Kaksi mustan aukon törmäystä peräkäin

Elokuun 28. päivän aamuna koettiin LIGO -observatorioissa^[1] hyvin epätavallinen tapahtuma. Kello 6.34.05 UTC aikaan havaittiin kahden mustan aukon sulautumisessa syntyneet gravitaatioaallot. Tapahtuma sai tunnuksekseen S190828j. Eipä tässä sen kummempaa, näitä mustien aukkojen keskinäisiä sulautumisia on havaittu jo koko joukko keväällä uudelleen käyttöönotetuissa LIGO-observatorioissa.

LIGO-Observatorioiden tuottama animaatio kauden O2 havainnoista. Credit: Teresita Ramirez / Geoffrey Lovelace / SXS Collaboration / LIGO Virgo Collaboration.

Epätavalliseksi tilanteen tekee se, että 21 minuuttia myöhemmin, kello 6.55.09 UTC havaittiin jälleen gravitaatioaaltoja, joiden tunnukseksi tuli S190828l. Koskaan aikaisemmin näin peräkkäisiä tapahtumia ei ole havaittu. Havainto muuttui vielä kummallisemmaksi, sillä paikanmääritys osoitti niiden tulevan vielä samalta taivaan alueelta. Paikanmääritystä helpotti se, että gravitaatioaallot havaittiin kaikilla kolmella käytössä olevalla LIGO-observatoriossa.

perättäisten gravitaatioita synnyttäneiden tapahtumien vieläpä samalla taivaan alueella sai tutkijat miettimään mahdollisuutta, että kyse olisikin samalta tapahtumasta. Jos näin olisi, niin silloin jokin gravitaatiolinssi olisi täytynyt taivuttaa gravitaatioaaltojen kulkureittejä ja toinen olisi tuon 21 minuuttia pitempi reitti. Aaltohavainnot eivät kuitenkaan olleet identtisiä, joten tämä mahdollisuus karsiutui hyvin nopeasti pois. Kyseessä oli siis vain hieman epätavallinen sattuma.

Mustien aukkojen törmäysten etäisyydet vaihtelivat hieman. S190828j:n etäisyydeksi määritettiin 1738 –2815 Mpc (5,6 – 9,2 miljardia valovuotta) ja S190828l:n etäisyys oli 1186 –2036 Mpc (3,8 –6,6 miljardia valovuotta). Kummastakaan tapahtumasta ei havaittu optisilla aallonpituuksilla näkynyttä leimahdusta. Tällaista leimahdusta ei pitäisi tullakaan, sillä kyseessä kummassakin tapauksessa oli kahden musta aukon törmäys ja sulautuminen isommiksi mustiksi aukoiksi.

LIGO-observatoriot otettiin käyttöön huhtikuun^[2] 1. päivänä. Havaintojakso on nimetty lyhenteellä O3.  Aikaisemmat ovat O2 ja O1. Havaintokaudella O3 on havaittu kaikkiaan 20 mustien aukkojen yhdistymistä, kaksi kahden neutronitähden törmäystä ja yksi neutronitähden ja musta aukon törmäys. Näistä havainnoista on saatavissa jonkin verran esitietoja mutta lopullisia tutkimustuloksia joudutaan vielä odottelemaan. O2 kauden tutkimustuloksia on julkaistu jo runsaasti.

Huomautukset

[1] LIGO-observatoriot ovat: LIGO Hanford (USA), LIGO Livingston (USA) ja LIGO Virgo (Italia).

[2] LIGO-observatoriot olivat pitkällä huoltotauolla, jonka aikana niiden laitteiden herkkyyttä ja erottelukykyä parannettiin uusilla teknisillä ja ohjelmallisilla menetelmillä.

Mahdollinen gravitaatioepisodi havaittu

Huhtikuun alussa huolto- ja uudistustöiden jälkeen uudelleen käynnistetty LIGo-Virgo-observatoriot havaitsivat huhtikuun 26 päivänä kello 18.22.15 Suomen aikaa, jotakin mikä tulkittiin gravitaatioaalloiksi. Havainto sai luettelotunnuksen S190426c ja se näyttää syntyneen neutronitähden pudottua mustaa aukkoon.

