Jakten på gravitasjonsbølger

Sigurd Kirkevold Næss disputerer for phd.-graden om statistiske metoder og søken etter gravitasjonsbølger i det tidlige univers.

QUIET-teleskopet, på Llano de Chajnantor Observatory in Atacama, Chile. Bilde: Joe Zuntz.

Disputas ved Institutt for teoretisk astrofysikk

Det er disputasdag ved instituttet. Noen av de ansatte har litt strammere antrekk enn vanlig. Blomster og vannflasker settes frem, og man kan kjenne at stemningen i Svein Rosselands hus er litt spent. Institutt for teoretisk astrofysikk er lite nok til at folk kjenner hverandre, og det er ikke flere disputaser i året enn at man prøver å komme på alle. I dag er det Sigurd Kirkevold Næss som skal i ilden. Han har vært phd-stipendiat i kosmologigruppen de siste fire årene. Avhandlingen hans handler om jakten på gravitasjonsbølger i det tidlige univers.

Sigurd Kirkevold NæassSigurd Kirkevold Næss. Foto: UiO.

Tid og rom i relativitetsteorien

Gravitasjonsbølger er en teoretisk mulig konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori. Relativitetsteorien forteller hvordan massekonsentrasjoner i universet (for eksempel planeter, stjerner og galakser) får den firedimensjonale romtiden til å krumme seg. Dette er umulig å se for seg visuelt, men skalerer vi det hele ned en dimensjon kan vi tenke oss romtiden som et nett og at materieklumpene ligger som baller i nettet. Der ballene ligger, blir nettet trukket nedover i en fordypning. Det vil altså si at rommet (nettet) krummes på grunn av materiens tilstedeværelse.

Romtidens krumningTredminensjonal analogi av romtiden som krummer seg rundt et massivt objekt. Bilde: Wikipedia.

Gravitasjonsbølger

Gravitasjonsbølger er en slags krusninger i denne krumningen av romtiden, krusninger som dukker opp når et massivt objekt aksellereres. Krusningene beveger seg utover fra kilden som en bølge.

Gravitasjonsbølger er aldri blitt observert direkte. Noe av årsaken til at det er så vanskelig å oppdage dem er at hvis ikke signalet skal være altfor svakt til å kunne oppdages må det massive objektet som aksellereres ha svært stor masse, som for eksempel en tung stjerne.

Indirekte deteksjon

Selv om ingen har sett en gravitasjonsbølge direkte, har det blitt funnet indirekte bevis på at de finnes. Pulsarer er magnetiske, roterende nøytronstjerner. Noen ganger opptrer pulsarer i par, og hos disse er det gjort målinger på banebevegelsene som blir akkurat det man skulle forvente utifra energitap via gravitasjonsbølger.

En pulsar - animasjonsbildeStillbilde fra animasjon av en pulsar. Bilde: NASA.

Å se mot universets begynnelse

Gravitasjonsbølger er veldig interessante for kosmologer som ønsker å studere det tidlige universet. Big Bang-teorien sier at universet i begynnelsen var veldig tett og varmt, og at det etter hvert utvidet seg og kjølnet.

I konvensjonell forstand er det umulig å se lenger tilbake i tid enn omtrent 380 000 år etter universets begynnelse. Det vi ser ved dette tidspunktet kalles den siste spredningsflate. Før dette tidspunktet var universet fyllt av ionisert gass som ikke lot lyspartiklene slippe gjennom: universet var ugjennomsiktig. Gravitasjonsbølger vil derimot kunne passere uhindret gjennom den ioniserte gassen. Hvis vi klarer å observere gravitasjonsbølger fra det tidlige univers direkte, vil vi altså kunne finne ut mye om hvordan forholdene var i dette mystiske tidsrommet.

Universet som detektor

Dessverre er disse bølgene praktisk talt umulige å måle direkte fra Jorden, rett og slett fordi detektorene våre er alt for små i forhold til størrelsen på bølgene. For å komme rundt dette problemet har Sigurd Næss og hans samarbeidspartnere brukt universet selv som detektor: Når bølgene passerer gjennom den ioniserte gassen i det tidlige universet forstyrrer de den, og disse forstyrrelsene kan i teorien observeres som et karakteristisk mønster på den siste spredningsflaten.

Universets historieUtvidelsen av universet fra start (til venstre) for 13.7 milliarder år siden og frem til i dag (til høyre). Siste spredningsflate vises i grønt og blått ved t = 380 000 år. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: NASA/WMAP.

