Gravitationsvågor – de osynliga krusningarna i rymden som förutspåtts av Albert Einstein – öppnar upp en ny era av astronomi som gör det möjligt för forskare att se delar av universum som en gång troddes vara osynliga, som svarta hål, mörk materia och teoretiska subatomära partiklar som kallas axioner.

Nästan 100 år efter att Einstein förutspådde deras existens som en del av sin allmänna relativitetsteori, gravitationsvågor upptäcktes först 2015 av forskare som arbetar på Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory (LIGO), ger dem Nobelpriset i fysik.

De svaga störningarna som det gigantiska instrumentet plockade upp skapades av två svarta hål som kraschade in i varandra 1,3 miljarder ljusår från jorden. När dessa två supertunga föremål kolliderade, de deformerade rum och tid.

"Deformationen fortplantar sig som krusningar på en sjö, " förklarade professor Paolo Pani, en teoretisk fysiker vid Sapienza-universitetet i Rom, Italien. "Det här är gravitationsvågor."

Alla föremål med massa kommer att skapa sitt eget lilla dopp i rymdtidens tyg, skapa det vi kallar gravitation. Men bara katastrofala händelser som involverar de tyngsta föremålen, som svarta hål och neutronstjärnor, kan skapa gravitationsvågor som är tillräckligt stora för att upptäckas på jorden. De strålar ut över universum med ljusets hastighet, passerar nästan allt i deras väg.

Men förmågan att upptäcka dessa vågor ger nu också astronomer nya sätt att se på universum. Prof. Pani leder DarkGRA-projektet i ett försök att använda gravitationsvågor för att undersöka några av universums största mysterier, inklusive tunga exotiska stjärnor, mörk materia och svarta hål själva.

Tidigare har astrofysiker tvingats sluta sig till förekomsten av svarta hål genom att titta på beteendet hos materialet runt dem. Tros vara de supertunga resterna av kollapsade stjärnor, gravitationen de producerar är så stor att inte ens ljus slipper ut. Allt som passerar gränsen för ett svart hål, känd som händelsehorisonten, stannar där.

"Det är därför vi inte kan se svarta hål, ", sade prof. Pani. "Istället ser vi en frånvaro av ljus från dem. Svarta hål är fortfarande ett stort mysterium."

Gravitationsvågor, dock, tillåter forskare som prof. Pani att se dem direkt. "De är en slags budbärare av rumtiden runt dessa objekt, utan att använda någon mellanprodukt, " han sa.

Genom att studera egenskaperna hos dessa vågor är det möjligt att få information om massan, rotation, radie och hastighet för dessa tidigare osynliga föremål. "Målet med vårt projekt är att förstå gravitationsvågobservationer från mycket kompakta föremål, så att vi kan utesluta eller bekräfta andra typer av objekt, " sa prof. Pani.

Enligt den allmänna relativitetsteorien, sammanslagning av två mycket kompakta föremål – som vita dvärgar, neutronstjärnor eller svarta hål – kommer att få det sista objektet att kollapsa och bilda ett svart hål. Men det finns alternativa teorier som förutspår att de också kan bilda föremål med samma massa och radie som svarta hål, men utan en händelsehorisont. Dessa mystiska kompakta föremål skulle därför ha en yta som skulle reflektera gravitationsvågor.

"Om det finns en yta, efter en sammanslagning av objekten, det borde finnas gravitationsvågekon, så en signal som reflekteras från ytan, " förklarade Prof Pani. Det borde vara möjligt att upptäcka dessa ekon i signalerna som plockas upp här på jorden.

Mörk materia

Det finns en annan förklaring, dock, som skulle leda till att svarta hål oväntat producerar ekon eller andra oförklarade gravitationsvågor – de kan sitta i ett bad av mörk materia, en hypotetisk form av materia som ännu inte har setts men som tros stå för 85 % av all materia i universum. Även detta skulle kunna producera en distinkt kontrollampa gravitationsvåg.

"Mörk materia interagerar väldigt lite med något annat, så det är väldigt svårt att testa i labbet, " sa prof. Pani. Men genom att leta efter distinkta signaler i gravitationsvågorna kan det tillåta forskare att "se" det för första gången.

Vissa gravitationsobservationer kan endast förklaras antingen av närvaron av mörk materia, som vi inte kan se, eller genom att ändra våra gravitationslagar. Professor Ulrich Sperhake, en teoretisk fysiker vid University of Cambridge, STORBRITANNIEN, och ledande forskare i StronGrHEP-projektet, beskrev gravitationsvågor som ett "nytt fönster mot universum" som kan hjälpa oss att reda ut dessa mysterier.

Om det finns all denna mörka materia som hänger runt två svarta hål när de smälter samman, då skulle detta suga energi.

Det skulle betyda att i en svarthålskollision som den som upptäcktes av LIGO, gravitationsvågorna skulle se lite annorlunda ut än utan mörk materia.

Ett observationspussel de skulle kunna belysa är varför galaxer roterar snabbare än vad deras storlek antyder att de borde. "Rotationshastigheten är relaterad till massan som finns inuti, " sa Prof. Sperhake. Så om en galax snurrar snabbare än massan kan vi se, det finns två möjliga förklaringar:antingen måste vi ändra våra grundläggande teorier om hur gravitationen fungerar eller så finns det mörk materia i galaxerna som vi inte kan se.

En idé som Prof. Sperhake undersöker är att utöka Einsteins allmänna relativitetsteori med en ny teori, dubbad skalär tensorgravitation. Detta tyder på att universum är fyllt med ett extra fält - liknande ett magnetiskt eller elektriskt fält - som ännu inte har upptäckts.

Det skulle innebära att supernovaexplosionen av en döende stjärna inte bara skulle vara synlig som en explosion av gravitationsvågor, men det skulle finnas ett eftersken av gravitationsvågor som vi skulle kunna upptäcka. Vi skulle kunna dirigera LIGO till områden på himlen där stjärnor har exploderat – så kallade supernovor – för att försöka upptäcka en sådan efterglöd från det skalära fältet som kan bestå århundraden efter den faktiska explosionen.

Separat, Prof. Sperhake undersöker om mörk materia kan förklaras av teoretiska subatomära partiklar som kallas axioner. Han försöker modellera hur ekon av gravitationsvågor från svarta hål kan se ut om dessa partiklar är närvarande.

"Jag skulle säga att axioner är en av de bästa kandidaterna för mörk materia, " sa han. Nästa steg är att tillämpa sina modeller på data som LIGO samlar in för att se om teori och observation stämmer överens.

Vacker teori

Dr. Richard Brito gick med i Prof. Panis grupp i Italien tidigare i år som en del av sitt eget projekt, FunGraW för att använda gravitationsvågor för att testa förekomsten av axionpartiklar. Men han kommer också att använda dem för att testa själva Einsteins teori och om den kan vara felaktig i stor skala.

"Om vi ​​ser objekt nästan lika kompakta som svarta hål men utan en händelsehorisont, det betyder att allmän relativitet är fel på de skalorna, " han sa.

Det kan få viktiga vardagliga konsekvenser. Den allmänna relativitetsteorin är avgörande för den dagliga driften av till exempel GPS. Men att finna att Einsteins teori går sönder i stor skala betyder inte att den ska kastas ut. Snarare, ett tillägg kan behövas.

"You'd have a hard time matching the mathematical clarity of Einstein's theory, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."