Astrofysiker: Et nyt forskningsfelt er født

Astronomien gennemgår i disse år en revolution, og vi er vidne til et helt nyt forskningsfelt, der fødes, skriver Johan Fynbo, professor i astrofysik. Årsagen er det tekniske gennembrud, der efter årtiers hårdt arbejde har ledt til de første målinger af såkaldte gravitationsbølger. I kølvandet af disse bølger finder man både guld og dyrebar viden

Når to sorte huller – eller neutronstjerner – roterer om hinanden og til sidst smelter sammen, opstår der såkaldte tyngdebølger. – Foto: Nasa

Siden tidernes morgen har mennesket studeret nattehimlen og undret sig.

Ovid, den romerske digter, der levede omkring år 0, siger det smukt i ”Forvandlinger”:

Ellers går dyrene bøjet

med blikket rettet mod jorden

men mennesket bød han at rejse sit åsyn

og skue mod himlen og hæve sit hoved i vejret

op imod stjernernes vrimmel.

Sådan blev det, der just var råt og uformeligt mudder,

forvandlet til noget nyt:

til menneskeskikkelsens former.

Jeg ved ikke, om Ovid har helt ret – i hvert fald ved vi nu, at for eksempel nogle fugle bruger stjernerne til at finde vej, og hvem ved, om chimpanser undertiden på sene aftener kaster undrende blikke mod stjernehimlen. Men under alle omstændigheder har både folk og fæ indtil for to år siden kun kunnet studere kosmos takket være lyset, der når frem til os fra universets nærmest ufattelige dybder.

Det lys, vi ser med øjnene, er et elektromagnetisk fænomen. Lys kommer i den klassiske fysik fra acceleration af elektrisk ladede partikler. Når elektroner og ioner i en varm gas bevæger sig rundt med stor fart, udsender gassen varmestråling.

Med kvantemekanikken har vi lært, at lys også kan udsendes, når elektroner skifter fra én energitilstand til en anden inde i atomer. De såkaldte gravitationsbølger er et lignende fænomen, der kommer, når tunge legemer – altså ting, der vejer noget – accelereres.

Normalt er dette signal yderst svagt, men i ekstreme tilfælde udsendes der et signal, som faktisk kan måles. Der skal noget meget ekstremt til, før dette signal kan måles med de instrumenter, der findes i dag – for eksempel dannelsen af de ekstreme sorte huller.

Dette signal måles ikke med kameraer, som det er tilfældet med lys, men med særligt følsomme såkaldte interferometre, som kan måle ganske små forstyrrelser i rummets krumning. I et interferometer sendes lysstråler, eksempelvis fra en laser, ud i to retninger vinkelret på hinanden, og langt ude rammer strålerne så spejle, der sender lyset tilbage igen.

Ved at lade de to stråler interferere med hinanden (ligesom to vandbølger, der støder sammen), kan man måle små variationer i afstandene til de to spejle med en nøjagtighed, der er en meget lille brøkdel af lysets bølgelængde, faktisk omkring en tusindedel af protonens størrelse.

De mest følsomme interferometre er i dag de to såkaldte Advanced Ligo interferometre i Hanford og Livingston i USA, hvor de to arme er omkring fire kilometer lange, og det Europæiske Virgo interferometer nær Pisa i Italien, hvor armene er tre kilometer lange. Virgo interferometeret kom for alvor op at køre her i sommer 2017.

For godt to år siden, den 14. september 2015, lykkedes det første gang at måle gravita- tionsbølger. Den første måling overraskede alle, idet signalet kom fra sammenstødet fra to meget store sorte huller med masser på henholdsvis 35 og 30 solmasser. Ingen forstår rigtigt, hvor sådanne systemer med to så store sorte huller kommer fra.

Efterfølgende er der målt gravitationsbølger fra tre andre sammenstød af to sorte huller. I ingen af disse sammenlagt fire sammenstød har vi astronomer kunnet finde noget andet signal fra begivenheden, som vi kunne bruge til at lære mere.

