|
C. Henze/NASA Ames Research Center |
Olemme todistamassa uuden tieteenlajin syntyä, jos tuoreimmat
uutiset gravitaatioaaltojen havaitsemisesta osoittautuvat hiemankaan enemmäksi
kuin pelkästään onnen kantamoiseksi. Gravitaatioaallot tuovat mukanaan tietoa
kaikkialta maailmankaikkeudesta kaiken alusta alkaen. Ne voivat tuoda mukanaan
myös tietoa siitä, kuinka kaikki tulee päättymään.
Satavuotinen historia
Kaikki alkoi Albert Einsteinista, jonka vuonna 1915[1]
ilmestyneen yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiokentässä kiihtyvässä
liikkeessä olevat kappaleet menettävät energiaansa gravitaatioaaltoina. Tällaisia
järjestelmiä ovat toisiaan kiertävät massiiviset kappaleet, mutta myös tähteään
kiertävät planeetat. Aiheen tutkiminen kuitenkin oli mahdotonta, koska käytössä
ei ollut mitään menetelmää millä gravitaatioaaltoja olisi voitua havaita.
Vielä 1950-luvulla tutkijat pitivät mahdottomana ajatusta
gravitaatioaaltojen havaitsemisesta. Kuitenkin vuonna 1957 North Carolinassa
pidetyssä konferenssissa Felix Pirani[4]
osoitti, että gravitaatioaaltojen havaitseminen oli kuin olikin ainakin
teoriassa mahdollista.
Vasta vuonna 1968 Marylandin yliopistossa työskennellyt Joseph Weber yritti tosissaan havaita
gravitaatioaaltoja. Hän käytti havaintovälineenä 2 metriä pitkää ja halkaisijaltaan
1 metrin alumiinisylinteriä (resonanssitaajuus 1660 Hz). Weberin ajatuksen
mukaan alumiinisylinteri alkaisi värähdellä, jos siihen osuisi
gravitaatioaaltoja.
Weber havaitsikin jotain värähtelyjä ja oli hyvin
vakuuttunut gravitaatioaaltojen havainnoistaan, mutta tiedeyhteisö ei aiheesta
innostunut. Vielä niinkin myöhään kuin vuonna 1987 Weber ilmoitti havainneensa
gravitaatioaaltoja joiden alkuperä oli Suuressa Magellanin pilvessä räjähtänyt
supernova SN1987A. Hänen tuloksen kuitenkin tyrmättiin virheellisinä.
Weber sai seuraajikseen joitakin tutkijoita, jotka pyrkivät
rakentamaan ja havaitsemaan gravitaatioaaltoja samanlaisella resonaattoritekniikalla.
Esimerkiksi Italiassa rakennettiin Explorer, Nautillus ja Auriga resonaattorit
ja niiden lisäksi Allegro Yhdysvalloissa. Oma lajinsa resonaattoreista olivat
muodoltaan pallomaiset. Niillä pyrittiin välttämään ennen kaikkea suuntaongelmat
jotka vaivasivat sylinterin muotoisia resonaattoreita. Pallomaisia
resonaattoreita olivat TIGA Yhdysvalloissa, MiniGRAIL Alankomaissa ja Mario
Schenberg Brisiliassa.
Neutronitähdet kehiin
|
Russel A. Hulse |
|
Joseph H. Taylor |
Vuonna 1974 gravitaatioaaltojen etsintään paneutui
tutkijapari
Russell Alan Hulse ja
Joseph Hooton Taylor. Heidän
lähestymistapansa oli täysin toinen, sillä he pyrkivät havaitsemaan hyvin
suppealla radalla toisiaan kiertävää neutronitähtiä. He onnistuivatkin
havaitsemaan pulsaria PSR B1913+16, jonka kaksosparina on toinen neutronitähti.
Tähdet tunnetaan myös Hulse–Taylorin kaksosena.
