Experimentet LIGO har äntligen upptäckt spår av gravitationsvågor, från två sammansmältande svarta hål.

[Artikeln har uppdaterats flera gånger sedan upptäckten tillkännagavs på eftermiddagen den 11 februari.]

Det är första gången som gravitationsvågor har direkt detekterats. Inte nog med det, det är första gången som ett sådant system över huvud taget har observerats, och ett av de tydligaste bevisen hittills att svarta hål finns på riktigt.

Att upptäckten gjordes så tydligt och så tidigt efter att LIGO uppgraderades öppnar upp för många framtida upptäckter, både från LIGO självt och de andra projekt – till exempel Europas Virgo, och radioastronomins Pulsar Timing Array och SKA – som har siktet inställt på gravitationsvågorna.

– LIGO är bara början för astronomi med gravitationsvågor, sa fysikern Kip Thorne, känd bland annat för sin roll som rådgivare till filmen Interstellar.

Kommentaren kom under presskonferensen den 11 februari i Washington, DC, USA, då upptäckten presenterades för första gången. Andra presskonferenser hölls samtidigt i Tyskland och Italien.

Forskningsresultaten publiceras i en artikel i den ansedda tidskriften Physical Review Letters. Läs artikeln hos tidskriften eller här hos LIGO. Artikeln är refereegranskad och inte det minsta preliminär. Med andra ord borde vi kunna lita på resultaten. Den släpps tillsammans med 12 andra artiklar som presenterar i detalj olika aspekter av instrumentet, metoderna och de nyupptäckta svarta hålen.

Signal från en fjärran galax

Den 14 september 2015, kl 09:50 lokaltid upptäcktes en tydlig signal av LIGO:s båda anläggningar i delstaterna Louisiana och Washington, separerade med sju millisekunder. Signalerna är exakt som man länge väntat sig av gravitationsvågor: ett karakteristiskt ”chirp”.

Bild: SXS
Sammansmältande svarta hål som de kan se ut från nära håll. Bild: SXS

Källan uppskattas ligger över en miljard ljusår bort, i en galax som inte kan lokaliseras med dagens teknik. Signalen stämmer väl överens med det man skulle vänta sig av två svarta hål, med massor på 36 respektive 29 gånger solens massa, som tillsammans bildar ett nytt svart hål med massa drygt 60 solmassor. Hela tre solmassor av energi – om man räknar om enligt Albert Einsteins mest berömda formel – strålades bort i form av gravitationsvågor, uppskattar forskarna.

Läs mer i pressmeddelandet från Caltech

Hör själv kännetecknet av sammansmältande svarta hål på en miljard ljusårs avstånd: mätningarna från LIGO omvandlade till ljud (video: LIGO)

Riktigt upprymd

Foto: Stockholms universitet
Stephan Rosswog (Foto: Stockholms universitet)

Direkt efter presskonferensen ringde vi upp en mycket glad Stephan Rosswog, professor vid Stockholms universitet som själv forskar om extrema dubbelstjärnor. Han kunde knappt sova natten innan, berättar han.

– Jag kan knappt tro det. Jag är riktigt, riktigt upprymd!

Efter decennier av förhoppningar och rykten som aldrig blev något var det inte självklart att det här skulle vara på riktigt. In i det sista trodde Stephan Rosswog att någon skulle öppna ett kuvert och avslöja att allt hade varit en övning, berättar han.

Nu kan vi vänta oss många nya upptäckter med LIGO och de andra gravitationsvågsexperiment, tror han. Upptäckten gjordes redan innan instrumentet nått upp till full kapacitet, och visar att LIGO kan upptäcka källor på stora avstånd.

– Överraskningar är så gott som garanterade. Det kan finnas saker därute som vi aldrig tänkt på att de skulle finnas, säger han.

För Rosswog är det spännande att vi för första gången få tydliga tecken på att dubbla svarta hål finns i verkligheten. Sådana system är annars i stort sett omöjliga att upptäcka, berättar han. Även om många har trott på att de finns är det ändå något speciellt med handfasta bevis, menar han.

– Det finns ändå en stor skillnad mellan att tänka att något är mycket möjligt – och att verkligen se att det finns, säger han.

Framöver hoppas han dessutom att gravitationsvågor kan hjälpa lösa mysteriet om hur tunga grundämnen som plutonium och guld bildas i rymden (läs Stephans artikel i Populär Astronomi 2014/1 om Kosmos nya guldfabriker).

Början av en ny tid för astronomi 

Foto: University of Southampton
Nils Andersson (Foto: Southamptons universitet)

Nils Andersson, professor i tillämpad matematik och relativitetsexpert vid Southamptons universitet i England, är också på gott humör när Populär Astronomi når honom under fredagen. ”Första dagen i en ny era”, säger han. Med flera kollegor som är medförfattare på artikeln om upptäckten med LIGO visste han att något stort var på gång.

