Partikkel-, astropartikkel- og kosmologiteori (SPACT)

Gravitasjonsbølger og LISA

LISA har bidrag fra NASA (National Aeronautics and Space Administration) og nasjonale romfartsorganisasjoner, inkludert Norsk Romfartsorganisasjon (NoSA) [1].

LISA-oppdraget ble valgt i 2017 som ESAs tredje store romferd under Cosmic Vision-programmet [2], og vedtatt i januar 2025 [3]. Etter dette startet byggingen av eksperimentet og bakkesegmentet, med industrielt og vitenskapelig ansvar fordelt mellom deltakende medlemsland. LISA er planlagt å sendes ut i august 2035, og data skal samles inn fra minst 2036 til 2040 [4].

LISAs gravitasjonsbølgemålinger vil muliggjøre deteksjon og karakterisering av tusenvis av nøytronstjerner og hvite dverger, hundrevis av supermassive sorte hull i galaktiske sentre, dusinvis av stjernelignende sorte hull og inspiraler med ekstreme masseforhold, og potensielt stokastiske signaler som stammer fra det tidlige universet [5].

Gjennom disse deteksjonene tar UiS-forskere, i samarbeid med det globale LISA-fellesskapet, sikte på å undersøke sentrale spørsmål innen astronomi, partikkelfysikk og kosmologi, som for eksempel:

• opprinnelsen, veksten og sammensmeltingen av massive sorte hull gjennom kosmisk tid;
• dynamikken til stjernehoper i galaksenes sentrum;
• den grunnleggende naturen til tyngdekraften og sorte hull;
• universets ekspansjonshastighet;
• fenomener i energisk partikkelfysikk som oppstår i de første minuttene etter Big Bang.

[1] https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/LISA/LISA_factsheet

[2] https://arxiv.org/pdf/1702.00786

[3] Capturing the ripples of spacetime: LISA gets go-ahead

[4] https://moriond.in2p3.fr/2025/Gravitation/gravitation-agenda.html

[5] https://arxiv.org/pdf/2402.07571

Gravitasjonsbølger og LIGO

De fleste av disse sorte hullene ble dannet av store stjerner som gikk tom for kjernefysisk brensel og kollapset inn i seg selv under tyngdekraften. Disse sorte hullene er vanskelige å oppdage, fordi gravitasjonsfeltet deres er så sterkt at de hindrer selv lys fra å slippe ut. Noen av disse sorte hullene har såkalte ledsagerstjerner, og vi kan finne ut om det sorte hullet eksisterer ut fra oppførselen til ledsagerstjernen, som vi kan se. Men hva med alle de andre sorte hullene?

Einsteins gravitasjonsteori forutsier hvordan sorte hull skal oppføre seg, selv om vi ikke kan se dem. En av forutsigelsene i Einsteins teori er at sorte hull som går i bane rundt hverandre skal sende ut gravitasjonsbølger. Gravitasjonsbølger er som jordskjelv i rommet. Sorte hull er så massive og går i bane så tett og så raskt rundt hverandre at de får hele universet til å riste. Denne ristingen beveger seg gjennom rommet som gravitasjonsbølger og kan nå jorden. Når de når jorden, forventes de å være svært svake og knapt merkbare.

Det avanserte LIGO-prosjektet

I løpet av de siste femti årene har det blitt gjort en enorm eksperimentell innsats for å oppdage disse gravitasjonsbølgene. Denne innsatsen var endelig vellykket i 2015 med Advanced LIGO-prosjektet. LIGO-prosjektet har bygd de mest følsomme maskinene noensinne, ved hjelp av lasere for å måle de små bevegelsene til store speil, som er kilometer fra hverandre. Ved hjelp av denne teknologien klarte LIGO endelig å oppdage gravitasjonsbølgene fra to sorte hull, som gikk i bane rundt hverandre og til slutt krasjet sammen. Denne oppdagelsen imponerte verden og ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2017.

