I de fleste tilfeller er det ikke så vanskelig å oppdage virkningene av tyngdekraften. Skydiver suser mot bakken i det øyeblikket de trer ut av et fly, og takket være romteleskoper kan du se lys bli forvrengt til fantastiske ringer av massive grupperinger av galakser. Men det har vist seg spesielt vanskelig å oppdage gravitasjonsbølger, krusninger i romtid utløst av en kraftig kosmisk hendelse.
Relatert innhold
- Disse romslige behandlene inkluderer et galaktisk smilefjes og en interstellar rose
- Vi har ikke oppdaget gravitasjonsbølger (ennå)
De fleste forsøk hittil har sett etter hvordan rom-tid krusninger forventes å påvirke lys og materie. Nå tror forskere i USA og Israel at vi kunne finne bølgene raskere og billigere hvis vi ser etter deres effekter på tid i stedet for plass.
Jakten på gravitasjonsbølger har pågått siden 1916, da Albert Einstein spådde at de skulle eksistere som en del av hans generelle relativitetsteori. Han sa at romtid er som et stoff, og det vi opplever som tyngdekraft er en krumning i det stoffet forårsaket av massive gjenstander. Som en bowlingball hengt opp i et teppe, for eksempel, krøller den enorme planeten Jorden rom-tid rundt den.
Teorien antyder også at når veldig massive gjenstander som sorte hull smelter sammen, vil gravitasjonseksplosjonen sende krusninger som forplanter seg utover i rom-tid. Å oppdage dem ville ikke bare fortsette å validere Einsteins teori, det ville åpne et nytt vindu på universet, fordi forskere kunne bruke gravitasjonsbølger for å undersøke ellers usynlige hendelser over hele kosmos. Men bevis på gravitasjonsbølger har vært unnvikende, i stor grad fordi bølgene vokser svakere jo lenger de ferdes, og mange gravitasjonsbølgekilder finnes i utkanten av universet, milliarder av lysår unna.
I fjor hevdet et eksperiment kalt BICEP2 å ha oppdaget de svake signalene assosiert med en type urskapsgravitasjonsbølge, produsert av en plutselig vekstspurt i det tidlige universet. Påstanden var imidlertid for tidlig, da senere analyser reduserte tilliten til at BICEP2-teamet så noe mer enn å virvle støv i Melkeveien.
Det europeiske romfartsorganets planlagte eLISA-observatorium, som skal lanseres i 2034, er designet for å oppdage en annen type bølge: millihertz-rekkevidde, eller lavfrekvente, gravitasjonsbølger generert ved sammenslåing av supermassive sorte hullpar. Forskere har oppdaget supermassive sorte hull i sentrum av mange store galakser, inkludert våre egne. Koalescensen av to slike galakser er spådd å avgi gravitasjonsbølger som kan forplante seg over hele universet. For å finne dem, vil eLISA bruke lasere for å måle ørsmå endringer i avstanden til en romfartøyflåte som skal skje når en gravitasjonsbølge går forbi.
Avi Loeb ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og Dani Maoz ved Tel Aviv University påpeker i en ny artikkel at de nylige fremskritt innen tidtaking kan gjøre det mulig for atomur å oppdage gravitasjonsbølger raskere og billigere enn eLISA. De skisserer et forslag til en rekke atomklokker som er stasjonert på forskjellige punkter rundt solen som kan oppdage et fenomen som kalles tidsutvidelse, når gravitasjonseffekter kan føre til at tiden går tregere.
I likhet med eLISA krever planen deres også romfartøy som flyr i formasjon og kommuniserer ved hjelp av lasere. Men i stedet for å videresende informasjon om endringer i avstand, vil laserne holde oversikt over små uoverensstemmelser i tidtaking mellom synkroniserte atomklokker installert ombord i romfartøyet.
De forutsagte tidsmessige endringene er små: "Vi snakker om en del av en million billioner i presisjon for timing, " sier Loeb. "For å oppdage den slags forandringer, trenger du en klokke som verken vil vinne eller tape bare en tidel av et sekund selv om den skulle fungere i 4, 5 milliarder år, eller hele jordens alder."
Inntil nylig var denne typen nøyaktighet utenfor muligheten for atomur som bruker elementet cesium, som er grunnlaget for den nåværende internasjonale standarden for tidtaking. Men i begynnelsen av 2014 avduket fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) en eksperimentell “optisk gitter” atomklokke som satte nye verdensrekorder for både presisjon og stabilitet. Disse klokkene opererer med optiske frekvenser og gir så større nøyaktighet enn atomisium-klokker, som er avhengige av mikrobølger for å holde tiden.
I teorien kan optiske atomklokker gi den presisjon som er nødvendig for å oppdage de små tidsskiftene som er forutsagt fra gravitasjonsbølger. Loeb og Maoz hevder at utformingen av dem ville være enklere og kunne oppnås for mindre kostnader, fordi det vil kreve mindre kraftige lasere enn eLISA. Atomklokker med lavere presisjon brukes allerede på GPS-satellitter, så Loeb mener det burde være mulig å sende den nye generasjonen atomklokker til verdensrommet.
To romskip plassert i riktig avstand fra hverandre kunne føle både toppen og rennen til en passerende gravitasjonsbølge. (Loeb et al., Arxiv.org) Det beste oppsettet ville være et par atomklokker installert på tvilling romfartøy som deler jordens bane rundt solen. Et hovedfartøy vil også være i bane for å koordinere signalene fra klokkene. Det klokkebærende fartøyet bør skilles med cirka 93 millioner miles - omtrent avstanden mellom Jorden og solen, eller en astronomisk enhet (AU).
"Det er et fint tilfeldighet, fordi en AU tilfeldigvis er omtrent lik en halv bølgelengde for en [lavfrekvent] gravitasjonsbølge, som den typen forskere mener sammenslåing av supermassive sorte hull slipper ut, " sier Loeb. Med andre ord, det ville være nøyaktig den rette avstanden for å føle både toppen og rennen til en gravitasjonsbølge som passerer gjennom solsystemet, slik at atomur som er plassert på disse to punktene, vil oppleve de største tidsutvidelseseffektene.
Foreløpig er ikke et slikt oppdrag på en arbeidsbenk eller et budsjettforslag for romfartsorganisasjoner. Men Loeb håper ideen vil utløse en mer nøye studie av eLISA-alternativer. ELISA-prosjektet "tjente på flere tiår med diskusjon, så vi bør la dette alternative designet studeres minst noen måneder før vi avfeier det."
Loeb legger til at det er mange praktiske bruksområder fra å ha mer presise atomklokker i rommet, for eksempel bedre GPS-nøyaktighet og forbedret kommunikasjon. Han tror de første optiske gitterklokkene kunne lanseres av bedrifter for kommersielle formål, snarere enn av offentlige etater. "Hvis det skjer, vil enhver vitenskap vi får ut av det være et biprodukt, " sier han.
Jun Ye, en fysiker ved University of Colorado og en NIST-stipendiat, sier Loeb og Maoz sitt forslag “åpner en ny intellektuell front” om bruk av optiske atomklokker for å teste grunnleggende fysikk, inkludert søket etter gravitasjonsbølger. "Jeg er optimistisk med tanke på ytterligere forbedring av optiske klokker og deres eventuelle bruk i slike applikasjoner, " sier Ye.
