Forskerne skimter måske snart universets begyndelse ved at studere de fine krusninger, der laves af gravitationsbølger.
![]()
Indledning
Bølger fra inflation
Polarisationens særegenheder
Box: Bølgejægere
Yderligere information
![]()
|
|
|
JÆVNT UNIVERS I et univers med hverken tæthedsvariationer eller gravitationsbølger ville den kosmiske mikrobølge baggrund (CMB) være perfekt ensartet. |
Kosmologer stiller stadig de samme spørgsmål, som de første stjernekiggere
gjorde, når de gennemsøgte himlen. Hvor kom universet fra? Hvad, om noget, gik
der forud? Hvordan kom universet til sin nuværende tilstand og hvad vil dets
fremtid være? Skønt teoretikere længe har spekuleret over kosmos' oprindelse,
havde de indtil for nylig ingen måde, hvorpå de kunne undersøge universets
tidligste øjeblikke for at afprøve deres hypoteser. I de senere år har
forskerne imidlertid identificeret en metode til at observere universet, som
det var i den allerførste brøkdel af et sekund efter Big Bang. Denne metode
indebærer at søge efter spor af gravitationsbølger i den kosmiske
mikrobølgebaggrund (CMB), den afkølede stråling, der har gennemtrængt universet
i næsten 15 milliarder år.
CMB blev udsendt omkring 500.000 år efter Big Bang, da
elektroner og protoner i den oprindelige plasma - den varme tætte suppe af
subatomare partikler, der fyldte det tidlige univers - først kombinerede og
dannede brintatomer. Fordi denne stråling giver et øjebliksbillede af universet
på det tidspunkt, er den blevet kosmologiens Rosettasten. Efter CMB blev
opdaget i 1965, fandt forskerne, at dens temperatur, et mål for
sortlegemestrålingens intensitet, var meget tæt på 2,7 kelvin, uanset i hvilken
retning de så på himlen. Med andre ord forekom CMB at være isotrop, hvilket
viste, at det tidlige univers var bemærkelsesværdigt ensartet. I de tidlige
1990'ere detekterede en satellit, kaldet Cosmic Background Explorer (COBE) små
variationer, som kun var en del ud af 100.000 i strålingens temperatur. Disse
variationer giver vidnesbyrd om små klumper og bump i den oprindelige plasma.
Uregelmæssighederne i massens fordeling udviklede sig senere til kosmos'
strukturer i stor skala: de galakser og galaksehobe, der findes i dag.
I slutningen af 1990'erne observerede
adskillige jordbaserede og ballonbårne detektorer CMB med meget finere
opløsning end COBE, hvilket afslørede strukturer i den oprindelige plasma, som
strækker sig mindre end en grad over himlen. (Til sammenligning strækker Månen
sig over en halv grad). De oprindelige strukturers størrelse viser, at
universets geometri er flad [se "Special Report: Revolution in
Cosmology," Scientific American, January 1999]. Observationerne er også
konsistente med inflationsteorien, som postulerer, at en epoke med fænomenal
hurtig kosmisk udvidelse fandt sted i de første få øjeblikke efter Big Bang. I
år planlægger National Aeronautics and Space Administration at opsende
Microwave Anisotropy Probe (MAP), som vil udvide de præcise observationer af
CMB til hele himlen. [se "A Cosmic Cartographer," på side 34], [En kosmisk kortlægger]. European Space Agency's Planck
rumfartøj, der er planlagt opsendt i 2007, vil udføre en endnu mere detaljeret
kortlægning. Kosmologer forventer, at disse observationer vil afsløre en skat
af information om det tidlige univers.
|
|
|
|
Især håber forskerne at finde direkte vidnesbyrd om
epoken med inflation. Det stærkeste vidnesbyrd, den "rygende pistol,"
ville være observationen af inflatoriske gravitationsbølger. I 1918 forudsagde
Einstein eksistensen af gravitationsbølger som konsekvens af sin teori om almen
relativitet. De er analoger til elektromagnetiske bølger som røntgenstråler,
radiobølger og synligt lys, der er bevægelige forstyrrelser i et
elektromagnetisk felt. Gravitationsbølger er bevægelige forstyrrelser i et
gravitationsfelt. Ligesom lys eller radiobølger kan gravitationsbølger bære
information fra de kilder, der frembringer dem. Desuden kan gravitationsbølger
bevæge sig uhindret gennem materiale, som absorberer alle former for
elektromagnetisk stråling. Ligesom røntgenstråler tillader læger at kigge
gennem substanser, som synligt lys ikke kan gennemtrænge, burde gravitationsbølgerne
tillade forskerne at betragte astrofysiske fænomener, der ikke kan ses på anden
måde. Skønt gravitationsbølger aldrig er blevet direkte detekteret, har
astronomiske observationer bekræftet, at par af ekstremt tætte genstande, som
neutronstjerner og sorte huller, frembringer bølgerne, når de i spiral nærmer
sig hinanden.
Den plasma, der fyldte universet gennem dets første
500.000 år, var uigennemsigtig for elektromagnetisk stråling, fordi de udsendte
fotoner øjeblikkeligt blev spredt i suppen af subatomare partikler. Derfor kan
astronomer ikke observere nogen elektromagnetiske signaler, der daterer sig fra
før CMB. I kontrast hertil kunne gravitationsbølger gennemtrænge plasmaen.
Ydermere forudsiger inflationsteorien, at universets eksplosive udvidelse 10-38
sekund efter Big Bang burde have frembragt gravitationsbølger. Hvis teorien er
korrekt, ville disse bølger have bevæget sig som ekkoer tværs over det tidlige
univers og 500.000 år senere efterladt svage krusninger i den CMB, der kan
observeres i dag.
Lad os, for at forstå hvordan inflation kunne have frembragt
gravitationsbølger, undersøge en fascinerende konsekvens af kvantemekanikken:
tomt rum er ikke så tomt.Virtuelle partikelpar skabes og destrueres spontant
hele tiden. Heisenbergs ubestemthedsprincip erklærer, at et par partikler med
energi
E kan springe i eksistens i et tidsrum
t før de
tilintetgør hiananden, forudsat at
E
t < h/2,
hvor h er den reducerede Plancks konstant (1,055 x 10-34
joulesekund). Man behøver imidlertid ikke bekymre sig om virtuelle æbler eller
bananer, der springer ud af det tomme rum, fordi formlen kun gælder for
elementarpartikler og ikke for komplicerede arrangementer af atomer.
En af de elementære partikler, der påvirkes af denne
proces, er gravitonen, kvantepartiklen for gravitationsbølger (analog med
fotonen for elektromagnetiske bølger). Par af virtuelle gravitoner springer
konstant ind og ud af eksistens. Under inflationen ville de virtuelle
gravitoner imidlertid være blevet trukket fra hinanden meget hurtigere end de
kunne være forsvundet tilbage i vakuumet. Essensen er, at virtuelle partikler
ville være blevet til virkelige partikler. Endvidere ville universets
fantastisk hurtige udvidelse have strukket gravitonbølgelængderne fra
mikroskopiske til makroskopiske længder. På denne måde ville inflationen have
pumpet energi ind i produktionen af gravitoner og frembragt et spektrum af
gravitationsbølger, der afspejlede forholdene i universet i de første øjeblikke
efter Big Bang. Hvis inflatoriske gravitationsbølger virkelig findes, vil de
være den ældste levning i universet, skabt 500.000 år før CMB blev udsendt.
Hvor mikrobølgestrålingen i CMB for det meste er
begrænset til bølgelængder mellem en og fem millimeter (med en topintensitet
ved to millimeter), ville bølgelængderne for de inflatoriske gravitationsbølger
spænde over et meget bredere område: fra en centimeter til 1023
kilometer, hvilket er størrelsen af det nuværende observerbare univers.