Einsteins gravitasjonsteori er svært god til å forutsi hvordan sorte hull og gravitasjonsbølgene som sendes ut oppfører seg. Men Einsteins teori er kanskje ikke helt korrekt? Det er flere grunner til at forskere tror at teorien kanskje ikke er fullstendig. På de største skalaene spår Einsteins teori at universet ikke skal utvide seg så raskt som det observeres å utvide seg. Den spår også at galakser ikke skal være i stand til å holde seg sammen bare ved hjelp av materialet vi kan se, og at de faktisk skal fly fra hverandre. Forskere har forsøkt å forklare universets utvidelse og galaksers oppførsel ved å påberope seg mørk energi og mørk materie, men det er ikke kjent hva disse tingene er. Einsteins teori spår at rundt 95 % av universets totale energi er i en ukjent form.

Einsteins gravitasjonsteori

På de minste skalaene forutsier kvanteteorien at tomrommet bør fylles med store mengder energi, mye større mengder enn det som trengs for å forklare universets utvidelse. Einsteins gravitasjonsteori forutsier at denne energien er så stor at den burde forhindre universet i å eksistere. Men universet eksisterer altså, og det er ikke kjent hvorfor disse forutsigelsene synes å ta feil, eller hvilken ny teori som korrekt kan forklare hvordan vi eksisterer. I tillegg er Einsteins teori matematisk inkonsekvent med kvanteteorien. Begge teoriene fungerer veldig bra for å forklare observasjoner i hvert sitt domene, men de to teoriene mislykkes når vi prøver å bruke dem sammen.

Et sted hvor denne feilen er særlig relevant, er for sorte hull. Det er matematisk bevist at et aspekt av vår forståelse av sorte hull må være feil. Dette matematiske beviset ble anerkjent med Nobelprisen i fysikk i 2020. Men beviset forteller oss ikke hva som er galt, eller hvordan vi kan rette det. Ved å observere nøye hvordan sorte hull oppfører seg, kan vi prøve å finne ut hva som går galt. Det er dette arbeidet som utføres ved Universitetet i Stavanger.

Nytt verktøy for å utforske universet

Siden LIGOs første oppdagelse i 2015 har detektorteknologien blitt forbedret. Fra og med 2024 kan vi oppdage flere kollisjoner med sorte hull hver uke. Dette har gitt astronomer et nytt verktøy for å utforske universet og observere ting som ikke kan sees med tradisjonelle teleskoper. Særlig kan vi se nærmere på de detaljerte forutsigelsene for kollisjoner med sorte hull, og se etter hint om hva som går galt og hvor. Alt dette var fullstendig umulig før gravitasjonsbølgedetektorer.

En spennende hendelse fant sted i 2017, da to kolliderende nøytronstjerner ble observert ved hjelp av gravitasjonsbølger. I motsetning til sorte hull inneholder nøytronstjerner materie som kan sees med vanlige teleskoper. Da disse to nøytronstjernene kolliderte, ble det produsert en kraftig stråle av gammastråler, og tunge kjerner ble slynget ut i rommet, lik de tunge grunnstoffene vi har på jorden, som gull og platina. Denne hendelsen var så unik at en tredjedel av alle levende astronomer jobbet med observasjonene, noe som gjorde den til en av de mest studerte hendelsene i astronomiens historie.

Nytt forskningsfelt

Et ytterligere framskritt kom i 2023, da en ny teknikk ble brukt til å oppdage gravitasjonsbølger. I stedet for å oppdage signaler her på jorden, brukte astronomene forstyrrelser i radiosignalene fra roterende nøytronstjerner for å antyde gravitasjonsbølger som passerte gjennom galaksen. I motsetning til LIGO-gravitasjonsbølgene, ser det ut til at disse såkalte PTA-signalene kommer kontinuerlig fra alle retninger på himmelen. Selv om det er sannsynlig at sorte hull i bane bidrar til dette signalet, tyder tidlige indikasjoner på at noe av signalet kan stamme fra tidligere i universets historie, noe som gir observasjonsmessig tilgang til høyenergiprosesser som er umulige å gjenskape her på jorden.