Inflasjon

Teorier om universets opprinnelse forutsier at gravitasjonsbølger skal finnes i det tidlige univers, men de har foreløpig ikke blitt observert, til tross for mye arbeid så langt. Bølgene stammer fra den såkalte inflasjonen, som er navnet på en ekstrem periode i universets historie, da universet bare var en brøkdel av et sekund gammelt. I den korte inflasjonsperioden utvidet universet seg eksponensielt og mangedoblet dermed størrelse og volum. Deretter fortsatte universet å utvide seg, men ikke lenger så fort. Den ekstreme inflasjonsperioden bør teoretisk sett ha gitt opphav til gravitasjonsbølger, og effekten av disse bølgene vil kunne observeres i signalet fra den siste spredningsflaten.

– Det vi først og fremst leter etter, er polarisasjon i lyset fra den siste spredningsflate, forklarer Sigurd. – Inflasjonsteorien forutsier at lyset fra siste spredningsflate vil være polarisert på en spesiell måte, til såkalte B-moder. Hvis dette viser seg å stemme, vil det være en styrking av inflasjonsteorien.

QUIET-eksperimentet

The Q/U Imaging ExperimenT (QUIET) er et mikrobølgeteleskop i Atacama-ørkenen i Chile. Eksperimentet har om lag 50 medlemmer spredt over USA, Japan, UK, Norge, Chile, Tyskland, Nederland, Canada og Sør-Afrika. I juli 2012 ble målet i pilotfasen i prosjektet nådd. QUIET bruker en ny generasjon av detektorer for å lete etter tegn til gravitasjonsbølger i lyset fra det tidlige univers. Sigurd K. Næss utgjør en tredel av den norske QUIET-gruppen og arbeider sammen med førsteamanuensis ved ITA Hans Kristian Eriksen og Ingunn Wehus.

Observerte i ørkenen

I to måneder var Sigurd selv i Chile og observerte med QUIET. Teleskopet er plassert på over 5000 moh. i verdens tørreste ørken, noe som gjør dette til en av de mer eksotiske arbeidsplassene i verden. Landskapet minner mest om bilder vi ser fra Mars, og den tynne lufta gjør at oksygenflaske er påbudt utstyr.

Atacama-ørkenenAtacama-ørkenen. Bilde: Sigurd Kirkevold Næss.

I avhandlingen beskriver Sigurd Næss dataanalysen og resultatene til QUIET-eksperimentet. Dette inkluderer den grundigste datakvalitetskontrollen som er publisert for denne typen eksperiment. – Vi finner ingen tegn til gravitasjonsbølger, sier Sigurd, og fortsetter:

– Mangelen på deteksjon er ikke i konflikt med teorien som forutsier at bølgene skal være der, men den setter en øvre grense på hvor kraftige de kan være.

Fant ingenting veldig nøyaktig

Selv om ingen gravitasjonsbølger ble funnet, fant QUIET-gruppen i Oslo spor etter forstyrrende signaler fra vår egen galakse. Lys fra vår galakse kan altså forveksles med signalet fra gravitasjonsbølger. For å unngå falske deteksjoner av gravitasjonsbølger vil fremtidige eksperimenter med høyere sensitivitet derfor trenge gode modeller av galaksen for å kunne skille denne fra gravitasjonsbølgesignalet.

– Ting som er mellom oss og siste spredningsflate kaller vi «forgrunner», sier Sigurd.

– Dette er ting som er i veien for signalet vi leter etter. Problemet med galaksen vår er at den kan se ut som et gravitasjonsbølgesignal uten at den egentlig er det, og signalet fra galaksen kan godt være mye sterkere enn gravitasjonsbølgesignalet.

Videre forklarer Sigurd mer nøyaktig hva slags stråling fra vår galakse det er som forstyrrer for gravitasjonsbølgeobservasjonene:

– De viktigste forgrunnene for oss er nok synkrotronstråling (stråling fra supernovaelektroner som er fanget i galaksens magnetfelt) og vibrerende støvpartikler. For å skille disse fra lyset fra siste spredningsflate trenger vi observasjoner på mange forskjellige frekvenser, siden disse har forskjellig frekvensavhengighet.

– QUIET har ikke funnet noe, men vi har ikke funnet noe veldig nøyaktig, avslutter han.

Neste stopp for Sigurd nå er en post doc ved University of Oxford.

Av Sigurd Kirkevold Næss og Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 11. sep. 2012 13:37 - Sist endret 13. sep. 2012 10:34