En af de største opdagelser i nyere tid – efter min mening den største fysik-opdagelse inden for i hvert fald det seneste årti – var detektionen af gravitationsbølger, med den første måling foretaget i USA den 14. september 2015 – kl. 11.51 dansk tid, for at være helt præcis. Men hvad er gravitationsbølger, og hvorfor var det så vigtigt at se dem?
En af fysikeren Albert Einsteins største indsigter var, at rum og tid er koblet sammen under ét, og at denne rumtid er påvirkelig ved tilstedeværelsen af energi. Det er et af hovedresultaterne fra hans generelle relativitetsteori, først udgivet i november 1915, der omhandler tyngdekraft, også kaldet gravitation.
Denne energi kan være i form af et massivt objekt, idet energi er en form for masse – og omvendt. Omkring sådan et objekt – det kunne for eksempel være Solen – vil rumtiden krumme. Lidt populært sagt bliver jordkloden altså i sin bane omkring Solen af samme grund, som en ært kan sendes rundt i bunden af en Margrethe-skål: Rummet omkring den er krumt, og derfor er det den bane, den skal følge.
Der er altså en ret direkte kobling mellem stof/masse i form af for eksempel stjerner og rumtidens krumning, der giver sig udtryk som tyngdekraft/gravitation.
Men hvad med bølge-aspektet? Jo, bølger kendes fra et utal af sammenhænge, og et af de mest anvendte og bredest kendte er lys. Lys er faktisk en elektromagnetisk bølge, der kan udbrede sig, selv i det tomme rum. Et fænomen som lydbølger skal have et medium at udbrede sig i, men det skal lys altså ikke: Det elektriske og det magnetiske i bølgen kobler sig til hinanden på en sådan måde, at de holder hinanden ved lige og dermed lader bølgen udbrede sig, indtil den eventuelt rammer noget.
Kort sagt bunder elektriske fænomener i elektriske ladninger, der er i hvile, og magnetiske fænomener skyldes, at de elektriske ladninger er i bevægelse. Dog forsvinder de elektriske fænomener ikke, når ladningen bringes i bevægelse, men kan neutraliseres, hvis man kombinerer positive og negative ladninger. Således opdagede danskeren H.C. Ørsted i 1820, at en elektrisk strøm, som skyldes ladninger i bevægelse, altså giver magnetiske effekter og gav anledning til et udslag på en kompasnål.
I analogi med denne observation om lysets natur – at det er en elektromagnetisk bølge, der skyldes koblinger mellem elektriske og magnetiske fænomener – postulerede den engelske selvlærte fysiker Oliver Heaviside i 1893, at der måtte findes bølger, der skyldes koblinger mellem fænomener, der oprinder fra masser i hvile og fra masser i bevægelse.
Set på denne måde er en masse altså en slags ”tyngdeladning”, som dog altid er positiv, i fin overensstemmelse med Einsteins senere teori. Og det var netop sådanne bølger, som forskerne i 2015 observerede.
I dette tilfælde blev bølgerne udsendt fra en kollision mellem to sorte huller i en afstand af omkring en milliard lysår fra Jorden. De to sorte huller med masser på cirka 36 og 29 gange Solens masse spirallerede omkring hinanden, holdt sammen af tyngdekraften, og var derfor i hastig bevægelse. Lidt som et jitterbug-par, der danser. Dog, fordi de sorte huller både repræsenterede masser – altså tyngdeladninger – og masser i bevægelse, udsendte de gravitationsbølger, der senere kunne observeres på Jorden.
Og i takt med at de udsendte disse bølger, måtte de nærme sig hinanden – som jitterbug-parret, der trækker sig tættere og tættere på hinanden – for til sidst at smelte sammen til ét stort sort hul med en masse på omkring 62 gange Solens. Men 36 plus 29 giver jo 65, ikke 62? Ja, nemlig: Den energi, som de resterende tre solmasser repræsenterer, blev udsendt i form af gravitationsbølger, hvoraf en forsvindende brøkdel kunne måles på Jorden.
Men hvorfor er det vigtigt, at den slags bølger er observeret?
Det er det, fordi vores astronomiske viden om universet næsten udelukkende hidtil har været baseret på informationer opnået gennem lys (i en tidligere artikel omtalte jeg neutrinoer, som er en vigtig undtagelse), for eksempel målt via teleskoper. Der kan være tale om langbølget lys målt med radioteleskoper, synligt lys set gennem en linse eller kortbølget lys målt med satellitter, der har detektorer følsomme for røntgen-stråling.
Men næsten altid en eller anden form for lys. Nu er en ny form for undersøgelse af universet blevet mulig, hvorefter vi kan kigge ud i verdensrummet ved brug af gravitationsbølger og lære noget om eksotiske kosmiske objekter som neutron-stjerner, sorte huller og – forhåbentlig – fænomener, vi ikke engang har kunnet gætte på eksistensen af.
Det er altid svært at gætte, hvem årets Nobelpris mon går til, men i år vil mit bud helt klart være, at den går til nogle af de primære fysikere bag LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), når den uddeles i fysik den første tirsdag i oktober 2017.
Det er formentlig ikke en overdrivelse at sige, at de har åbnet et nyt vindue til universet, og det bliver rigtig spændende at se, hvad der dukker op gennem det.