Gravitationsvågor ska avslöja universums mörka barndom

Upptäckten var en sensation och en triumf för de två detektorerna, men redan om ett par årtionden kommer de att framstå som lika föråldrade och primitiva som Galileis teleskop gör i dag. Astrofysikerna har nya, betydligt känsligare detektorer på gång, som kommer att avslöja gravitationsvågor från händelser som ligger betydligt längre bort i tid och rum.

De nya detektorerna kan därmed berätta för oss om universums mörka barndom, då inga stjärnor ännu lyste. Och de kommer att kunna lära oss mer om två centrala fenomen som styr universums utveckling. Det ena är den okända mörka materien, som vi inte kan se, men som genom sin gravitation håller ihop all vanlig materia i galaxerna. Det andra är den mystiska mörka energin, som får universum att utvidgas med accelererande hastighet.

Svarta hål förvränger jorden

Gravitationsvågor från svarta hål som smälte samman i det tidiga universum kommer att hjälpa forskarna att förstå båda dessa fenomen.

När gravitationsvågor från en kollision mellan två svarta hål rullar genom jorden får de planeten att rytmiskt utvidgas och dra ihop sig. Effekten är ganska liten, så detektorerna måste kunna mäta skillnaden med en precision av en hundratusendels nanometer.

Dagens detektorer, så kallade interferometrar, är formade som ett L och har tre eller fyra kilometer långa armar genom vilka forskarna sänder laserpulser. Längst ut på de två armarna sitter en spegel som reflekterar pulserna till detektorns mitt, där strålarna möts igen och påverkar varandra.

Normalt uppstår negativ interferens, vilket gör att ljusvågorna släcker ut varandra, men när en gravitationsvåg rullar genom anläggningen förändras armarnas längd en aning, så att speglarna flyttas. Då förskjuts laserpulserna i förhållande till varandra och skapar positiv interferens, så att de förstärker varandra och bildar ett mönster som detektorn kan registrera.

De två amerikanska Ligodetektorerna, som registrerade de första gravitationsvågorna år 2015, befinner sig 3 000 kilometer från varandra, vilket förhindrar falska signaler från lokala skakningar i marken.

I juni 2017 togs den europeiska Virgodetektorn i bruk i Italien och år 2020 blev den japanska detektorn Kagra klar, vilket innebär att forskarna nu har totalt fyra detektorer till sitt förfogande i olika delar av världen.

Detektorerna samverkar

När gravitationsvågor sätter hela planeten i svängning registreras signalen simultant av alla detektorerna. Det gör det möjligt att avgöra från vilket håll vågorna kommer och därmed var på himlen astronomerna ska leta efter deras ursprung.

Under de första sex åren av gravitationsvågornas epok upptäckte forskarna 50 kollisioner mellan svarta hål och två kollisioner mellan neutronstjärnor. Detektorerna har nyligen uppgraderats, så när observationerna återupptas i början av år 2022 räknar fysikerna med att upptäcka gravitationsvågor från en ny kollision en gång i veckan.

Det kommer emellertid fortfarande att röra sig om gravitationsvågor från en begränsad del av universum. För att vi ska kunna registrera vågor från mer avlägset belägna områden – och därmed äldre tider – krävs nya detektorer.

Ju längre bort i tid och rum en kollision mellan två svarta hål har inträffat, desto svagare är gravitationsvågorna som sätter planeten i svängning.

Nästa generation av detektorer ska därför vara tio gånger känsligare än dagens, som kan registrera gravitationsvågor från de senaste åtta–nio miljarder åren. Med de nya detektorerna kommer forskarna att kunna registrera gravitationsvågor från kollisioner som inträffade fyra miljarder år tidigare, det vill säga en kort tid efter stora smällen för 13,8 miljarder år sedan.

Både i USA och Europa satsar astrofysikerna på att ha nya detektorer klara i mitten av 2030-talet. I USA är planen att tiodubbla känsligheten med detektorn Cosmic Explorer. Det ska ske genom att ge den 40 kilometer långa armar, helt enkelt för att det finns ett direkt samband mellan armarnas längd och hur svaga gravitationsvågor detektorn kan registrera.