Havainnekuva neutronitähden ja musta aukon yhdistymisestä.
Kuva NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Tutkimuksen tämän havainnon osalta jatkuvat, mutta alustavasti yhdistyminen tapahtui noin 1,2 miljardin valovuoden etäisyydellä. Havainto on sen verran heikko ja aikaisemmista poikkeava, että tutkijat eivät varmasti pysty, ainakaan toistaiseksi, määrittämään millainen tapahtuma sen on aiheuttanut. Suurin mahdollisuus, noin 13 % todennäköisyydellä, on musta aukon ja neutronitähden yhdistymisellä.

Gravitaatioaallot tulivat jostakin kehystetyn alueen sisältä.
Kuva NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Nyt ilmoitettua havaintoa edeltävänä päivänä, siis huhtikuun 25. päivänä havaittiin myös gravitaatioaaltoja. Ne tulivat ensimmäisten analyysien mukaan kahden neutronitähden törmäyksestä. Lopputulos tällaisessa törmäyksessä on hyvin suurella todennäköisyydellä musta aukko.

Kahden neutronitähden törmääminen tuottaa yleensä myös runsaasti sähkömagneettista säteilyä, joka on mahdollista havaita optisilla teleskoopeilla tai radioteleskoopeilla. Elokuussa 2017 tällainen yhteishavainto tehtiinkin. Nyt, huhtikuun 25. päivänä tapahtuneen törmäyksen S190425z yhteydessä ei ainakaan vielä ole optisen alueen tai radiohavaintoja tehty, eikä näin ollen törmäyksen paikka on edelleen tarkentumatta, vaikka etäisyydelle on saatu arvioitua noin 500 miljoonaa valovuotta. Paikan määrittelyä vaikeutti se, että LIGO Hanford oli off-line -tilassa ja havainnot tehtiin vain LIGO Livingstonissa ja Virgolla Italiassa. Huhtikuun 26. päivänä havainnot tehtiin kaikissa kolmessa observatoriossa, joten paikan määritteleminen pitäisi olla hieman helpompaa.

Gravitaatioaaltoja havaittiin ensikerran vuonna 2015. Havaintoverkko on havainnut kaikkiaan 13 mustan aukon yhdistymistä, kaksi neutronitähtien törmäystä ja nyt viimeksi (26.4.) mustan aukon ja neutronitähden törmäyksen.

Lisää graviaatioaalloista Avaruusmagasiinissa haulla
http://avaruusmagasiini.blogspot.com/search?q=gravitaatioaallot

Gravitaatio-observatoriot aloittivat uuden havaintokauden

Yhdysvalloissa sijaitsevat LIGO-observatoriot ovat jälleen havaitsemassa maailmankaikkeuden gravitaatioaaltoja. Niiden vuoden kestänyt uudistustyö on saatu päätökseen ja havainnot aloitettiin huhtikuun alussa.

LIGO-observatorio Livingstonissa Yhdysvalloissa. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab.

Laiteuudistuksista tärkein oli voimakkaampien laser-laitteiden asentaminen. Lisäteho parantaa instrumenttien herkkyyttä. Samaan tähtää myös muutokset itse lasersäteessä. Niiden halkaisijaa on pyritty saamaan kapeammiksi.

LIGO-observatorioiden lisäksi gravitaatioaaltoja havaitsee Italiassa oleva VIRGO ja mahdollisesti ensisyksystä alkaen myös Japanissa sijaitseva KAGRA -observatoriot. Mitä useampi observatorio tekee havaintoja samasta gravitaatioaallosta, sitä tarkemmin sen lähde taivaalla voidaan määrittää.

Gravitaatioaallot syntyvät massiivisten mustien aukkojen, neutronitähtien tai näiden yhdistelmien törmäysten seurauksena. Tutkijat toivovat havaitsevansa epäsymmetrisen neutronitähden lähettämien havaitsemista, vaikka tällaisten kohteiden tuottamat aallot ovat intensiteetiltään pieniä. Signaali on kuitenkin jatkuvaa, joten sen havaitseminen olisi kuitenkin mahdollista tunnistamisen jälkeen.

Toistaiseksi havaittuja gravitaatioaaltoja on puolenkymmentä. Ne ovat massiivisten mustien aukkojen yhdistymisiä. Vain yhdessä tapauksessa kyseessä on ollut neutronitähtien törmäys. Tutkijat ovat näistä erityisen kiinnostuneita, sillä neutronitähtien törmäys tuottaa myös sähkömagneettisen säteilyn välähdyksen ja se puolestaan on mahdollista havaita avaruuskaukoputkilla. 