Inflationsteorien fastsætter, at gravitationsbølgerne med de længste
bølgelængder ville være de mest intense og at deres styrke ville afhænge af
hastigheden, hvormed universet udvidede sig under inflationsperioden. Denne
hastighed er proportional med inflationens energiskala, som bestemtes af
universets temperatur, da inflationen begyndte. Og fordi universet var varmere
i tidligere tider, afhænger styrken af gravitationsbølgerne i sidste ende af
tidspunktet, hvor inflationen startede.
|
|
|
KOSMISK TIDSLINIE Under epoken med inflation - den mægtige udvidelse af universet, der fandt sted i de første øjeblikke efter big bang - frembragte kvanteprocesser et spektrum af gravitationsbølger. Bølgerne ekkoede gennem den oprindelige plasma og forvrængede CMB strålingen, der blev udsendt omkring 500.000 år senere. Ved omhyggeligt at observere CMB i dag, kan kosmologerne måske detektere de plasmabevægelser, der blev bevirket af de inflatoriske bølger. |
Uheldigvis kan kosmologerne ikke
fastslå dette tidspunkt, fordi de ikke i detaljer ved, hvad der forårsagede
inflationen. Nogle fysikere har udkastet teorier om, at inflationen startede,
da tre af de fundamentale vekselvirkninger, de stærke, svage og
elektromagnetiske kræfter, blev adskilt kort efter universets skabelse. Ifølge
disse teorier var de tre kræfter en og samme i selve begyndelsen, men blev
distinkte 10-38 sekund efter Big Bang og på en eller anden måde
igangsatte denne begivenhed kosmos' pludselige udvidelse. Hvis teorien er
korrekt, ville inflationen have haft en energiskala på 1015 til 1016
GeV. (En GeV er den energi en proton ville opnå ved at blive accelereret gennem
et spændingsfald på en milliard volt. De største partikelacceleratorer når i
øjeblikket energier på 103 GeV). Hvis inflationen på den anden side
blev igangsat af et andet fysisk fænomen, der fandt sted på et senere
tidspunkt, ville gravitationsbølgerne være svagere.
Når de én gang var frembragt i løbet af den første
brøkdel af et sekund efter Big Bang, ville de inflatoriske gravitationsbølger
udbrede sig for evigt, så de burde stadig løbe tværs over universet. Men
hvordan kan kosmologerne observere dem? Overvej først, hvordan en almindelig
stereomodtager detekterer et radiosignal. Radiobølger består af oscillerende
elektriske og magnetiske felter, som forårsager, at elektronerne i modtagerens
antenne bevæger sig frem og tilbage. Disse elektroners bevægelser frembringer
en elektrisk strøm, som modtageren optager.
På samme måde medfører en gravitationsbølge en
svingende strækning og sammentrykning af det rum, den bevæger sig igennem.
Disse svingninger ville forårsage små bevægelser i et sæt frit flydende
prøvemasser. Sidst i 1950'erne prøvede fysikeren Hermann Bondi fra King's
College, London at overbevise skeptikere om sådanne bølgers fysiske virkelighed
ved at beskrive en hypotetisk gravitationsbølge-detektor. Det idealiserede apparatur
var et par ringe, der hang frit på en lang stiv stang. En indkommende
gravitationsbølge med amplituden h og frekvensen f ville
forårsage, at afstanden L mellem de to ringe skiftevis forringedes og
forøgedes med en mængde h x L, med frekvensen f. Varmen
fra ringenes friktion med stangen, når de gned mod den, ville give vidnesbyrd
om, at gravitationsbølgen bærer energi.
Forskerne bygger nu raffinerede
gravitationsbølgedetektorer, der vil bruge lasere til at spore de små
bevægelser af ophængte masser [se box]. Afstanden mellem
prøvemasserne bestemmer det bånd af bølgelængder, som apparaterne kan overvåge.
