Sjá meira en það sýnilega með þyngdarbylgjum

Í raun var það klikkað hvernig mönnum tókst að greina þyngdarbylgjur sem Albert Einstein spáði fyrir um að gengju um alheiminn fyrir heilli öld. Þetta sagði ítalski eðlisfræðingurinn Eugenio Coccia þegar hann kynnti uppgötvun þyngdarbylgna sem hann tók þátt í á fundi íslenskra vísindafélaga á fimmtudag.

Þrír bandarískir eðlisfræðingar hlutu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði í fyrra fyrir þátt þeirra í að mönnum tókst að nema þyngdarbylgjur í fyrsta skipti árið 2015. Vísindamenn við LIGO, stærsta rannsóknarverkefni heims á sviði þyngdarbylgna, mældu þá þyngdarbylgjur frá samruna tveggja svarthola.

Vísindafélag Íslendinga hefur undanfarin ár staðið fyrir svonefndum Nóbelfyrirlestrum þar sem íslenskir fræðimenn hafa kynnt þær uppgötvanir sem Nóbelsverðlaun voru veitt fyrir hverju sinni. Að þessu sinn varð sú nýlunda að einn þátttakenda í LIGO-verkefninu, prófessor Coccia, kynnti þyngdarbylgjur fyrir fullum sal áhugasamra Íslendinga í Háskólanum í Reykjavík.

Sturlað að tekist hafi að nema bylgjurnar

Coccia er prófessor í eðlisfræði og rektor Gran Sasso-vísindastofnunarinnar í L‘Aquila á Ítalíu. Hann er sérfræðingur í þyngdarbylgjum og hefur rannsakað þær um áratugaskeið.

Þyngdarbylgjur eru nokkurs konar gárur í tímarúminu sem teygja það og toga. Þær myndast við samspil gríðarlega massamikilla fyrirbæra eins og svarthola eða nifteindastjarna sem renna saman. Einstein spáði fyrir um tilvist þeirra fyrir hundrað árum en ímyndaði sér ekki að nokkru sinni yrði hægt að nema þær.

Ástæðan er sú að áhrif bylgnanna á jörðina eru hverfandi. Þannig teygja þær tímarúmið um einn milljarðasta úr einum milljarðasta hluta úr metra. Það er minna en þvermál kjarna frumeindar. Því þarf ekki að undra að það tók vísindamenn meira en hálfa öld að þróa mælitæki sem voru nægilega nákvæm til að greina þyngdarbylgjur.

„Það virðist sturlað. Það var í raun klikkað að við gátum gert þetta,“ sagði Coccia.

Slógu tvær flugur í einu höggi

Fram að uppgötvun þyngdarbylgnanna höfðu stjörnufræðingar aðeins þurft að reiða sig á rafsegulbylgjur, sýnilegt ljós og aðrar bylgjulengdir þess, til að rannsaka alheiminn. Þær gátu þó lítið hjálpað við að afla upplýsinga um dimm fyrirbæri eins og svarthol og nifteindastjörnur sem gefa frá sér ekkert eða takmarkað ljós. Svarthol sveigja tímarúmið svo mikið að jafnvel ljós getur ekki sloppið úr þyngdarbrunni þeirra.

Þegar mönnum tókst að nema þyngdarbylgjur öðluðust þeir aftur á móti leið til að „hlusta“ eftir þessum fyrirbærum. Þó að lögmál eðlisfræðinnar hefðu lengi sagt stjarneðlisfræðingum að svarthol væru til voru þyngdarbylgjurnar sem voru mældar árið 2015 fyrstu beinu merkin um tilvist þeirra.

„Með þessum getum við þekkt dökk fyrirbæri sem geta ekki gefið frá sér ljóseindir eins og svarthol. Við getum skilið nifteindastjörnur, í raun hvar sem miklir massar hreyfa sig, þar eru uppsprettur þyngdarbylgna,“ sagði Ítalinn.

Coccia lagði áherslu á mikilvægi þess að geta staðsett uppsprettur þyngdarbylgna nákvæmlega. Í fyrstu þegar aðeins voru tvær athugunarstöðvar í Bandaríkjunum hafi aðeins verið hægt að áætla á hvaða svæði á himninum þær bárust. Þegar þriðja stöðin, VIRGO á Ítalíu, bættist í hópinn í fyrra hafi verið hægt að þrengja hringinn.

Þegar það hefur tekist geta vísindamenn beint hefðbundnum sjónaukum sem nema rafsegulbylgjur, sýnilegt ljós, innrauða geisla, útvarpsbylgjur og fleiri afkima rafsegulsviðsins, að uppsprettunum.

Gull á við tíu jarðir

Með þessum hætti tókst stjörnufræðingum að leysa tvær ráðgátur í einu í ágúst í fyrra. Þegar þyngdarbylgjur frá samruna tveggja nifteindastjarna sem gaf frá sér alls kyns ljósbylgjur bárust til jarðar gátu bandarísk gervitungl beint sjónum sínum að uppsprettu þeirra. Kom þá í ljós að slíkir árekstrar voru uppspretta svonefndra gammablossa, gríðarlega orkumikilla sprenginga.

Einnig kom þá í ljós að samrunar ofurþéttra fyrirbæra af þessu tagi væru uppspretta þyngri frumefna eins og gulls, platínu og úrans sem eðlisfræðingar vissu að gætu ekki myndast í kjarna sólstjarna eins og járn og léttari frumefnin.

„Það var reiknað út að gullið sem myndaðist þarna var tífaldur massi jarðarinnar. Það tekur hins vegar hundrað milljónir ára að fara þangað ef þið viljið næla ykkur í það,“ sagði Coccia kíminn.

Komin með nýtt skilningarvit

Fyrstu rannsóknir með þyngdarbylgjum benda til þess að mun fleiri svarthol séu í alheiminum en vísindamenn reiknuðu með, að sögn Coccia. Sumir hafa jafnvel velt því fyrir sér hvort að þessi áður óþekkti fjöldi svarthola gæti verið svonefnt hulduefni, dularfullt efni sem stjarneðlisfræðingar telji að sé 85% af massa alheimsins en enginn hefur enn komið auga á.

Coccia segir að aðeins tíminn og frekari rannsóknir muni leiða sannleikann í ljós. Til þess hyggist menn byggja fleiri þyngdarbylgjumæla, svonefnda víxlunarnema, neðanjarðar og senda þá út í geim til að forðast truflanir sem geta skekkt mælingarnar.

Talað hefur verið um að þyngdarbylgjur marki upphaf nýs tímabils í stjörnufræði enda eru þær nýtt tæki til að rannsaka alheiminn. Líkti Coccia þeim við hljóðbylgjur frá fjarlægum hamförum.

„Við erum með nýtt skilningarvit. Nú sjáum við ekki bara heldur heyrum við líka í alheiminum,“ sagði Coccia.