Kummankin neutronitähden massa on noin 1,4 × M☉ ja
parin etäisyys on 21 000 valovuotta. Kaksoispulsari sijaitsee Kotkan tähdistössä.
Hyvin tarkoilla mittauksilla tutkijoille selvisi, että pulsari pyörähtää
itsensä ympäri 17 kertaa sekunnissa eli pulssit seuraavat toisiaan noin 59 ms
välein. Pulssien välissä oli
systemaattista ja jaksoittain toistuvaa vaihtelua, jonka pituus oli 7,75
tuntia. Havainnon valossa oli selvää, että pulsarilla oli kumppani, jonka
mahdollisesti lähettämä radiopulssi ei kuitenkaan ollut havaittavissa
maapallolla.
Lisähavainnot paljastivat, että neutronitähdet kiertävät
toisiaan noin 3 valosekunnin etäisyydellä. Molemmat pulsarit olivat suunnilleen
yhtä massiivisia (1,4 Auringon massaa) ja minimi etäisyys toisistaan
(periastron) on 1,1 Auringon sädettä. Radan etäisin piste (apoastro) on puolestaan
4,8 Auringon säteen etäisyydellä. Rata on noin 45° kulmassa näkösäteeseemme
nähden ja relativistinen periastronin prekessio on 4,2° per kierros.
Tarkkojen mittausten perusteella he päätyivät tulokseen,
että kierrosaika lyhenee 76,5 µs vuodessa ja se vastaa laskelmien mukaan
7,35×1024
W häviötehoa[7]. Komponenttien yhteentörmäys tapahtuu noin 300
miljoonan vuoden kuluttua.
Hulselle ja Taylorille oli selvää näiden tietojen valossa,
että järjestelmästä katoaisi suhteellisuusteorian mukaan energiaa
gravitaatioaaltoina. Heidät palkittiinkin vuonna 1993 fysiikan
Nobel-palkinnolla.
Neutronitähtiä tunnetaan yli 1 400.
Kaksoisneutronitähdet ovat kuitenkin harvinaisia ja kaksoispulsarit ovat todella
harvinaisia, sillä niitä tunnetaan vain yksi. Kaksospulsari PSR J0737-3039A
löydettiin vuonna 2003 australialaisessa Parkes radio-observatoriossa. Tähden A
komponentin massa on 1,337 × M⊙ [5]ja
B komponentin massa 1,25 × M⊙,
kiertoaika
on 2,4 tuntia. Komponentin B radiopulssit ovat havaittavissa noin
20 minuutin ajan joka kierroksella. Gravitaatioaaltojen mukanaan vievän
energian vaikutuksesta tähtien ratasäde pienenee noin 7 mm/vrk ja yhteen törmäys
tapahtuu noin 85 miljoona vuoden kuluttua.
Pulsariparin periastron kiertyy 17° vuodessa ja tällä tähtiparilla
on havaittu myös toinen suhteellisuusteorian mukainen ilmiö. Kun tähdet
lähenevät toisiaan, niiden lähettämät pulssit hidastuvat 0,38 ms voimistuneesta
gravitaatiokentästä johtuen. Lisäksi, kun pulsarin signaali kulkee toisen
pulsarin gravitaatiokentän läpi, se aiheuttaa 90 µs viiveen pulssiin. Vastaavaa
hidastumista on havaittu aikaisemmin mutta ei koskaan järjestelmälle, jonka
näemme 88° suunnasta (lähes reunan suunta).
Laser-interferometri
|
LIGO observatorion ja muiden laser-interferometriaan perustuvien gravitaatioaaltojen havaitsemisen periaate. Toiminta on kuvattu tarkemmin tekstissä. Kuva LIGO. |
Toisiaan kiertävien neutronitähtien havaitseminen oli
vaikeaa ja ne ovat erittäin harvinaisia. Kaiken lisäksi niiden tuottamat
tulokset olivat lähinnä epäsuoria todisteita gravitaatioaaltojen olemassa
olosta, joten tämänkaltainen tutkiminen ei olisi ollut vastaus
gravitaatioaaltojen suoralle havaitsemiselle.