Mustien aukkojen yhdistyminen ei tuota havaittavaa purkausta sähkömagneettisen säteilyn alueella. Gravitaatioaaltojen ja smg-säteilyn yhdistävät havainnot mahdollistavat kohteen etäisyyden ja paikan määrittämisen ja se puolestaan auttaa tutkijoita määrittämään myös puhtaasti gravitaatioaaltoja tuottavan tapahtuman etäisyyden määrittämisessä.

Aiheesta aikaisemmin tässä blogissa

Gravitaatiotähtitieteen synty?

Huikea läpimurto

Uusi gravitaatioaaltohavainto

Neutronitähtien sulautumisessa syntyi musta aukko

Fysiikan Nobel gravitaatioaaltojen löydöstä

Neutronitähtien sulautumisessa syntyi musta aukko

Havaitut gravitaatioaallot. Kuva LIGO/Virgo-observatoriot.

Elokuun 17. päivänä havaittu kahden neutronitähden yhteen sulautuminen aiheutti gravitaatioaaltoja, jotka havaittiin toiminnassa olleilla LIGO- ja Virgo-observatorioilla. 

Uusimpien tutkimusten^[1] mukaan kaksi neutronitähden (massat 1,48 ± 0,12 M_Sun ja 1,26 ± 0,1 M_Sun) törmäyksestä aiheutuneita  gravitaatioaaltoja havaittiin yli 100 sekunnin ajan. Sen lisäksi tapahtumaa havaittiin^[2] monilla muilla havaintovälineillä aina röntgensäteilystä radioaaltoihin asti.

Tutkimuksen mukaan 2,74 + 0,04-0,01 M_Sun massainen kompakti kohde on todennäköisesti musta aukko, sillä joulukuun 3 ja 6. päivinä tehdyt röntgenhavainnot eivät vastaa massiivisen  ja erittäin voimakkaan magneettikentän omaava neutronitähden aiheuttamaa säteilyä. 

Havainnot eivät vastaa  neutronitähtien kertymäkiekon säteilyä, sillä röntgensäteily oli aivan liian kirkas ollakseen lähtöisin kertymäkiekosta. Säteilylähde ei myöskään voinut olla relativistisella nopeudella etenevä hiukkassuihku, sillä sellaisen vuo olisi himmeämpi 102 vuorokauden jälkeen.  

Tutkimuksen mukaan röntgensätely on peräisin sulautumisen aiheuttamasta sokkiaallon vuorovaikuttaessa  tähtienvälisen aineen kanssa ja havainnot viittaavat siihen, että neutronitähdistä todennäköisesti syntyi musta aukko.

Huomautukset

[1] Trinity yliopiston, Texasin yliopiston ja Kalifornian yliopiston Eureka tieteellisen tutkimusryhmän tutkijoiden julkaisema tutkimus

David Pooley, Pawan Kumar, J. Craig Wheeler:  GW170817 Most Likely Made a Black Hole;
arXiv:1712.03240 [astro-ph.HE]

[2] Lue artikkeli http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2017/10/huikea-lapimurto.html

Jälleen uusi gravitaatioaaltohavainto LIGOlla

Havaitut mustien aukkojen sulautumiset. Kuvassa on esitetty
mustien aukkojen massat ennen ja jälkeen sulautumisten.
Kuva LIGO.

LIGO-observatoriot julkaisivat uuden gravitaatioaaltohavainnon marraskuun 15. päivänä (2017). Itse havainto oli tehty kesäkuun 8. päivän kello 2.01.16 UT aikaan Linvingstonissa sijaitsevassa observatoriossa. 

LIGO-observatorioista Hanford oli huolettavana ja sen vuoksi hälytykset olivat siellä kytketty pois toiminnasta. Muutoin laitos oli havaintovalmiina ja aallot havainto tehtiin myös siellä huollosta huolimatta. Havainto sain tunnuksekseen GW170608.

Italiassa lähellä Pisan kaupunkia sijaitseva Virgo-observatorio ei vielä siihen aikaan ollut tutkimuskäytössä, sillä sen ensimmäiset havainnot aloitettiin vasta elokuun alussa. Virgo tutkimusryhmä kuitenkin osallistui LIGO-observatorioiden havaintojen käsittelyyn.

Havaintojen perusteella tutkimusryhmä laski toisiinsa sulautuneiden mustien aukkojen kokojen olleen 7 ja 12 auringonmassaa^[1] ja lopputuloksena oli 18 auringonmassainen musta aukko. Näin ollen pari auringonmassaa säteili tapahtumasta gravitaatioaaltoina.

Gravitaatioaaltojen taajuuden muutos juuri ennen yhdistymista.
Kuva LIGO.

Tapahtuma sattui yli miljardin valovuoden etäisyydellä^[2]. Paikkamääritys oli tietysti hyvin epätarkkaa vain kahden observatorioiden tietojen perusteella. Se kuitenkin sijaitsee pohjoisella tähtitaivaalla ja alue on noin 520 neliöastetta laaja.

Tapahtuma oli mielenkiintoisesti toistaiseksi pienimpien mustien aukkojen aikaansaama mitä koskaan on havaittu. Mustien aukkojen koot olivat kuitenkin lähellä GW151226 tehdyn havaintojen mustien aukkojen massoja, jotka olivat 8 ja 14 auringonmassaa ja silloin lopputuloksena oli 21 auringonmassainen musta aukko. Molemmissa LIGO-obaservatorioissa (Hanford ja Livingston) gravitaatioaaltojen aikaansaama signaalit olivat hyvin heikkoja, juuri ja juuri sillä tasolla, että havainto pystyttiin tekemään vaadittavalla luotettavuudella.

Huomautukset

[1] Massat olivat 7±2 M_Sun ja 12⁺⁷_-2 M_Sun 90 % luottavuudella.

[2] Etäisyydeksi laskettiin 340±140 MPc (mega parsekkia) joka on 1 108 400 000 valovuotta ja se vastaa punasiirtymää z= 0,07±0,03.

Lähteet

1.      “GW170608: Observation of a 19-solar-mass Binary Black Hole Coalescence.” arXiv.org on November 15, 2017.

2.       www.skyandtelescope.com/astronomy-news/ligo-sees-smallest-black-hole-binary-yet-1611201723/?utm_source=newsletter&utm_campaign=sky-jma-nl-171117&utm_content=982640_EDT_SKY_171117&utm_medium=email

Huikea läpimurto

Lokakuun 16. päivänä saatiin odotettu tieto tieteellisestä läpimurrosta. Molemmat LIGO- observatoriot Yhdysvalloissa^[1] ja Virgo-observatorio^[2][6] Italiassa oli havainnut gravitaatioaaltoja, joiden alkuperäksi paljastui kahden neutronitähden^[3] törmäys ja yhteensulautuminen. 

Tapahtuma synnytti myös kirkkaan gammasäteilyn purkauksen^[4] (GRB), jotka puolestaan havaittiin avaruudessa Maata kiertävillä radoilla olvissa Fermi- ja INTEGRAL-obsrevatorioissa. Hyvin pian osoittautui, että molempien havaintojen aiheuttaja sijaitsi eteläisellä tähtitaivaalla Vesikäärmeen tähdistössä sijaitsevassa NGC 4993 galaksissa.

Gravitaatioaallot, jotka saivat tunnuksen GW170817, havaittiin elokuun 17. päivänä (2017) kello 12.41.04 UTC aikaa (kello 15.41.04 Suomen aikaa). Havainto tehtiin kaikissa kolmessa laser-interferometrissä samanaikaisesti, tai oikeammin niin pienellä aikaerolla, että gravitaatioaaltojen lähteen sijainti pystyttiin laskemaan hyvin tarkasti. Gravitaatioaaltoilun kesto oli peräti 100 sekuntia, mikä on ennennäkemättömän pitkä aika. Aikaisemmin havaitut aallot ovat ajallisesti kestäneet vain 0,2–0,5 sekuntia. Poikkeuksena kuitenkin oli GW151226 joulukuun 26. päivänä vuonna 2015 tehty havainto, jolla oli pituutta noin 1,6 sekuntia.

Neutronitähtien törmäyspaikka on osoitettu nuolella. Kuvissa
nähdään jälkihehkun himmeneminen.

Gravitaatioaaltojen havaitsemisen jälkeen kului aikaa vain 1,7 sekuntia, kun röntgenpurkauksia avaruudessa etsivät Fermi- ja INTEGRAL-observatoriot tekivät gammapurkauksesta havainnon. Ne paikansivat purkauksen eteläiselle tähtitaivaalle Vesikäärmeen tähdistöön ja lähettivät automaattiviestin GRB-purkauksesta sähköpostilla. Näin suuri joukko maanpinnalla olevia ja avaruudessa olevia observatorioita pystyi tekemään purkauksesta havaintoja ensimmäisistä minuuteista alkaen.

Seuraavaksi saatiin optinen havainto kilonovaksi^[5] kutsutusta ilmiöstä. Aikaa oli kulunut gravitaatioaaltojen vastaanottamisesta 10 tuntia 52 minuuttia. Kilonovan havaitseminen varmisti paikaksi galaksin NGC 4993 Vesikäärmeen tähdistössä. Varmistus oli välttämätöntä, sillä alustavan paikanmäärityksen epätarkkuudesta johtuen, lähistöllä oli kymmenkunta muutakin mahdollista galaksia missä purkaus olisi voinut tapahtua.

Virgo-observatorio Pisassa Italiassa. Kuva Virgo.

Seuraavaksi havaittiin himmeä infrapunainen säteilylähde samalla paikalla kun aikaa oli kulunut 11 tuntia 36 minuuttia. Seuraavaksi kohde havaittiin kirkkaana uv-valon aallonpituudella kun aikaa oli kulunut 15 tuntia.

Tämän jälkeen kului hieman pitempi aika, sillä röntgensäteilyä kohteesta havaittiin vasta 9 vuorokauden kuluttua.  Viimeksi saatiin havainto radiosäteilystä 16 vuorokauden kuluttua. Näin kohde oli havaittu kaikilla mahdollisilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla ja työhön oli osallistunut 70 observatoriota ympäri maapallon.

Tutkijoille oli heti alusta alkaen päivän selvää, että tässä oltiin aivan uudenlaisen ilmiön äärellä. Havaitun gravitaatioaaltoilun pitkä kesto jo paljasti, että kyseessä eivät voineet olla yhteen sulautuvat mustat aukot, vaan neutronitähtipari. Toisiaan kiertäessään neutronitähdet menettävät potentiaalienergiaansa gravitaatiosäteilynä ja lopulta ne törmäävät toisiinsa. Tässä tapauksessa viimevaiheen tapahtumien alkaessa tähtien välinen etäisyys oli vain 300 km ja 100 sekuntia myöhemmin ne törmäsivät toisiinsa.

Gammapurkauksen havaitseminen kertoi myös omaa tarinaansa tapahtumasta, sillä jos kyseessä olisi ollut mustien aukkojen muodostama pari, gammapurkausta ei olisi syntynyt. Näin on käynyt aikaisemmin havaituissa tapauksissa. Selitystä täytyi etsiä muista tapahtumista ja neutronitähtipari on vahvin kandittaatti (toki muutama muukin ilmiö selittäisi gammapurkauksen).

Galaksin NGC 4993 sijainti Vesikäärmeen tähdistössä.

Gravitaatioaaltohavainnosta pystyttiin myös laskemaan monia muita asioita. Neutronitähtiparin etäisyys oli noin 130 miljoonaa valovuotta ja niiden massat olivat 0,86–1,36 ja 1,36–2,2 auringonmassaa. Törmäys aiheutti gammapurkauksen joka siis havaittiin hetki törmäyksen jälkeen.

Gravitaatioaaltojen ja gammapurkauksen samanaikainen havaitseminen todisti tutkijoiden olettaman siitä, että gravitaatioaallot etenevät valonnopeudella. Tästä asiasta tuskin oli eriäviä mielipiteitä tutkijoiden keskuudessa, mutta aaltojen etenemisnopeudelle ei ollut aikaisemmin saatu minkäänlaista tieteellistä näyttöä. Ja tieteessähän ei ole mikään asia varmaa ja totta ennen kuin tieteellinen näyttö on saatu.

Gravitaatioaaltojen ja galaksista NGC 4993 tulevan valon punasiirtymän avulla tutkijat pystyivät laskemaan Hubblen vakion arvon suurella tarkkuudella. Tulos oli 70⁺¹²_-8 km/sMpc, joka on kutakuinkin virherajat huomioiden sama tulos kuin jokunen vuosi sitten Planck-observatorion mittausten perusteella laskettu arvo. 

Gravitaatioaaltojen havainto LIGO-observatoriossa ja
Fermi ja INTEGRAl-observatorioissa. Kuva LIGO.

Neutronitähtien törmäys sinkoaa avaruuteen runsaasti ainetta, joka muodostaa syntyneen neutronitähden ympärille ainepilven. Pilvessä paitsi, että se säteilee kaikilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla ajan kuluessa, tapahtuu myös paljon hiukkasfysiikan alueeseen kuuluvia ilmiöitä. Nopea neutronisieppaus muuttaa pilven alkuaineet (esimerkiksi raudan) raskaammiksi alkuaineiksi. Näitä raskaita alkuaineita ja harvinaisia maametalleja ovat esimerkiksi kulta, platina, seleeni, rutenium, teknetium, barium, neodyymi ja erbium sekä uraani. Osa näistä syntyneistä isotoopeista on radioaktiivisia ja siitä syystä pilvessä on myös jonkin verran kevyempiä alkuaineita, jotka ovat syntyneet radioaktiivisissa jakautumisissa.

Katso ESOn julkaisema videoanimaatio neutronitähtiparin törmäyksestä!

Tässä on syventävä video tapahtumasta:

Huomautukset

 [1] The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) on kaksi laser-interferometriaa käyttävää observatoriota, jotka sijaitsevat Hanfordissa ja Livingstonissa Yhdysvalloissa. Observatorioiden välinen etäisyys on yli 3000 km. Katso hakusanalla LIGO tässä blogissa julkaistuja artikkeleita!

[2] Virgo-observatorio sijaitsee Pisan kaupungin läheisyydessä Italiassa. Rakenteellisesti se on samanlainen kuin LIGO-observatoriot, vain laser-säteiden tyhjiöputket ovat lyhyempiä. Niiden pituus on noin 3 km.

[3] Neutronitähdet koostuvat lähinnä neutroneista, jotka ovat pakkautuneet (ei sähkövarausta) aivan toisiinsa kiinni. Neutronitähden ytimessä on ajateltu aineen olomuodoksi kvarkki-plasmaa. Neutronitähden pinnalla voi olla muutaman senttimetrin vahvuinen ”ilmakehä” joka koostuu raudasta. Neutronitähtien halkaisija on noin 20 km ja massa noin 1–2 auringonmassaa. Neutronitähdet syntyvät kevyimmissä supernovissa, joissa tähden ydin luhistuu noin >1,4 auringonmassaiseksi neutronitähdeksi.

]4] Gammasädepurkaukset ovat lyhytaikaisia ja erittäin kirkkaita nimensä mukaisesti gammasäteilyn purkauksia. Purkausten kesto on lyhytaikaisissa purkauksissa enintään 2 sekuntia ja pitkäaikaiset voivat olla jopa muutaman minuutin mittaisia. Lyhyiden gammapurkausten aiheuttajaksi on ajateltu neutronitähtien törmäyksiä ja pitkäaikaisten purkausten aiheuttajina on pidetty hypernovia, hyvin suurimassaisten tähtien supernovapurkauksia.

Gammapurkaukset ovat kapeita keiloja ja me näemme vain sellaiset, joiden keilat osuvat meihin. Gammapurkauksia havaitaan avaruuteen sijoitetuilla observatorioilla ja niitä nähdään noin kerran vuorokaudessa tai parissa. Gammapurkausten lähteet sijaitsevat yleensä hyvin kaukaisessa avaruudessa, joten GW+GRB170817 tapahtui harvinaisen lähellä, etäisyys oli noin 130 miljoonaa valovuotta.

[5] Tähdissä tapahtuvia kirkastumia kutsutaan yhteisellä nimellä nova. Etuliitteet: hyper-, super- ja kilo- kuvastavat kirkkautta ja vapautuvaa aine- ja energiamäärää siten, että kaikkein massiivisimmat tähdet aiheuttavat hypernovaksi kutsuttuja ilmiöitä. Kilonova on siis supernovaa heikompi ja himmeämpi purkaus mutta tavallista novaa kirkkaampi. Novan himmeämpiä versioita ovat toistuvat novat, novamaiset muuttujat ja muuttujat. Näistä viimeksi mainitut ovat tähtiä, joiden kirkkaus vaihtelee enemmän tai vähemmän säännöllisesti.

[6] Virgo-observatorion havaitsema signaali oli heikko mutta riittävä paikanmäärityksen tarkentamiseen. Heikon signaalin syy oli observatorion suunta lähteeseen juuri tapahtuma-aikaan. Jos gravitaatioaaltojen tulosuunta muuttaa molempien tyhjiöputkien pituutta lähes yhtä paljon ja samaan suuntaan, signaali jää heikoksi vaikka muutoin (tai muutama tunti aikaisemmin tai myöhemmin) se olisi selvästi havaittavissa.

