Fikk nobelprisen i fysikk for gravitasjonsbølger – hva er det for noe?

Flere forskere ved UiO har forskningsfelt tett opp til temaet gravitasjonsbølger. Her forklarer de hvilken nytte de har av kunnskapen.

Intervjuene er gjort i forkant av annonseringen av vinnerne av årets nobelpris i fysikk og ble en slags gjettekonkurranse om hvem som ville få den.

Mange holdt en knapp på forskningsmiljøt ved observatoriet LIGO, men ikke alle var enige, én inngikk sågar veddemål med oss.

Du kan lese mer om vinnerne på Nobelprisens hjemmeside.

Ingunn Kathrine Wehus er forsker i astronomi og leter etter avtrykk fra gravitasjonsbølger i den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

– Gravitasjonsbølger åpner opp et helt nytt vindu for å utforske og forstå universet rundt oss, sier Wehus.

– Dermed kan vi få ny innsikt i naturlovene. Situasjonen kan sammenlignes med da Galileo bygde det første teleskopet i 1609.

Hun forsker på den kosmiske bakgrunnsstrålingen (CMB), som er den eldste informasjonskilden vi har. Lyset fra bakgrunnsstrålingen ble sendt ut da universet bare var noen få hundre tusen år gammelt, det vil si da universet var i spedbarnsalderen sammenlignet med hvor gammelt det er i dag.

Rådende teorier sier at i denne spedbarnsalderen må universet ha vært fylt med gravitasjonsbølger som satte sitt spesielle avtrykk på CMB-strålingen, forteller Wehus.

– I dag leter mine kolleger og jeg etter dette avtrykket av urgravitasjonsbølger ved å analysere data fra forskjellige CMB-eksperimenter. Her i Oslo er vi blant annet med i SPIDER-eksperimentet som sendte et CMB-teleskop over Sydpolen i ballong. LIGO har nå vist at gravitasjonsbølger eksisterer. SPIDER og konkurrentene kjemper om å bli først til å vise at urgravitasjonsbølgene eksisterte og dermed forstå mer av hvordan universet ble født.             

– For tidlig

– Jeg synes LIGO burde få nobelpris, men det skulle ikke forundre meg om de ikke får det i år, for det er nok litt tidlig ennå, mener Ann-Cecilie Larsen, som er astrokjernefysiker ved UiO.

– Men de burde få den, med tanke på at de som indirekte målte gravitasjonsbølger fikk nobelpris for det i 1993. Men det var mange år etter selve målingen.

– Slik jeg ser det, står Einsteins teorier uansett på veldig solid grunn, så personlig synes jeg det er selve teknologien som er fantastisk – en utrolig følsomhet for sjeldne og svake signaler. Selv om det selvsagt er kjempespennende at det endelig er en direkte måling av gravitasjonsbølger, ikke bare indirekte som tidligere, sier hun.

– Og så er det utrolig flott at man kan «se» svart-hull-svart-hull-kollisjoner, som man ikke kan måle på vanlig vis ved å måle elektromagnetisk stråling. Man kan nå få en «gravitasjons-scan» av universet som forhåpentligvis vil avsløre masse nye gøye ting.

Larsen forsker på hvordan de tunge grunnstoffene som gull blir dannet. En av teoriene er at de produseres når to nøytronstjerner kolliderer.

– Har oppdagelsen noen betydning for fagfeltet ditt?

– Ja, absolutt! Advanced LIGO skal være følsom nok til å måle nøytronstjernekollisjoner hvor nøytronstjernene har en så liten masse som 1,4 ganger Solas masse.

– Et av de store usikkerhetsmomentene rundt nøytronstjernekollisjoner som kilde til tunge grunnstoff, er hvor ofte slike kollisjoner skjer. Man har forsøkt å anslå dette, men usikkerheten er enorm, og her kan Advanced LIGO helt klart hjelpe, fastslår hun.

– Ikke nok med det, hvis man kan måle nøytronstjernekollisjoner via Advanced LIGO, kan man også sikte seg inn på det samme stedet med instrumenter som er følsomme for elektromagnetisk stråling.

Dersom nøytronstjernekollisjoner virkelig er der hvor tunge grunnstoffer blir laget, vil man se en radioaktiv etterglød i mange dager etterpå – en signatur på dannelsen av masse radioaktive atomkjerner som omdannes til stabile kjerner.

I dag finnes det bare ett mulig datapunkt fra Hubble Space Telescope. Det er ikke noe å skryte av, man kan tilpasse hva som helst til ett datapunkt. Så nukleosyntese-gjengen venter i spenning på flere datapunkter, og igjen kan Advanced LIGO hjelpe - det er allerede skrevet artikler om forventningene.

Etter at det ble klart hvem som vant, sier Larsen: – YAY!!! Jeg var jo i tvil om de turte å gi prisen til gravitasjonsbølger ettersom VIRGO-bekreftelsen først kom forrige uke - men hurra, FANTASTISK!!! Vel fortjent :)

– Hadde Einstein helt rett?

Robert Hagala er doktorgradsstipendiat i astronomi og forsker på alternative gravitasjonsteorier.

