Gravitaatiotähtitieteen synty?

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.

Weber ja hänen alumiinisylinterinsä.
Kuva AIP Emilio Segrè Visual Archives.

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.

Animaatio APS/Alan Stonebraker

Jos animaatio ei näyt, niin voit katsella sen tästä osoitteesta:

http://physics.aps.org/assets/12484057-b7a4-4f38-afdc-cf16b3768180/video1.mp4

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).