Att mäta avstånd i rymden är inte lika lätt som på jorden. I över 200 år har astronomer byggt upp vad som kallas den kosmiska avståndsstegen. Varje steg gör det möjligt att mäta längre bort i universum och används sedan för att kalibrera nästa steg i stegen. Dessa steg använder sig alla av ljus, men på senare år har ett helt nytt sätt att mäta avstånd blivit möjligt: gravitationsvågor.
När astronomen Friedrich Bessel på 1800-talet lyckades bestämma avståndet till stjärnan 61 Cygni genom att mäta dess parallax togs det första steget. Han noterade stjärnans position på natthimlen flera gånger under året för att se hur den förflyttade sig i förhållande till bakgrundsstjärnorna. Förflyttningen kunde han sedan använda för att räkna ut avståndet till stjärnan; ju mindre förflyttningen var, desto längre bort låg den.
I modern tid har rymdteleskopet Gaia med hjälp av parallaxmetoden mätt positioner och avstånd till över en miljard stjärnor upp till några tusen ljusår bort. Men för de allra mest avlägsna och svaga stjärnorna i vår galax blir parallaxen för liten för att mäta. Då behövs ytterligare ett steg i stegen.
Standardljus
När ljus färdas genom rymden blir det svagare ju längre det färdas eftersom det sprids ut över en större yta. Om vi vet hur mycket ljus ett objekt faktiskt sänder ut kan vi jämföra det med hur ljust det ser ut från jorden och på så sätt mäta avståndet till objektet. Objekt vars ljusstyrka vi känner till kallas standardljus.
Ett exempel på dessa är cepheider, stjärnor vars ljusstyrka varierar regelbundet. Genom att mäta tiden mellan variationerna går det att räkna ut hur ljusstark stjärnan egentligen är. Cepheider kan därför användas för att mäta avstånd till närliggande galaxer.
För ännu större avstånd används bland annat supernovor av typ Ia. Dessa explosioner har egenskaper som gör att deras verkliga ljusstyrka kan uppskattas mycket noggrant. Eftersom de dessutom är extremt ljusstarka kan de användas för att mäta stora avstånd i universum. Genom att först kalibrera ljusstyrkan från närliggande supernovor kan de i sin tur användas för att mäta ännu större avstånd.
Det är just därför man talar om en avståndsstege. Parallax används för att kalibrera närliggande standardljus som sedan kan kalibrera objekt som ses längre bort. Men konstruktionen har också en svaghet: om det finns osäkerheter i de första stegen så tas de vidare till de senare stegen. Tänk om vi istället kunde mäta avstånd utan att vara beroende av ljus?
När ljus inte behövs
Två kompakta objekt, till exempel svarta hål, neutronstjärnor eller vita dvärgar, som kretsar runt varandra skapar gravitationsvågor: vågor i själva rumtiden som färdas med ljusets hastighet genom universum. Vågornas egenskaper bestäms av systemet som skapade dem; massorna, omloppsbanan och hur snabbt objekten kretsar runt varandra påverkar signalens form. Samtidigt blir signalen svagare desto längre den färdas genom universum. Genom att mäta gravitationsvågornas form och styrka går det därför att uppskatta avståndet till källan. Källor som används för detta kallas standardsirener.
Det finns dock nackdelar med den här metoden; både avståndet och orienteringen mellan systemet och teleskopet påverkar signalen och det kan därför vara svårt att säga vad som bestämmer vågens styrka och form.
Ett exempel på detta är gravitationsvågen GW170817 från 2017, då detektorerna Ligo i USA och Virgo i Italien mätte gravitationsvågor från två neutronstjärnor som kolliderade. Bara några sekunder senare upptäckte teleskop en gammablixt från samma del av himlen, och strax därefter även i vanligt ljus. Det var första gången samma astronomiska händelse observerades både med gravitationsvågor och ljus, vilket gjorde det möjligt att jämföra de två avståndsmätningarna med varandra. Källan visade sig ligga omkring 130 miljoner ljusår bort, och även här bidrog den okända orienteringen till en viss osäkerhet i mätningen. Men hur mäter man egentligen en gravitationsvåg?
Ligo och Virgo mäter gravitationsvågor med hjälp av laserstrålar mellan speglar som befinner sig långt ifrån varandra. När en gravitationsvåg passerar ändras avståndet mellan speglarna med en ytterst liten mängd, omkring tusen gånger mindre än protons diameter, vilket går att mäta när man jämför laserstrålarnas längd.
Lisa ska lyssna på Vintergatan
Nästa stora satsning för att mäta gravitationsvågor är observatoriet Lisa, som planeras att skickas ut i rymden av Esa under 2030-talet. Med hjälp av tre farkoster placerade 2,5 miljoner kilometer från varandra i en triangelformation ska Lisa mäta gravitationsvågor med mycket lägre frekvens än vad som är möjligt från marken.
En av de gravitationsvågskällor som Lisa förväntas upptäcka är par av vita dvärgar. När dessa döda stjärnor kretsar kring varandra skickar de ut gravitationsvågor kontinuerligt under flera år vilket gör det möjligt att mäta samma system flera gånger. Eftersom Lisa kommer att färdas runt solen ändras både dess position och orientering under året. En långvarig signal kommer därför att registreras från flera olika perspektiv, vilket gör det möjligt att bestämma var på himlen källan finns.
Signalerna från vita dvärgar är generellt svagare än de från svarta hål och neutronstjärnor. Å andra sidan finns det många fler vita dvärgar i vår galax. Lisa väntas därför kunna använda dessa system för att mäta avstånd inom Vintergatan.
En andra kosmisk avståndsstege
Gravitationsvågor kommer knappast ersätta andra avståndsmätningar. Deras största styrka ligger istället i att de bygger på helt annan fysik och kan därför användas för att kalibrera andra metoder.
Under århundraden har vi kartlagt universum genom att mäta hur mycket ljus som når oss. Inom en snar framtid kommer vi också kunna använda gravitationsvågor för att utforska rymden runt om oss. Den kosmiska avståndsstegen kommer inte bara få ytterligare ett steg. Istället byggs en ny stege vid sidan om den gamla. Med hjälp av gravitationsvågor istället för ljus.
Gästartikel av forskaren Lucas Hellström. Lucas Hellström är från Skåne och doktorerar vid Nicolaus Copernicus Astronomical Center i Warszawa. I januari försvarar han sin avhandling om vita dvärgar i klotformiga stjärnhopar.