Forskningsfeltet gravitasjonsbølger er fortsatt ungt. Flere store framskritt har skjedd de siste årene, men nye eksperimentelle teknikker utvikles hele tiden, sammen med nye ideer om hva som kan oppdages. Det er planer om at neste generasjon gravitasjonsbølgedetektorer skal bygges i Europa og USA. European Space Agency planlegger å plassere en gravitasjonsbølgedetektor ut i rommet i løpet av det neste tiåret. Denne såkalte LISA-detektoren vil ha armer som ikke er kilometerlange, men millioner av kilometer, noe som gir observasjonsmessig tilgang til helt nye klasser av objekter. Allerede har gravitasjonsbølgeastronomi gitt overraskelser og veltet eksisterende ideer om hva som finnes der ute i universet vårt. Det er ikke kjent hva de nye oppdagelsene vil omfatte i de kommende tiårene. Det er spennende tider i forskningsfeltet.

Lenker:

The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background

Nobel Prize in Physics 2017

Nobel Prize in Physics 2020

Gravitasjonsbølger og nøytronstjerner

Disse eksotiske objektene er et resultat av døden til en massiv stjerne som har gått tom for drivstoff og kollapser under sin egen vekt. Uten støtte fra stråling har nøytronstjerner dobbelt så mye masse som vår egen sol innenfor en radius på 12 kilometer, noe som komprimerer materien til tetthet godt over kjernetetthet. Det eneste andre stedet hvor slike tettheter oppnås, er i ultrarelativistiske tungionkollisjoner ved Large Hadron Collider ved CERN, hvor kjernestoff smelter til en ny fase av elementærpartikkelstoff kalt kvarkstoff, oppkalt etter de elementære byggesteinene til nøytroner. Hvorvidt kvarkstoff kan finnes i kjernene til nøytronstjerner er et av de store spørsmålene innen kjernefysikk.

Egenskapene til nøytronstjerner gjenspeiler egenskapene til materien de er bygd opp av. Ved å observere nøytronstjerner kan vi indirekte studere kjernene deres. I de senere årene har nøytronstjerneforskningen gjennomgått en revolusjon, preget av oppdagelsen av stadig mer massive nøytronstjerner, presise målinger av radiene deres og deteksjon av gravitasjonsbølger generert av kollisjonen mellom to nøytronstjerner. Disse observasjonene gir oss en enestående tilgang til den ekstreme kjernefysikken som finner sted i kjernene, og ved SPACT jobber vi med å finne måter å best utnytte disse observasjonene for å lære om grunnleggende fysikk.

For å kunne utnytte nøytronstjerner som laboratorier for ekstrem kjernefysikk er teoretisk modellering av nøytronstjerner nødvendig, og ved SPACT utfører vi toppmoderne beregninger av egenskapene til kvarkmateriale ved hjelp av den grunnleggende teorien om sterke interaksjoner, kvantekromodynamikk. Ved hjelp av teori og observasjoner finner vi de første bevisene for eksistensen av kvarkmateriale i kjernene i nøytronstjerner [1,2].

Funnene knyttet til kvarkmaterie er spennende, men det er fortsatt behov for mer arbeid for å sikkert fastslå (eller motbevise) eksistensen av kvarkkjerner. Dette vil kreve forbedrede teoretiske QCD-beregninger (kvantekromodynamikk) samt nye nøytronstjerneobservasjoner. I framtiden vil tredjegenerasjons gravitasjonsbølgedetektorer, som Einstein Telescope eller Cosmic Explorer, dramatisk forbedre evnen til å observere nøytronstjernefusjoner. Spesielt forventes ringdown-fasen, den siste fasen av sammenslåingen av nøytronstjerner, å bli observert. Ved SPACT jobber vi med nye måter ringdown-signalet kan brukes til å bestemme egenskapene til materien i kjernene og til slutt brukes til å studere kvarkkjernene [3].

[1] Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars

[2] Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars

[3] Constraining the equation of state in neutron-star cores via the long-ringdown signal

Se også:

• In the core of a neutron star
• A new type of matter discovered inside neutron stars
• Like tuning forks in space: A final pure tone reveals the mysterious interior of neutron stars
• Neutron Star Measurements Place Limits on Color Superconductivity in Dense Quark Matter

Gravitasjonsbølger og det tidlige universet

Denne modellen er basert på generell relativitetsteori med en nesten homogen fordeling av materie i store nok skalaer. Minst fire sentrale spørsmål gjenstår å bli endelig løst:

• Mekanismen som er ansvarlig for den observerte asymmetrien mellom materie og antimaterie (baryogenese)
• Opprinnelsen og egenskapene til mørk materie
• En god forståelse av nåværende kosmologisk akselerasjon og mørk energi
• Opprinnelsen til frøet for dannelse av primordial struktur

Det ser ut til at alle disse fenomenene tilhører høyenergifeltteori (kvantefeltteori) og fundamentale partikler. Den rådende tankegangen er faktisk at:

• Baryogenese er et resultat av forhold utenfor likevekt nær en faseovergang i det tidlige universet.
• Mørk materie er en (svært) svakt vekselvirkende partikkel, ikke ulik de som allerede er oppdaget.
• Mørk energi er assosiert med kvantedynamikken i et nytt felt, eller at det er mer ved gravitasjon enn generell relativitetsteori.
• Den primordiale strukturen ble sådd av kvantefluktuasjoner som oppsto i det svært tidlige universet, forsterket av en periode med akselerert ekspansjon kjent som inflasjon.

Etter å ha vært under intens gransking i flere tiår, ser alle disse fenomenene ut til å være avhengige av hittil uoppdagede felt og partikler. Å forstå hvordan man oppdager disse krever sofistikerte teoretiske beregninger i sammenheng med partikkelkollisjoner og under de ekstreme forholdene i det tidlige universet.

Ved Universitetet i Stavanger pågår det arbeid med å bruke LISA til å oppdage gravitasjonsbølger fra tidlig faseovergang i universet, fra primordial inflasjon og fra mørk materie. Gravitasjonsbølger kan også brukes til å begrense alternative gravitasjonsmodeller, og dermed snevre inn alternativer for å forklare mørk energi. Den første gjennomgangen av deteksjon av faseoverganger med LISA ble skrevet under det andre møtet i Cosmology Working Group i Stavanger og senere oppdatert.

Gravitasjonsbølger og mørk materie

Men bare omtrent 16 % av materien i universet vårt består av disse partiklene, naturen til de resterende 84 prosentene er ukjent. Denne komponenten blir vanligvis referert til som «mørk materie». Er denne mystiske materien dannet av nye partikler? Og i så fall, hvordan kan vi oppdage dem? Dette er spørsmål som Helena Kolesova og Daniil Krichevskiy prøver å svare på.

Først, la oss forklare hvorfor forskere tror at mørk materie eksisterer i utgangspunktet. Siden 1960-tallet har astronomer vært i stand til å "veie" materien i galakser ved å observere rotasjonen deres: jo mer massiv galaksen er, desto raskere roterer stjernene rundt galaksesenteret. Overraskende nok var massen til galaksene målt på denne måten omtrent fem ganger større enn det som var forventet, basert på telling av stjerner og annen synlig materie. Lignende avvik ble observert for galaksehoper, og takket være ytterligere moderne astronomiske observasjoner finnes det sterke bevis for tilstedeværelsen av usynlig materie i universet vårt.

Det antas også at vår egen galakse, Melkeveien, er omgitt av en sfærisk ring av mørk materie. Følgelig burde mørk materie passere gjennom jorden mens sistnevnte raser gjennom galaksen vår. Fysikere har bygget forskjellige typer detektorer og observert nøye hvert atom inni den i flere år. Imidlertid er det så langt ikke rapportert om hendelser der en partikkel av mørk materie treffer et atom i slike detektorer. Dette betyr at mørk materie samhandler enda svakere med vanlig materie, eller er mye lettere enn vi trodde. Vi trenger nye eksperimentelle teknikker for å avsløre det. Et av våre forskningsmål er å finne måter å undersøke partikler av mørke materie på. Hvis de var lettere enn vanlige protoner, var de dermed ikke i stand til å treffe atomene i de eksisterende detektorene sterkt nok.

Dessverre er det også mulig at mørk materie vekselvirker med vanlig materie så svakt at vi aldri vil kunne oppdage det på jorden. På den annen side vekselvirker mørk materie definitivt gjennom tyngdekraften. Følgelig kan nyetablerte gravitasjonsbølgeobservatorier også bidra til å kaste lys over mørk materie. Spesielt hvis disse partiklene gikk gjennom en voldsom prosess med en "faseovergang" i det tidlige universet, kunne dette ha etterlatt et avtrykk som en såkalt "gravitasjonsbølgebakgrunn". Dette signalet kan potensielt oppdages av det planlagte eksperimentet LISA.