Den største af de jordbaserede detektorer, som har en adskillelse på fire
kilometer mellem masserne, vil kunne måle svingningerne forårsaget af
gravitationsbølger med bølgelængder fra 30 til 30.000 kilometer; et planlagt
rumbaseret observatorium vil kunne detektere bølgelængder, der er omkring 1.000
gange længere. De gravitationsbølger, der frembringes af sammensmeltende neutronstjerner
og kollisioner mellem sorte huller, kan have bølgelængder i dette område, så de
kan detekteres af de ny instrumenter. Men de inflatoriske gravitationsbølger er
i dette område alt for svage til at frembringe målelige svingninger i detektorerne.
|
|
|
LEVN I STRÅLINGEN Inflatoriske gravitationsbølger ville have efterladt et karakteristisk aftryk på CMB. Diagrammet afbilder de simulerede temperaturvariationer og polarisationsmønstre, der ville være resultatet af de forvrængninger, der er vist i boxen FORVRÆNGET UNIVERS. De røde og blå pletter repræsenterer koldere og varmere egne af CMB og de små liniestykker viser polarisationens retningsvinkel i hver af himlens egne. |
De stærkeste inflatoriske gravitationsbølger er dem, der
har de længste bølgelængder, sammenlignelige med diameteren af det observerbare
univers. For at detektere disse bølger, skal forskerne observere et sæt frit
svævende prøvemasser, der er adskilt af tilsvarende store afstande. Til alt
held har naturen sørget for netop et sådant arrangement: den oprindelige
plasma, som udsendte CMB strålingen. I løbet af de 500.000 år mellem
inflationsepoken og udsendelsen af CMB, ekkoede gravitationsbølgerne med
ultralange bølgelængder tværs over det tidlige univers og strakte og
sammenpressede på skift plasmaen. Forskerne kan observere disse svingende
bevægelser i dag ved at se efter små Doppler skift i CMB.
Hvis en gravitationsbølge strakte et område af plasma
mod os på det tidspunkt, da CMB blev udsendt, – dvs., mod den del af universet,
som med tiden ville blive vor galakse – vil strålingen fra det område forekomme
blå for observatører, fordi den er skiftet til kortere bølgelængder (og derfor
en højere temperatur). Omvendt vil strålingen forekomme rødere, hvis en gravitationsbølge
pressede et område af plasma bort fra os, da CMB blev udsendt, fordi den er
skiftet til længere bølgelængder (og en lavere temperatur). Ved at undersøge de
blå og røde pletter i CMB – som svarer til varmere og koldere
strålingstemperaturer – kan det tænkes, at forskerne kan se mønstrene af
plasmabevægelser, der blev påført af de inflatoriske gravitationsbølger. Selve
universet bliver til en gravitationsbølgedetektor.
Opgaven er imidlertid ikke så enkel. Som vi bemærkede i begyndelsen af denne
artikel, producerede store ujævnheder i det tidlige univers også
temperaturvariationer i CMB. (For eksempel ville tyngdefeltet i de tættere
plasmaområder have rødskiftet de fotoner, der blev udsendt fra disse områder og
frembragt nogle af de temperaturvariationer, der blev observeret af COBE.) Hvis
kosmologerne alene ser på udstrålingens temperatur, kan de ikke sige, hvilken
brøkdel (om nogen) af variationerne, der bør tilskrives gravitationsbølger.
