14. maj 2025
Udsender galakserne tyngdebølger, når de bevæger sig gennem rummet?
Spørgsmål:
Universet antages at udvide sig og masserne (galakserne etc.) bevæger sig med. Må et sådant bevægelsesfænomen forventes at foranledige tyngdebølger? Kan sådanne bølger eftervises empirisk og bidrage til nærmere indsigt?
Med venlig hilsen
August Eriksen
Svar:
Hej August,
Det er rigtigt at tyngdebølger skabes af legemer i bevægelse. Men der er en række forhold der gør, at Universets udvidelse ikke får galakserne til at udsende målbare tyngdebølger:
Galakserne ligger næsten stille
Som du siger, udvider Universet sig, og galakserne følger med. Eller sagt på en anden måde: Galakserne ligger stille i rummet, men alle afstande mellem galakserne vokser konstant.
Det er svært at forestille sig, men det er sådan vores forståelse af Universets dynamik er. Selve rummet udvider sig, og galakserne bevæger sig med andre ord ikke sig gennem rummet. Og når man ikke bevæger sig, udsender man ingen tyngdebølger.
Det er ikke helt rigtigt, at galakserne ikke bevæger sig, for på små skalaer påvirker de hinanden med deres tyngdekraft, kredser om hinanden, og støder endda indimellem sammen. I små galaksergrupper, som f.eks. "Den Lokale Gruppe", der består af Mælkevejen, Andromeda, og en masse småskravl af satellitgalakser, bevæger galakserne sig rundt med nogle 100 km/s. I store, tunge galaksehobe kan de komme op på et par 1000 km/s.
Galaksernes hastigheder i forhold til os er en blanding af den hastighed de får pga. Universets udvidelse, her illustreret med røde pile, og deres "egen-bevægelse" som er i mere eller mindre tilfældige retninger, illustreret med blå pile. Universets udvidelse er selve rummets afstande, der vokser, og denne hastighed vokser med afstanden fra observatøren, som her tænkes at befinde sig i nederste venstre hjørne. I modsætning hertil sker egenbevægelserne med mere eller mindre tilfældig fart og retning, bestemt af lokale forhold. Illustration: Peter Laursen.
Masser skal ikke bare bevæge sig, men accelerere
Ja, overskriften siger sådan set det hele: For at et objekt kan udsende tyngdebølger, er det ikke nok bare at bevæge sig; objekt skal accelerere, dvs. ændre fart og/eller retning.
Dette er helt analogt til elektromagnetisme: Ligesom en ladet partikel har et elektrisk felt omkring sig, har en tung partikel et tyngdefelt omkring sig. Men begge felter er statiske. Hvis du accelerer en ladet partikel (f.eks. svinger den frem og tilbage), udsender den elektromagnetiske bølger, som rejser afsted med lysets fart. Ligeledes, hvis du accelererer en tung partikel (f.eks. svinger den frem og tilbage), udsender den tyngdebølger, som rejser afsted med lysets fart.
Det er dog vigtigt, at accelerationen ikke er symmetrisk. Hvis f.eks. en stjerne kollapser til et sort hul, accelererer overfladen ind mod centrum. Men dette kollaps er symmetrisk, og giver derfor ikke anledning til tyngdebølger. På den anden side, hvis to sorte huller spinner om hinanden for til sidst at kollidere, udsender de tyngdebølger.
Der skal fart på
At galakserne bevæger sig rundt om hinanden med 100 eller 1000 km/s lyder selvfølgelig hurtigt, men det er det faktisk ikke i astrofysisk samenhæng. Vi skal op i nærhedens af lysets fart for at det virkelig batter.
Og som sagt er en høj hastighed ikke nok; vi skal have ændringer i hastigheden, altså acceleration. Det betyder, at galakser er alt, alt for store til at udsende tyngdebølger i nævneværdig grad, fordi massen i en galakse bruger i størrelsesordenen 100 millioner år på at komme rundt. Så selv om en galakse vejer langt mere end et sort hul, hvirvler de sorte huller rundt om hinanden på år, dage, sekunder og til sidst millisekunder, hvilket giver en langt, langt større effekt.
Virgo-interferometret i nærheden af Pisa består af to 3-km-arme vinkelret på hinanden. Når tyngdebølger skyller ind over instrumentet, sammentrækker og udvider selv rummet sig, sådan at armenes længde ændrer sig. Det er ufattelig små ændringer vi taler om, men instrumentet er i stand til at måle ændringer der er 1/10.000 af en atomkernes radius. Kredit: The Virgo Collaboration/CCO 1.0.
Vores instrumenter er ikke sensitive nok
Hvor stor effekten er af de tyngdebølger, som et givet fænomen udsender, afhænger altså af de involverede objekters masse og acceleration. Accelerationen afhænger af objekternes fart, men også hvor stort et område de fylder: Jo mindre område man ændrer sin fart henover, jo større bliver accelerationen.
Man kan beskrive dette matematisk med en formel, som viser sig at være ekstremt af fart, lidt mindre afhængig af størrelse, og ikke særlig afhængig af masse. Og her har vi grunden til, at vi ikke vil kunne måle effekten fra galaksernes bevægelser:
Selvom en galakse vejer 100 milliarder gange mere end et sort hul, er massen spredt ud over et langt større område end et sort hul, og deres hastigheder er meget mindre. Så sammenstød af sorte huller og neutronstjerner er så meget mere ekstreme end galaksernes bevægelser, og selv end galaksernes sammenstød, at effekten af deres tyngdestråling er mange, mange størrelsesordener større.
Vi har kun akkurat opnået teknologien til at detektere sammenstød af kompakte objekter, og selv her er det en udfordring at filtrere rystelser fra en forbikørende lastbil eller viceværten, der smækker med døren, fra. Men udover at jeg tvivler på, at vi nogensinde bliver i stand til at måle galaksernes bevægelser, er det heller ikke noget jeg tror ville gøre os stort klogere. Vi har et håb om en dag at kunne detektere tyngdebølger fra selve Big Bang, og fordelen ved dét, og ved at detektere sorte huller, er, at vi får en måde at "se" noget vi ellers ikke kan se. For galaksernes bevægelser er der ikke den samme motivation, eftersom vi allerede kan se det ved hjælp af deres lys.
Bedste hilsener,
Peter Laursen, Astrofysiker og videnskabsformidler
Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet.