Gravitationsbølger

Detektionen af de gravitationsbølger, der udsendes, når to sorte huller kolliderer, bekræfter en grundlæggende forudsigelse fra Einsteins generelle relativitetsteori.

En vigtig opdagelse

To sorte huller, der kredser om hinanden, forstyrrer rum-tiden og danner bølger i den. De udsendte bølger bærer energi med sig. Til sidst har de to sorte huller mistet så meget energi, at de ikke kan opretholde deres baner. De kolliderer og bliver til et enkelt, sort hul. Lige før kollisionen giver de et sidste, stort skvulp i rumtiden. Einstein viste i 1917, at bølger i rumtiden var teoretisk mulige. Næsten 100 år senere, i 2016, blev gravitationsbølger omsider påvist eksperimentelt. I gymnasieundervisningen vil det i være oplagt at inddrage denne vigtige opdagelse.

Forslag til undervisningsforløb

Omfang og niveau

1-2 moduler. B- eller A-niveau.

Introduktion og baggrund

Kendskab til: Elementære bølgeegenskaber, Einstein energi-masse relation, Newtons gravitationslov.

Gennemførelse

Da generel relativitetsteori ikke er nemt tilgængeligt for detaljerede beregninger på gymnasieniveau, kan man i stedet se på størrelsesordener ved at lade eleverne gå på jagt i originalartiklen, fx:

  1. Energiudsendelsen af gravitationsbølgen svarer til tre gange solens masse - hvor meget energi svarer det til?
  2. Kollapstiden var omkring 20 ms, hvor stor effekt blev der udsendt?
  3. Hvor stor effekt pr. m2 svarer dette til her ved Jorden?
  4. Hvilken bølgetype er gravitationsbølger i forhold til elektromagnetiske bølger eller lydbølger?
  5. Hvad er (klassisk, newtonsk beregning) omløbstiden af de to sorte huller og hvad var afstanden mellem de to sorte huller fra hinanden inden det fatale kollaps?
  6. Hvor tit forventer man at kunne måle signaler fra voldsomme gravitationelle begivenheder?
  7. Hvordan kan det lade sig gøre at detektere så svagt et signal. Hvordan virker et (laser)interferometer? (Her kan man inddrage Michelson-Morleys interferometerforsøg, som var indledningen på den moderne æra med høj-præcisionsmålinger). Man kan også inddrage Hulse-Taylors binære pulsar-målinger, som indirekte påviste eksistensen af gravitationsbølger.

Opfølgning

Man kan arbejde videre med stoffet på A-niveau ved at se på modeller af "chirp-"signalet til bestemmelse af de kolliderende sorte hullers masse. Velegnet til SRP-opgave.

Kreditering

Michael Brix Pedersen

Produceret i samarbejde med

Centre for Undervisningsmidler

Centre for Undervisningsmidler har ansat 30 fagredaktører med solidt kendskab til pædagogik og undervisning til at udvikle fagsiderne til de gymnasiale uddannelser på EMU (STX/HF). Fagsiderne udvikles og vedligeholdes i samarbejde med de faglige foreninger og Undervisningsministeriet.

Se mere om samarbejdet her.

CFU findes også på EMUen. Siderne vedligeholdes af CFU selv - se her. Her kan skolerne søge information om landsdækkende aktiviteter, ligesom man kan finde CFU-centrenes lokale websites.

cfu-v1.png

Relaterede filer

"Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger", af Abbott et al. Den publicerede artikel fra Physical Review Letters om opdagelsen (PRL 116, 061102 (2016)). Klart skrevet og meget læseværdig. Her kan man finde det nødvendige talmateriale til opgaverne.
En detaljeret gennemgang af de teorier og eksperimenter, der førte til opdagelsen af gravitationsbølger i 2016. Fra Kungl. Vetenskapsakademien.
En populærvidenskabelig gennemgang af de teorier og eksperimenter, der førte til opdagelsen af gravitationsbølger i 2016. Fra Kungl. Vetenskapsakademien.

Relaterede links

En god oversigtsartikel med videoklip fra New York Times. Forfatteren er den altid velskrivende og indsigtsfulde Dennis Overbye (forfatteren til "Lonely Hearts of the Cosmos" om bestemmelsen af Hubblekonstanten).
Gode visualiseringer af deformationerne af rumtiden omkring sorte huller og neutronstjerner.
Large Interferometer Gravitational Observatory. Righoldigt materiale om, hvordan man kan måle et kollaps af to sorte huller over 1 milliard lysår væk fra Jorden ved hjælp af forskydninger på brøkdele af en protons størrelse i et 4 km stort laserinterferometers arme.
Fin video fra LIGO, der viser hele forløbet fra de to huller begynder at nærme sig hinanden, til LIGO detekterer gravitationsbølgen.
Endnu en fin video fra LIGO, der viser hvordan rumtiden (vist med to rumlige og én tidslig dimension) bliver kraftigt deformeret af de kolliderende sorte huller.
LIGO-video, der viser princippet bag interferometeret og den helt fantastiske præcision som man (med en enorm eksperimentel indsats) kan opnå.