Generaliserte teorier om tyngdekraft

Effektiv feltteori ved høye og lave energier

Så vidt vi vet er naturlovene hierarkiske. Materie har en ekstremt kompleks observert oppførsel, ofte livsviktig for oss. Tenk på variasjonen av materialer rundt oss, både naturlige og konstruerte, eller atmosfæriske fenomener og dynamikken mellom planetene – som stammer fra enkle underliggende regler og prinsipper. Til syvende og sist koker alle naturfenomener ned til de fire grunnleggende interaksjonene: den sterke og svake kjernekraften, elektromagnetisme og tyngdekraft.

Heldigvis trenger vi ikke å løse ligningene som beskriver hele universet hver gang vi vil lage en kopp kaffe eller sende en e-post til en venn. De fysiske fenomenene som observeres ved forskjellige oppløsningsskalaer er i stor grad uavhengige av hverandre. Faktisk har denne separasjonen av skalaer vært avgjørende for framskritt i vår forståelse av naturen. Newton trengte ikke å kjenne den detaljerte strukturen og sammensetningen av planetene i solsystemet for å utlede Keplers lover fra hans universelle tyngdelov. Mange makroskopiske egenskaper ved vanlige faste stoffer og væsker ble kartlagt lenge før kvantemekanikken kom, som er nødvendig for å kunne redegjøre for materiens mikroskopiske struktur på riktig måte. På samme måte ble den kvantemekaniske beskrivelsen av atomer og molekyler utviklet før strukturen til atomkjerner ble forstått, og før oppdagelsen av de elementære bestanddelene i nukleoner – kvarker og gluoner.

I løpet av det siste halve århundret har ideen om separasjon av skalaer utviklet seg til en fullverdig matematisk formalisme, kjent som effektiv feltteori. Dette konseptet ble motivert av studiet av sterke kjernevekselvirkninger mellom partikler kjent som hadroner. Sterkt vekselvirkende fysiske systemer er notorisk vanskelige å håndtere, og den sterke kjernekraften er intet unntak. Overraskende nok har de letteste hadronene – pioner og kaoner – en tendens til å vekselvirke svakt. Den første vellykkede anvendelsen av effektiv feltteori sporet denne svake vekselvirkningen, så vel som den relativt lille massen av pioner og kaoner, til symmetrien av de mikroskopiske kreftene mellom kvarker.

Den store kraften til effektiv feltteori ligger i dens evne til å utnytte symmetrien til et fysisk system maksimalt. Alle de ukjente mikroskopiske detaljene er kondensert til en håndfull parametere som kan bestemmes ved eksperiment. Da den symmetribaserte utformingen av effektiv feltteori ble forstått, eksploderte dens anvendelser på et bredt spekter av problemer på tvers av fysikken. I dag spiller effektive feltteoriteknikker en uunnværlig rolle i den matematiske beskrivelsen av fysikk på alle lengdeskalaer, fra elementærpartikler til moderne faststofffysikk til gravitasjon og kosmologi.

Ved Universitetet i Stavanger bruker vi effektiv feltteori til å løse åpne problemer innen flere domener av teoretisk fysikk. Innen gravitasjonsfysikk bruker vi den til å håndtere den kompliserte ikke-lineære dynamikken i kompakte binære systemer. Innen kjernefysikk under ekstreme forhold utfører vi toppmoderne beregninger av tilstandsligningen til nøytronstjerner. Vi anvender også symmetribasert effektiv feltteori til studiet av den kollektive oppførselen til kvantestoff som superfluider og ferromagneter.

I løpet av de siste par tiårene har effektiv feltteori muliggjort ekstremt produktiv kryssbefruktning mellom tradisjonelt adskilte områder innen fysikk. Den har hjulpet oss med å forstå universaliteten til fysiske lover på tvers av vidt forskjellige kontekster. Ved siden av effektiv feltteori har betydningen av symmetri for å forstå komplekse fysiske fenomener vokst jevnt og trutt. Kombinasjonen av disse vil utvilsomt spille en sentral rolle i de neste trinnene i vår søken etter å fullt ut forstå naturlovene.

Nyheter og arrangementer