Uppgiften blir en ingenjörsmässig utmaning, eftersom armarna måste vara spikraka. Eftersom jordens yta är krökt måste armarnas ändar vila på 30 meter höga pelare ifall vinkeln i L:et byggs i markhöjd. Forskarna hoppas därför hitta en skålformad dal som minskar behovet av höga pelare längs kilometerlånga sträckor.

Europas detektor blir trekantig

Cosmic Explorer finns än så länge bara på ritbordet, men Europa ligger längre fram med utformningen av Einstein Telescope, som tekniskt sett blir betydligt mer nyskapande. Den europeiska detektorn ska inte formas som ett L, utan som en liksidig triangel, där varje sida är tio kilometer lång.

Från varje hörn av trekanten kan det avfyras laserpulser åt två håll, vilket innebär att detektorn inte bara har en, utan tre interferometrar – eller faktiskt fem, eftersom forskarna planerar att lägga till ytterligare två, som använder laserpulser av andra våglängder.

Komplexet ska byggas 200–300 meter under marken, där störningar från skakningar är 100 gånger svagare än på ytan. Samtidigt ska speglarna kylas ner till endast 10–20 grader över absoluta nollpunkten, allt för att minimera de vibrationer som små temperaturväxlingar annars kan ge upphov till.

Den ultimata stötdämpningen gör Einstein Telescope känsligare än Cosmic Explorer, trots att armarna är kortare. Fysikerna räknar med att den europeiska detektorn varje år kommer att upptäcka närmare en miljon kollisioner mellan svarta hål, som har inträffat under nästan hela universums livslängd.

Två platser konkurrerar om att hysa vidundret. Den ena är staden Vaals, som ligger mellan Maastricht i Nederländerna och Liège i Belgien, medan den andra är Sardinien. Platsen kommer att väljas år 2024 och arbetet med att borra tunnlarna påbörjas år 2026. Om allt går planenligt kan forskarna börja göra sina observationer år 2035.

På jakt efter de första svarta hålen

Einstein Telescope kommer att kunna se in i universums mörka barndom, 100 miljoner år efter stora smällen, då de första stjärnorna ännu inte hade börjat lysa.

Om svarta hål kolliderade med varandra redan då skulle det bevisa att enorma mängder svarta hål bildades strax efter stora smällen, vilket nya teorier har förutsett. I så fall kommer de ursprungliga svarta hålen att ge oss lösningen på två av kosmologins största gåtor.

Den första gåtan är den förvånansvärt tidiga bildningen av gigantiska supertunga svarta hål i hjärtat av de första stora galaxerna. Astronomerna har nyligen upptäckt gaser kring ett svart hål med en massa som motsvarar 800 miljoner gånger solens.

Det svarta hålet ligger så långt bort att det har tagit strålningen från gaserna över 13 miljarder år att nå fram till oss. Det innebär att det svarta hålet måste ha uppstått redan 690 miljoner år efter stora smällen, vilket har satt den klassiska modellen för de supertunga svarta hålens ursprung ur spel.

Teorin går ut på att de förstfödda jättestjärnorna exploderade som supernovor när universum var 250–350 miljoner år gammalt. Explosionerna lämnade efter sig svarta hål med upp till 100 solmassor, som senare kolliderade, smälte samman, åt gas och växte sig stora. Problemet är bara att denna typ av tillväxt är för långsam för att förklara det tidiga supertunga hålet.

Situationen är annorlunda om universum redan från början innehöll svarta hål med massor från mindre än en solmassa och upp till 10 000 solmassor. Då skulle de ursprungliga svarta hålen ha haft tillräckligt med tid för att växa till de supertunga monster som astronomerna i dag ser i de äldsta galaxernas hjärta. Men det förutsätter alltså att de ursprungliga svarta hålen uppstod innan de första stjärnorna föddes.

Den nya teorin om de ursprungliga svarta hålen öppnar även för möjligheten att vissa av dem fortfarande existerar fritt i rymden och utgör den okända mörka materia i galaxerna som forskarna i årtionden har försökt identifiera.

Universums mörka materia har en massa som är fyra–fem gånger större än massan i alla stjärnor, planeter, gaser och damm tillsammans, det vill säga all synlig materia i universum. Vi kan inte se den mörka materien, eftersom den inte avger någon strålning, men vi ser att den påverkar den synliga materien med sin gravitation.

