satori13/iStock/GettyImages
I slutet av 1600-talet föreslog Sir IsaacNewton, som utökade Galileos insikter, att gravitationsstörningar färdades snabbare än någon annan signal i kosmos. 1915 ifrågasatte AlbertEinstein denna uppfattning med sin allmänna relativitetsteori och hävdade att ingen information kan färdas snabbare än ljus – inklusive gravitationsvågor.
Betydelsen av gravitationsvågor:
Den 14 september 2015 anlände de första direkt uppmätta gravitationsvågorna till jorden samtidigt med ljuset från sammanslagning av två svarta hål cirka 1,3 miljarder ljusår bort. Denna observation, fångad av LIGO i USA och Jungfrun i Europa, och bekräftad av ungefär 70 mark- och rymdbaserade teleskop, validerade Einsteins förutsägelse och invigde en ny gren av astronomi.
De två LIGO-platserna – Livingston, Louisiana och Hanford, Washington – är formade som ett "L" på marken, med 2½ mil långa armar som rymmer lasrar, stråldelare, speglar och detektorer. En laserstråle delas, skickas ner för varje arm, reflekteras tillbaka och kombineras på nytt. En passerande gravitationsvåg sträcker ut ena armen samtidigt som den klämmer ihop den andra, vilket skapar en minuts skillnad i returtiderna för de två strålarna. Denna differentialsignal är vad fotodetektorn registrerar.
Samtidiga upptäckter på båda platserna, om än med en liten tidsfördröjning, ger astronomer två rumsligt åtskilda datapunkter. Genom att triangulera dessa signaler kan forskare fastställa källans himmelposition och mäta vågformen i utsökt detalj.
Einsteins relativitetsteori visar att förändringar i ett gravitationsfält fortplantar sig med ljusets hastighet, ungefär som krusningar på en damm. När två massiva kroppar – som svarta hål – smälter samman, exciterar deras rörelse själva rumtiden och producerar svängningar som för bort energi som gravitationsvågor. Till skillnad från ljus kan dessa vågor färdas genom materia praktiskt taget obehindrat och avslöja information om de mest våldsamma händelserna i universum.
Sedan 2015 har minst fyra binära svarthålssammanslagningar registrerats, som var och en tillåter samtidiga observationer av både gravitationssignaler och elektromagnetiska signaler. När tre eller fler observatorier upptäcker en signal kan astronomer (1) lokalisera händelsen med hög precision och (2) testa vågformen mot förutsägelser från allmän relativitetsteori. Även om vågorna endast inducerar små förvrängningar i rumtid, möjliggör detektorernas känslighet deras mätning med oöverträffad noggrannhet.
Detekteringarna 2015 inträffade bara för 100-årsdagen av Einsteins presentation av allmän relativitet för Royal Prussian Academy of Sciences. När gravitationsvågsastronomi mognar lovar den att låsa upp ny fysik, utmana befintliga teorier och kanske stimulera innovationer som är analoga med de som föddes från upptäckten av nya elektromagnetiska frekvensband – röntgenstrålar, radiovågor och mer.