Selve gravitationsbølgesignalet indeholder information om afstandene til kollisionerne. Det drejer sig om begivenheder, der skete mere end tusind millioner lysår fra Jorden. Når der er mere end et enkelt interferometer, kan man ydermere bruge forskellen i ankomsttiderne for signalerne i de forskellige interferometre til at lokalisere kollisionerne, altså fastlægge, hvilke retninger de kommer fra på himlen. Nu, hvor tre interferometre er aktive – de to Ligo interferometre i USA og Virgo interferometeret i Italien – kan signaler lokaliseres til cirka 100 kvadratgrader på himlen – stadig et stort areal. Fra ingen af disse fire sammenstød fandt vi noget andet signal, mere specifikt noget lys.

Men den 17. august klokken 8.41.04 om morgenen i det østlige USA kom der en ny detektion af en gravitationsbølge i Ligo. Denne gang viste analysen, at signalet kom fra en kollision af mindre objekter, to neutronstjerner, som hver vejede omkring en til halvanden gang solens masse.

Afstanden kunne bestemmes fra gravitationsbølgen til ”kun” at være cirka 140 millioner lysår, meget mindre end for de fire tidligere gravita- tionsbølger.

Ret hurtigt efter blev det fastslået, at der også kom et elektromagnetisk signal fra dette sammenstød – først gammastråling, registreret med den såkaldte Fermi-satellit, og dernæst et signal ved lavere fotonenergier fra ultraviolet til infrarødt lys.

Dette lys har vi i Danmark arbejdet hårdt på at observere og analysere i samarbejde med internationale partnere. Særligt kan fremhæves ph.d.- studerende Jonatan Selsing og postdoc Daniele Malesani, som begge arbejder ved Niels Bohr Institutets Dark Cosmology Centre. I alt er vi nok en 14-15 forskere ved Niels Bohr Institutet, der har været travlt beskæftiget med at studere de nye data fra denne første samtidige detektion af både gravitationsbølger og elektromagnetiske bølger fra den samme kosmiske begivenhed.

Hvad har vi så lært? Her kun tre måneder efter opdagelsen er der naturligvis stadig mange åbne spørgsmål, men det billede, der tegner sig, er følgende: For 140 millioner år siden stødte to neutronstjerner sammen i udkanten af galaksen NGC4993. Sammenstødet gav mest sandsynligt anledning til dannelsen af et sort hul – eller eventuelt en meget tung neutronstjerne – og udsendelsen af gravita- tionsbølger, der bevægede sig af sted med lysets hastighed.

Imidlertid blev ikke alt stoffet i de to neutronstjerner en del af det nyskabte sorte hul – eller tungere neutronstjerne. En lille brøkdel af stoffet blev slynget bort med meget høj fart, 20-30 procent af lysets hastighed, og i dette bortslyngede og meget neutronrige materiale blev der dannet tunge grundstoffer, blandt andet sjældne jordarter og ædelmetaller som guld og platin. Lyset fra dette materiale har vi opfanget og studeret med stort set alle de teleskoper, vi har adgang til, fra kort tid efter gravitationsbølgen ankom og de efterfølgende cirka 10 dage, indtil det ikke længere kunne observeres, fordi det kom for tæt på Solen på himlen. Vi har blandt andet brugt Very Large Telescope, Nordisk Optisk Teleskop og Hubble Rumteleskopet.

Det vigtigste er efter min mening, at vi nu for alvor har oplevet fødslen af en ny slags astrofysik, som på engelsk kaldes Multimessenger Astrophysics, hvor vi kan studere fænomener i universet ikke bare med lys, men også med andre kilder. Gravita- tionsbølger er ikke de eneste nye kilder, vi har til information – en anden er neutrinoer, men gravitationsbølger bliver nok de vigtigste i de kommende år. Udviklingen de seneste to år er gået meget hurtigere, end nogen havde turdet håbe, og jeg tror, det er meget muligt, at vi står foran en gylden æra, hvor nye og forhåbentlig overraskende opdagelser vil følge i hastig rækkefølge takket være dette nye vindue mod Universet.

Johan P.U. Fynbo er professor mso på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Han arbejder fortrinsvis med galakser, kvasarer og eksploderende stjerner i det fjerne univers.