Selv da ved forskerne i det mindste, at gravitationsbølgerne ikke kan have
frembragt mere end en af 100.000 dele af de temperaturforskelle, der blev målt
af COBE og de andre CMB strålingsdetektorer. Denne kendsgerning sætter en
interessant begrænsning på de fysiske fænomener, der gav anledning til
inflation: inflationens energiskala skal være mindre end omkring 1016
GeV og derfor kan epoken ikke have fundet sted tidligere end 10-38
sekund efter Big Bang.
|
|
|
POLARISATIONSMØNSTRE Polarisationen af CMB kan indeholde vigtige spor om det tidlige univers’ historie. Tæthedsvariationer i den oprindelige plasma ville forårsage ringlignende og radiale polarisationsmønstre (øverst). I kontrast hertil ville gravitationsbølger frembringe højre- og venstrehåndede hvirvler (nederst). |
Men hvordan kan kosmologerne komme videre? Hvordan kan de
omgå usikkerheden ved oprindelsen til temperatursvingningerne? Svaret ligger i
polarisationen af CMB. Når lys rammer en overflade på en sådan måde, at lyset
spredes i næsten en ret vinkel fra den oprindelige stråle, blive det lineært
polariseret – dvs., at bølgerne bliver rettet i en bestemt retning. Det er
denne virkning polariserende solbriller udnytter: fordi sollyset, der spredes
fra jorden, typisk er polariseret i horisontal retning, reducerer filtrene i
brillerne skinnet ved at blokere lysbølger med denne retning. CMB er også
polariseret. Lige før det tidlige univers blev gennemsigtigt for stråling,
spredtes CMB fotonerne fra elektronerne i plasmaet for sidste gang. Nogle af
disse fotoner ramte partiklerne med store vinkler, hvilket polariserede
strålingen.
Nøglen til at detektere de inflatoriske
gravitationsbølger er den kendsgerning, at plasmabevægelserne, der forårsages
af bølgerne, frembragte et anderledes polariseringsmønster end ujævnhederne i
masse gjorde. Ideen er relativt enkel. CMB's lineære polarisation kan afbildes
med små liniestykker, der viser polariseringens vinkelretning på hvert område
af himlen. Disse liniestykker er sommetider arrangeret i ringe eller radiale
mønstre. Stykkerne kan også fremkomme som roterende hvirvler, der er enten
højre- eller venstresnoede - dvs., de synes at dreje med eller mod uret.
Disse sidste hvirvlers "håndethed" er nøglen
til deres oprindelse. Masseujævnhederne i den oprindelige plasma kunne ikke
have frembragt sådanne polarisationsmønstre, fordi de tætte og fortyndede
områder af plasmaen ikke havde nogen højre- eller venstrehåndet retning. I
modsætning hertil har gravitationsbølger en håndethed; de udbreder sig med enten
en højre- eller venstrehåndet skruebevægelse. Polarisationsmønstret, frembragt
af gravitationsbølger, vil ligne en tilfældig overlejring af mange roterende
hvirvler af forskellig størrelse. Forskerne beskriver disse mønstre som havende
en krølle, hvorimod de ringlignende eller radiale mønstre, frembragt af
masseujævnheder, ikke har nogen krølle.
Ikke engang den ivrigste observatør kan se på et
polarisationsdiagram og med øjet skelne, om det indeholder nogen mønstre med
krøller. Men en udvidelse af Fourier analyse - en matematisk teknik, som kan
opdele et billede i en serie bølgeformer - kan bruges til at opdele et
polarisationsmønster i dets bestanddele af krøller og krøllefri mønstre. Hvis
kosmologerne således kan måle CMB polarisationen og bestemme, hvilken brøkdel
der kom fra krøllemønstre, kan de beregne amplituden af de inflatoriske
gravitationsbølgers ultralange bølgelængder. Fordi bølgernes amplitude blev
bestemt af inflationens energi, vil forskerne få en direkte måling af den
energiskala. Dette resultat vil så hjælpe med at besvare spørgsmålet om,
hvorvidt inflationen blev udløst af foreningen af fundamentale kræfter.
Hvad er fremtidsudsigterne for detektionen af disse
krøllemønstre? NASA's MAP rumfartøj og adskillige jordbaserede og ballonbårne
eksperimenter er forberedt til at måle CMB's polarisation for første gang, men
disse instrumenter vil sandsynligvis ikke være følsomme nok til at detektere
krøllekomponenten, der er frembragt af inflatoriske gravitationsbølger.
Efterfølgende eksperimenter kan imidlertid have en bedre chance. Hvis
inflationen virkelig blev forårsaget af foreningen af kræfter, kan dens
gravitationsbølgesignal være stærkt nok til at blive detekteret af Planck
rumfartøjet, skønt der kan være behov for en endnu mere følsom næste generation
af rumfartøjer. Men hvis inflationen blev udløst af andre fysiske fænomener,
der fandt sted på senere tidspunkter og ved lavere energier, vil signalet fra
gravitationsbølgerne være alt for svagt til at kunne detekteres i en overskuelig
fremtid.
Fordi kosmologerne ikke er sikre på inflationens
oprindelse, kan de ikke definitivt forudsige styrken af polarisationssignalet,
der frembringes af inflatoriske gravitationsbølger. Men hvis der er bare en
lille chance for at signalet er detekterbart, så er det værd at forfølge. Dets
detektion vil ikke alene give os ubestridelige vidnesbyrd om inflation, men
også give os en ekstraordinær lejlighed til at se tilbage på de allertidligste
tider, kun 10-38 sekund efter Big Bang. Vi kunne så overveje at
beskæftige os med et af tidernes mest tvingende spørgsmål: Hvor kom universet
fra?
Bølgejægere |
|
|
De gravitationsbølger,
der er frembragt af kvanteprocesser i den inflatoriske epoke, er på ingen
måde de eneste, som man mener rejser gennem universet. Mange astrofysiske
systemer, som kredsende binære stjerner, sammensmeltende neutronstjerner og
kolliderende sorte huller, burde også udsende kraftige gravitationsbølger.
Ifølge den almene relativitetsteori, frembringes bølgerne af ethvert fysisk
system med indre bevægelser, som ikke er sfærisk symmetriske. Så et par
stjerner, der kredser om hinanden, vil frembringe bølgerne, men en enkelt
stjerne vil ikke.
|
Ved at justere
laserstrålerne, så de interfererer med hinanden, vil forskerne kunne optage
bittesmå ændringer i afstanden mellem spejlene og måle oscillationer så små
som 10-17 centimeter (omkring en milliontedel af et brintatoms
diameter). Resultater fra Livingston og Hanford faciliteterne vil blive
sammenlignet for at udelukke lokale virkninger, der efterligner
graviationsbølger, som seismisk aktivitet, akustisk støj og
laserustabiliteter.
|
First Space-Based Gravitational-Wave Detectors. Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski og Leven Wadley in Physical Review D, Vol. 59, Issue 2, pages 27101-27300; January 15 1999.
Nylige observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund er beskrevet på disse Web steder: pupgg.princeton.edu/~cmb/; cmb.phys.cwru.edu/boomerang; cfpa.berkeley.edu/group/cmb/
Mere information om gravitationsbølgedetektorer er til rådighed på www.ligo.caltec.edu; lisa.jpl.nasa.gov

Einstein@home
![]()
* Robert R. Caldwell og Marc Kamionkowski havde begge fysik som
hovedfag i klassen fra 1987 på Washington University. Caldwell tjente sin Ph.D.
i fysik på University of Wisconsin-Milwaukee i 1992. Caldwell er en af
hovedforfatterne til teorien om kvintessens og er nu assisterende professor i
fysik og astronomi på Dartmouth College. Kamionkowski tjente sit doktorat i
fysik på University of Chicago i 1991. Nu er han professor i teoretisk fysik og
astrofysik på California Institute of Technology og modtog Warner Prize, 1998
for sine bidrag til teoretisk astronomi.
Oversat fra Scientific American, januar, 2001, ss.28-33.
![]()
2. april, 2006.