– Officiellt har de inte sagt något! skrattar han.

Det är ett ”otroligt genombrott” att ha klarat av mätningen efter så decennier av försök, tycker Nils Andersson. Att kunna mäta upp just ett svarta hål-pars sista sekunder, det är nästan för bra för att vara sant, menar han. De flesta som jobbar med gravitationsvågor hade satt pengar på att man skulle sett neutronstjärnor först, berättar han.

– För vi vet att sådana finns. Svarta hål-par visste vi inte att de fanns förrän igår. Det är ny astronomi, att till och med se svängningar av ett svart hål som bildats, säger han.

Liksom med upptäckten av Higgspartikeln vid CERN blir det knepigt att bekräfta observationerna med oberoende instrument, förklarar Nils Andersson. Forskarna vid LIGO och systeranläggningen Virgo i Italien delar teknik och metoder med varandra. Japanska KAGRA som är under uppbyggnad är annorlunda, med mer avancerad teknik. Men när fler instrument är i drift kommer blir det möjligt att spåra och följa upp nya källor till gravitationsvågor.

Nils Andersson ser fram emot många nya insikter när LIGO hunnit känna av fler källor, om hur många svarta hål det finns och hur de bildas, och kanske vad som händer med materian när en stjärna exploderar som en supernova.

– Nu när man sett en signal så vet man att det funkar. Vågorna finns, man kan fånga upp dem, och dra slutsatser om astronomi.

Vad tycker han om den nysläppta rapporten att rymdteleskopet Fermi såg tecken på en gammablixt nästan samtidigt som LIGO:s mätningar den 14 september (forskningsartikel hos NASA)? Det kan vara en slump, säger Nils Andersson, men är öppen för att motbevisas.

–  Det är min känsla. Diskussionen kan börja!

Einstein får rätt – igen

Gravitationsvågornas historia började för hundra år sedan som Einstein listade ut att det borde finnas vågor som far genom rymden, med ljusets hastighet. Som vattenvågor i tre dimensioner, eller som ljudvågor i luften, eller som ljuset självt när elektriska laddningar rör sig.

Idén föddes att kunna känna av vågorna med riktiga experiment. LIGO och de andra anläggningar runt om i världen byggdes för att mäta – med osannolik noggrannhet – hur färdvägen för en laserstråle krymper, och sträcker sig igen, när en gravitationsväg passerar.

Bild: T. Carnahan (NASA GSFC)
Ett sätt att tänka sig gravitationsvågor: Krusningar i rumtid runt ett dubbelt svart hål. Bild: T. Carnahan (NASA GSFC)

Gravitationsvågor alstras som mest där tunga himlakroppar roterar eller accelereras. Till exempel hos universums mest extrema dubbelstjärnor – små, tunga, supertäta kroppar som pulsarer eller svarta hål som snurrar runt varandra.

Sådana dubbelstjärnor skulle kretsa för evigt runt varandra – men de gör inte det, därför att de snurrande massorna skapar gravitationsvågor, energin försvinner med vågorna och så småningom snurrar kropparna in mot varandra och går samman i ett fyrverkeri av gravitationsvågor. Som instrument som LIGO – uppgraderad och nylanserad som Advanced LIGO – har nu känt av.

Första direkta beviset

Den nya upptäckten är den första direkta mätningen av gravitationsvågor. Fram tills nu har det bästa beviset på vågornas existens varit dubbelpulsaren PSR B1913+16, bara 21 000 ljusår bort på andra sidan Vintergatan. Pulsarernas banor krymper sakta på ett sätt som tyder på att de strålar bort gravitationsvågor – en upptäckt som kom redan 1974 och som gav Russell Hulse och Joseph Taylor Nobelpriset i fysik 1993.

År 2014 kom andra indirekta tecken på gravitationsvågor, denna gång från universums första bråkdelssekund. Men mätningarna, med teleskopet BICEP2 vid Sydpolen, senare visade sig inte vara tillförlitliga, och kosmos första allra gravitationsvågor väntar ännu på att påvisas.

Foto: Caltech/LIGO
LIGO-stationen i Livingston, Louisiana, USA. (Foto: Caltech/LIGO/MIT)

Mer om gravitationsvågor och LIGO: Ulf Danielssons ser fram emot ”århundradets upptäckt”, Anna Davour berättar på nytt historien om Hulse och Taylors dubbelpulsar, och DN intervjuar svenske LIGO-fysikern Carl-Johan Haster. Inför upptäckten bjöd Nature på bilderna som summerar gravitationsvågornas historia och Quanta på en intervju med LIGO-fysikern Gabriela Gonzalez. Sabine Hossenfelder samlade sina bästa gravitationsvågskunskaper på Backreaction, och på Universe Today redgjorde Markus Pössel för hur gravitationsvågor funkar (med animerad mask!), hur man detekterar gravitationsvågor och källorna till gravitationsvågor.