– Vi som jobber med generell relativitetsteori har faktisk lenge tatt gravitasjonsbølger for gitt. Einsten har rett og slett vist seg veldig vanskelig å motbevise, sier han.

– Men måten gravitasjonsbølgene ble observert på, var helt revolusjonerende. Måleinstrumentet som oppdaget bølgene – LIGO – måtte være i stand til å måle endringer i lengde på en tusendedel av utstrekningen til et proton, over en avstand på fire kilometer! I tillegg til at dette er det mest presise vitenskapelige måleinstrumentet noensinne, kommer også det faktum at kilden til gravitasjonsbølgene var to mellomstore sorte hull som smeltet sammen, over én milliard lysår unna oss. Slike hendelser er aldri blitt påvist før, og det åpner for nye muligheter for å teste hvordan tyngdekraft virker i veldig sterke tyngdefelt.

– Har oppdagelsen noen betydning for din forskning?

– Jeg forsker på noe litt kontroversielt, nemlig alternative gravitasjonsteorier. Det er flere store spørsmål ved den gjeldende modellen vi har for universets utvikling. Én måte å forsøke å besvare disse spørsmålene på, er å anta at Einsteins generelle relativitetsteori ikke er hele sannheten, men bare en god tilnærming, på samme måte som Newtons gravitasjonsteori er en god tilnærming når det gjelder Jordens overflate.

– Min jobb består dermed i stor grad i å tenke ut eksperimenter der generell relativitetsteori kan skilles fra modeller som er bare litt annerledes enn ren generell relativitetsteori, sier han.

– Oppdagelsen av gravitasjonsbølger åpner et helt nytt vindu for slike eksperimenter. For eksempel forutsier Einstein at det bare finnes to forskjellige polariseringer. Dette kan vi tenke på som måter en gravitasjonsbølge kan «skvulpe» på. I de fleste modifiserte gravitasjonsteorier har man et par ekstra skvulpemåter. Med flere detektorer som LIGO kan man skille mellom disse skvulpemåtene, og muligens oppdage at Einstein ikke hadde helt rett likevel!

Øystein Elgarøy er professor i astronomi og har tro på at gravitasjonsbølgene får prisen i år.

– Oppdagelsen av gravitasjonsbølger er for det første en enestående teknisk prestasjon, sier han.

– For å påvise gravitasjonsbølger måtte de finne opp teknikker som gjør det mulig å måle avstander med en presisjon som er mindre enn én tusendedel av størrelsen til en atomkjerne.

– For det andre gir oppdagelsen en ny måte å studere universet på. Tidligere har man for eksempel bare kunnet studere sorte hull indirekte, gjennom hvordan de påvirker materie som vi kan se. Nå kan man «se» direkte hvordan bølgene endrer strukturen til selve rommet.

Vedder nei

Vi avslutter vår uhøytidelige spørreundersøkelse hos Are Raklev, som er professor i teoretisk fysikk.

– Hvem får nobelprisen i fysikk?

– Har ingen anelse, men gravitasjonsbølger får den ikke i år. Er villig til å vedde gode penger. Kan sette 500 kroner på det, om du vedder imot?

– Jeg tror at komiteen vil synes det er for skummelt å gi den allerede nå. De er jo litt redde av seg – muligens enda reddere for kvinner – og gravitasjonsbølger er sett bare av ett eksperiment, forklarer han.

(Saken ble laget før annonseringen av den fjerde deteksjonen, som ble gjort av både to LIGO-eksperimenter i USA og Virgo i Europa.)

– Det er også nylig stilt spørsmål ved bakgrunnsmodellene LIGO bruker. Ikke alle er fornøyde med svarene LIGO gir - ennå.

– Men for all del, oppdagelsen av gravitasjonsbølger er helt fantastisk, ikke fordi det bekrefter Einsteins generelle relativitetsteori, men fordi vi nå har fått et nytt vindu inn i astrofysikken. Observasjon av gravitasjonsbølger vil gjøre oss i stand til å "se" hendelser som ikke sender ut (mye) lys, og det betyr at vi kan lære en masse nye ting.

– For mørk materie-forskning, som jeg driver med, betyr det for eksempel at vi kan undersøke enda nøyere om sorte hull kan utgjøre noe av den mørke materien. Svaret ser ut til å være: ganske lite.

Kvinne-angst

Så hvis det ikke går mot gravitasjonsbølgepris ennå, hva står da for tur? Da vi ba om kvalifiserte gjetninger fra UiO-fysikere før fjorårets nobelpris, fikk professor Susanne Viefers rett – nobelprisen gikk til hennes fagfelt, mens professor Joakim Berglis favoritt, Alain Aspect, fremdeles står uten noen pris.

Og apropos komiteens redsel for kvinner: Fysikkprisen er ekstremt mannsdominert. Den siste kvinnen som ble funnet verdig, var Maria Goeppert Mayer, som ble tildelt prisen i 1963 (!). Hun var forøvrig nummer to i historien. Kun Marie Curie hadde fått den før henne.

Tragisk nok har to av de heteste kvinnelige kandidatene rukket å dø siste år: Både Vera Rubin og Dronninga av karbon, Mildred Dresselhaus.

Og når konklusjonen nå er kjent, kan journalistene gå og hente ut premien fra veddemålet.