Utan en rejäl andel mörk materia i galaxerna skulle de helt enkelt inte hålla ihop. Rotationen i galaxerna skulle då snabbt slunga ut de yttersta stjärnorna i rymden i alla riktningar.

VIDEO: Upplev Einstein Telescope inifrån

En förklaring av vad den mörka materien består av skulle därför samtidigt säga oss hur det över huvud taget kan finnas galaxer i universum. Om den mörka materien är små och medelstora svarta hål som från början har fungerat som samlande frön till galaxerna, skulle Einstein Telescope kunna upptäcka dem genom att registrera gravitationsvågor från tidiga kollisioner mellan dem.

Detektor blir större än jorden

Till och med Einstein Telescope kommer emellertid att ha sina begränsningar. Observationer av kollisioner mellan supertunga svarta hål med flera miljoner eller miljarder solmassor är omöjliga. Det gäller även alla andra jordbaserade detektorer.

Anledningen till det är att gravitationsvågorna från de allra största kollisionerna i universum har våglängder som är längre än jordens diameter. Därför måste vi bege oss ut i rymden för att kunna registrera dem. Just det är målet med ESA:s bud på framtidens gravitationsvågsdetektor, Laser Interferometer Space Antenna, förkortat Lisa.

Detektorn ska bestå av tre satelliter som skickar laserpulser mellan varandra. Liksom i Einstein Telescope ska de bilda en liksidig triangel, men med sidor som är hela fem miljoner kilometer långa. Tanken är att Lisa ska sändas upp år 2034 och göra det möjligt för forskarna att blicka tillbaka till en tid då de första supertunga hålen bildades och följa deras kollisioner fram till i dag.

Observationerna kommer att visa hur supertunga hål under galaxkollisioner först kretsar runt varandra för att slutligen kollidera. På så vis kan astronomerna bland annat lära sig mer om hur kollisioner mellan dessa tungviktare påverkar fördelningen av stjärnor i galaxerna och leder till ny stjärnbildning.

Med Einstein Telescope och Lisa kan forskarna få djupa insikter i galaxernas bildning och utveckling. Men inte nog med det. Detektorerna kommer även att avslöja kosmologins allra största mysterium: den mörka energin.

Vågor visar universums växtvärk

Även om vi får veta vad den mörka materien består av, återstår fortfarande över två tredjedelar av universums innehåll att redogöra för. Tillsammans utgör den mörka och den vanliga materien bara 32 procent. De återstående 68 procenten är den mörka energin, som gör att universum utvidgas.

Den mörka energin har under hela universums historia gått en brottningsmatch mot gravitationen, som försöker dra universums galaxhopar mot varandra. För fem–sex miljarder år sedan fick den mörka energin övertaget, accelererade universums utvidgning och slungade galaxhoparna bort från varandra.

Vad den mörka energin består av och varför dess effekt har tilltagit med tiden vet kosmologerna fortfarande inte. En förutsättning för att ta reda på det är noggranna mätningar av rymdens utvidgnings hastighet under hela universums historia, och även det kan de nya gravitationsvågsdetektorerna hjälpa oss med.

Gravitationsvågor rullar genom rymden i exakt ljusets hastighet och deras styrka minskar proportionellt med avståndet. Dessa två egenskaper gör dem till en måttstock som forskarna kan använda sig av för att beräkna avståndet till vågornas ursprung.

Så snart de har lokaliserat från vilken galax gravitationsvågorna kommer är det en smal sak att mäta ljuset från galaxen och se hur mycket ljusvågorna har förlängts på vägen till oss på grund av universums utvidgning. Tillsammans visar siffrorna hur mycket universum har utvidgats sedan de två svarta hålen som gav upphov till gravitationsvågorna kolliderade.

Tusentals eller kanske miljontals sådana mätningar kommer att berätta den detaljerade historien om universums växtvärk sedan tidernas begynnelse – vilket kommer att öppna för nya möjligheter att ta reda på vad den mörka energin är och hur den fungerar.

Om det lyckas kommer de nya gravitationsvågsdetektorerna att innebära ett genombrott i astronomin och kosmologin som kan jämföras med den revolution som Galileo Galilei startade när han för över 400 år sedan för första gången satte sin kikare till ögat.