Seuraavaksi päätettiin etsiä menetelmä maanpäällisten
havaintolaitteiden rakentamiseen. Ratkaisu löytyi fysiikan tutkimuksen
historiasta. Vuonna 1881 Michelson
ja Morley olivat rakentaneet monkromaattisella
valolla toimivan L-muotoisen koejärjestelyn, jonka avulla pystyivät osoittamaan
ajatuksen maailmankaikkeuden täyttävästä eetteristä pätemättömäksi.
Koejärjestely oli periaatteessa hyvinkin helppo ja niinpä jo
vuonna 1978 Robert Forward (Hughes
Research -laboratorio) rakensi laser-interferometrin, jonka L-siipien pituus
oli 2 metriä. Myöhemmin, vuonna 1983 hän
rakensi interferometrin, jonka sivujen pituus oli 40 metriä.
Japanilaiset tutkijat rakensivat laser-interferometrin, joka
käynnistyi vuonna 1995. Projekti
tunnettiin nimellä TAMA 300, jossa luku 300 viittasi käytettyyn sivun pituuteen
(300 m).
|
LIGOn kaksi observatoriota Livingstonissa ja Hanfordissa. Kuva LIGO. |
Vuonna 1984 Kip
Thorne (Galtech), Ronald Drever (Galtech)
ja Rainier Weiss (MIT) käynnistivät lasersäteen
interferenssiin perustuvan LIGO- hankkeen.
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)
käynnistyi kansainvälisen rahoituksen turvin vuonna 2002. Observatorio koostui
kahdesta havaintolaiteesta: LIGO Livingstone Observatory (Livingston, Luisiana)
ja LIGO Hanford Observatory (Richland, Washingonton). Observatorioiden välinen
etäisyys on 3 002 km, joka merkitsee aikaerona maksimissaan noin 10 ms.
LIGOn toimintaperiaate on se, että neljän kilometrin
mittaisissa tyhjiöputkissa laser-säde tekee 75 edestakaista matkaa ennen
ilmaisimeen johtamista. Tyhjiöputkia on kaksi kappaletta, 90° toisiinsa nähden.
Jos ja kun gravitaatioaallot osuvat putkiin, niiden vaikutus on erilainen
kummassakin putkessa, riippuen aallon tulosuunnasta. Putkien päissä olevien
massojen (ja niissä olevien peilien) etäisyydet vaihtelevat ilmaisimesta sen
mukaan miten gravitaatioaallot taivuttelevat aika-avaruutta.
Ilmaisimessa lasersäteiden saapuessa samanaikaisesti, ne sammuttavat toisensa. Käytännössä kohina kuitenkin saa aikaan satunnaisesti näkyviä piikkejä. Gravitaatioaallon muuttaessa peilien etäisyyksia, peili värähtelevät aalllon taajuuden mukaan ja ilmaisimessa näkyy selkeää aaltoilua. Jos gravitaatioaallot aiheutti mustien aukkojen yhdistyminen, ilmaisimessa näkyvän aaltoilun taajuus ja amplitudi kasvavat gravitaatioaallon mukana.
Alla olevassa videossa peilien keskinäistä etäisyyttä ja niiden muutoksia kuvataan ympyrällä, joka on täydellinen laitteiston ollessa perustilassa. Gravitaatioaallot saavat ympyrän värähtelemään. Tällä tavalla rakennetussa ilmaisimessa ympyrässä tapahtuvat muutokset ovat äärimmäisen pieniä, mutta tarkalla analyysillä havaittavissa.
Jos animaatio ei näyt, niin voit katsella sen tästä osoitteesta:
Tutkijat olettivat, että putkien välinen pituusero
gravitaatioaallon vaikutuksesta muuttuisi 10-18 m, joka vastaa vain
1/1000 protonin halkaisijasta. Näin ollen laitteistolla pitäisi pystyä
havaitsemaan Auringonmassaisten neutronitähtien aiheuttamat gravitaatioaallot
paikallisesta galaksiryhmästä (säde 26 miljoona valovuotta).
