: simuleringene har gjort at forutsigelsene vi kommer med ligger nærmere den ultimate frekvensen der vi kan forvente å påvise gravitasjonsbølger i eLISA, sier David Weir.

Arbeidet med simuleringer handler i siste instans om dette:

– Hvis ikke vi forteller folk hva de skal se etter, så vil de ikke finne det, sier Weir.

Både Ricciardone og Weir pirres av lengselen etter å forstå mer av universet vi lever i. For selv om vi har funnet de grunnleggende kreftene i naturens kode, så er det fortsatt mye vi ikke forstår.

– Det blir veldig dyrt å bygge noe som er større enn partikkelakseleratoren LHC i CERN, så da er det bedre vi snur oss til gravitasjonsbølgene. Kanskje vi finner noen av svarene der, avslutter David Weir.

Tekst: Elisabeth Hovland
Foto: Asbjørn Jensen
 

Referanser:

Bull, Philips James, Ricciardone, Angelo + 35 flere (2016): Beyond ΛCDM: Problems, solutions, and the road ahead. Juni-utgaven 2016 av Physics of the Dark Universe.

Chiara Caprini, David J, Weir + 9 flere (2016): Science with the space-based interferometer eLISA. II: gravitational waves from cosmological phase transitions. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, volum 2016, april 2016.

Mark Hindmarsh, Stephan J. Huber, Kari Rummukainen, og David J. Weir (2015): Numerical simulations of acoustically generated gravitational waves at a first order phase transition. Publisert 22. desember 2015 i Physical Review D.


Sist oppdatert av Karoline Reilstad (08.02.2017)

Skriv ut artikkel print symbol
Illustrasjon av eLISA-satellitt i verdensrommet.
SATELLITT: I eLISA-prosjektet skal tre satellitter med en avstand på millioner av kilometer settes ut i verdensrommet for å oppdage og utforske gravitasjonsbølger. Illustrasjon: AEI/MM/exozet/NASA/Henze
Foto av Angelo Ricciardone og Anders Tranberg.
JAKTLAG VED UIS: Som de eneste fysikerne i Norge deltar Angelo Ricciardone (t.v.), Anders Tranberg (t.h.) og David Weir (ikke til stede på bildet) fra Universitetet i Stavanger i forskningsarbeidet som skal klargjøre eLISA, det første observatoriet som blir sendt ut i verdensrommet for å oppdage gravitasjonsbølger. Foto: Asbjørn Jensen