Vuonna 2005 gravitaatioaaltojen etsintään liittyi GEO 600[2]
(saksalais-englantilainen laser-interferometri-ilmaisin) ja vuonna 2007 mukaan
tuli Virgo[3] (ranskalais-italialainen
laser-interferometri-ilmaisin). Vuoteen
2010 mennessä ei ainoatakaan varmistettua havaintoa gravitaatioaalloista
pystytty tekemään, johtuen hyvin monista häiriötekijöistä (mm. seismisistä
värähtelyistä ja peilien lämpövärähtelystä) ja laitteiston epäherkkyydestä.
Tekninen läpimurto
|
Mustien aukkojen yhdistyminen näkyy LIGO observatoriossa gravitaatioaaltojen taajuuden ja voimakkuuden kasvuna kunnes itse yhdistyminen tapahtuu. Silloin amplitudi ja taajuus katoavat. Alakuvassa yhdistyvien mustien aukkojen nopeudet valonnopeuksina ja keskinäiset etäisyydet säteinä. Kuva LIGO. |
LIGO-observatorioihin tehtiin perustavaa laatua oleva ilmaisinparannuksia
asentamalla edistyneemmät LIGO ilmaisimet (Advanced LIGO detectors). Näiden herkkyys
oli kymmenkertainen aikaisempiin nähden. Tutkimus uusilla laitteilla alkoi
syyskuussa 2015.
Uuden tutkimusohjelman käynnistymisen jälkeen
tiedeyhteisössä alkoi kulkea huhuja gravitaatioaaltojen löytymisestä. Helmikuun
11. tänä vuonna (2016) LIGO ja Virgo kumppanuusohjelma ilmoitti (LIGOn johtaja David Reitze yhdessä Gabriela González’in, Rainier Weiss’n
ja Kip Thornen kanssa) gravitaatioaaltojen löytämisestä.
Itse havainto oli tehty 14. syyskuuta 2015 kello 09.50.45
UTC. Gravitaatioaallot olivat ilmeisesti lähteneet toisiaan kiertävästä musta
aukko parista, jotka olivat sulautuneet yhteen.
Havainto sai tunnukseksi GW150914. Gravitaatioaallot saavuttivat ensiksi
Livingstone observatorion ja 6,9 ms myöhemmin ne havaittiin Hanfordissa.
|
Todelliset havainnot (ylärivi) verrattuna teoreettisiin (alarivi) molemmissa observatorioissa. Kuvista jo maallikkokin voi päätellä, että todelliset havainnot ovat kuin graviaaztiotähtitieteen oppikirjasta (jos sellainen olisi olemassa). Kuva LIGO. |
Kahdella observatoriolla tehdyt havainnot eivät
mahdollistaneet gravitaatioaaltojen paikallistamista kovinkaan tarkasti.
Observatorioiden sijainnin perusteella voitiin määrittää kaksi kaarta, jotka
sijaitsevat suurimmaksi osaksi eteläisellä tähtitaivaalla. Muilla
havaintovälineillä tehdyt havainnot eivät tuoneet lähteen sijaintia yhtään
paremmin selville, sillä mustien aukkojen yhdistymistä ei ole kovinkaan helppo
tehtävä sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla.
Havainto tehtiin 35–350 Hz taajuudella. Signaali kesti 0,2
sekuntia ja havaittiin molemmissa observatorioissa. Signaali-kohina suhteeksi
määriteltiin 24, joten väärän havainnon mahdollisuus on vain 1/203 000,
tutkimustuloksen merkittävyys oli parempi kuin 5,1s.
Ennen yhdistymistään mustat aukot olivat 36 M⊙ ja 29 M⊙ ja yhdistynyt musta aukko 62
M⊙. Näin ollen, järjestelmästä
poistui energiaa gravitaatioaaltoina 3 M⊙ vastaava määrä. Musta aukko sijaitsee noin 1,3 miljardin
valovuoden etäisyydellä.
Gravitaatiotähtitiede?
Käynnistävätkö
massiivisten mustien aukkojen yhdistymisessä maailmankaikkeuteen levinneet
gravitaatioaallot uuden tutkimusalan, gravitaatiotähtitieteen? Tämä on täysin
mahdollista, jos gravitaatioaaltojen havaitseminen tulee edes jossakin muodossa
ja taajuusalueella tavanomaiseksi. Luonnollisesti tutkijat pyrkivät edelleen
kehittää käytettäviä menetelmiä ja työntää niiden rajoitukset kauemmaksi ja
laajemmalle.
Missisippi
yliopistossa työskentelevä professori Emanuele
Berti arvioi artikkelissaan[6] , että LIGO-observatorio on
saattanut havaita syyskuisen havainnon jälkeen jo toisen mustien aukkojen
yhdistymisestä aiheutuneita gravitaatioaaltoja. Jos arvio osoittautuu oikeaksi,
LIGO observatoriot voivat osoittautua uuden tieteen alan airuiksi.
Tulevaisuudessa
tultaneen aivan rutiininomaisesti havaitsemaan yhdistyviä mustia aukkoja, mutta
näiden lisäksi kevyempien kohteiden, kuten neutronitähtien yhdistymisiä.
Etenkin näiden viimeksi mainittujen kohteiden tutkiminen myös gravitaatioaaltojen
avulla tarjoaa mielenkiintoisen tutkimuskentän, sillä äärimmäisen voimakkaat ja
lyhyet gamma- ja röntgenpurkaukset on ajateltu syntyvän juuri neutronitähtien
yhdistymisessä.
Voisi
tietysti heitellä villejä arvauksia mihin kaikkiin tähtitieteen osa-alueisiin
ja tutkimuskohteisiin gravitaatiotähtitiede vaikuttaisi, mutta uskoakseni se
vaikuttaa kaikkeen mahdolliseen tähtitieteeseen.
Huomautukset
[1] Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa
vuonna 1915, mutta täydensi sitä seuraavana vuonna. Tästä syystä usein yleisen
suhteellisuusteorian julkaisuajankohdaksi ilmoitetaan vuosi 1916.
[2] GEO 600 rakennettiin Saksaan Hannoveriin ja siihen tuli
600 metrin sivun pituus Tutkimustoiminta käynnistyi vuonna 2002).
[3] Rakennettiin Pisaan Italiassa. Sivunpituus oli 3 km ja
ne oli rakennettu putkeen, josta pumpattiin ilma pois. Lasersäde kulki
apupeilinen välillä useamman kerran, jolloin kuljettu matka lisääntyi 120
km:iin. Testimittaukset aloitettiin vuonna 2003 ja varsinainen tutkimus vuonna
2007.
[4] Felix Pirani kuoli 31.12.2015, ja on mahdollista että
hän sai tietää ainakin huhuna gravitaation aaltojen löydöstä.
[5] Merkintä M⊙ merkitsee
Auringon massaa.
[6] Emanuele
Berti, Department of Physics and Astronomy, The University of Mississippi,
University, Mississippi 38677, USA and CENTRA, Departamento de Física,
Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Avenida Rovisco Pais 1,
1049 Lisboa, Portugal; Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes. http://physics.aps.org/articles/v9/17.
[7] Aurinkokunnassamme
vastaava häviöteho gravitaatioaaltoina on vain noin 5 kW ja pulsariparin
säteilemä gravitaatioenergia on 1,19 % Auringon bolometrisestä säteilytehosta.
Maapallon gravitaatiosäteilyn teho on vain noin 200 W. Tällainenkin
energiahävikki saa maapallon lähestymään Aurinkoa. Rata kuitenkin muuttuu vain
10-15 metriä vuorokaudessa (noin protonin halkaisija verran).