Uusi gravitaatioaaltohavainto

Gravitaatiaaltojen havainnto kolmessa observatoriossa.
Kuva LIGO/Virgo/Caltech/MIT.

Gravitaatioaaltoja etsivät tutkijat ovat havainneet gravitaatioaaltoja. Tällä kertaa havainnot tehtiin kahdessa LIGO-observatoriossa[1] ja Italiassa sijaitsevassa Virgo-observatoriossa[2]. Virgo-observatorion käyttöönotto tapahtui tänä vuonna elokuun alussa ja nyt julkistettu löytö oli sen ensimmäinen. Gravitaatioaallot havaittiin elokuun 14 päivänä kello 13.30.34 Suomen aikaa. Näin ollen havainto sain tunnuksekseen GW170814.

Gravitaatioaallot syntyivät kahden mustan aukon yhdistyessä noin 1,8 miljardin valovuoden etäisyydellä. Mustien aukkojen massat olivat 31 ja 25 auringonmassaa ja niistä muodostui 53 auringonmassainen musta aukko. Näin ollen gravitaatioaaltojen mukana poistui energiaa noin 3 auringonmassa verran.

Kaikki gravitaatioaaltohavainnot.
Kuva LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)].

Kolmannen observatorion samanaikainen havainto mahdollisti tapahtumapaikan määrittelemisen entistä tarkemmin. Nyt gravitaatioaaltojen lähde paikannettiin vain 60 neliöasteen alueelle eteläisellä tähtitaivaalla, kun taas kahden LIGO-observatorion aikaisemmat paikannukset olivat kymmenen kertaa suurempia alueita. Myös etäisyysmääritys tarkentui.

Kolmas observatorio mahdollisti myös gravitaatioaaltojen polarisaation havaitsemisen, kun kahdella observatoriolla se ei ollut mahdollista. Näin ollen gravitaatiotähtitiede sai uusia työkaluja käyttöönsä.

Gravitaatiaaltojen lähteiden paikanmääritys. Yloin kehä
edustaa 90 % luotettavuutta ja sisin kedä 10 % luotetavuutta.
GW170814 on pieni alue eteläisellä taivaanpallolla.
Kuva LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer
(Milky Way image: Axel Mellinger)]

Huomautukset

[1] LIGO-observatoriot sijaitsevat Yhdysvalloissa Livingstonissa (Louisiana) ja Handword’issa (Washington).

[2] Virgo-obsrvatorio sijaitse lähellä Pisaa Italiassa. Virgo-observatorio laitteitojen uudistamien aloitettiin lokakuussa 2011 ja valmiiksi ne saatiin helmikuussa 2017. Ensimmäisen kerran sen nimellinen työvalmius saavutettiin huhtikuussa ja varsinainen havaitseminen aloitettiin elokuun alussa. Virgo ei ole aivan yhtä herkkä kuin LIGO-observatoriot, johtuen laser-putkien lyhyemmästä pituudesta.

LIGO käynnistettiin

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) käynnistettiin uudelleen lokakuun 30 päivänä. Observatoriota on ollut käytöstä poissa viime tammikuusta lähtien. Observatorion herkkyyttä on parannettu jopa 25 % tehokkaammilla lasereilla, uudistetulla elektroniikalla ja optiikalla! Lisäksi lasersäteiden siroamista on onnistuttu vähentämään merkittävästi.

LIGO observatorion tehtävänä on havaita gravitaatioaaltoja. Observatorio ilmoitti viime helmikuussa havainneensa ensimmäisen kerran vuoden 2015 syyskuussa. Myöhemmin keväällä ilmoitettiin myös viimevuoden joulukuussa tehdystä havainnosta. Näiden lisäksi myös lokakuulta 2015 on havainto mutta sen mittausdata ei ole niin hyvää, että sitä voitaisiin pitää todellisena havaintona, sattumalla on liian paljon sijaa.

Uudistetut LIGOn kaksi observatoriota ovat siis entistä herkempiä. Sen lisäksi Italiassa lähelle Pisaa rakennetun Virgo-observatorion uudistustyö pitäisi valmistua vielä tämän vuoden puolella, vaikkakin sen varsinainen käyttöönotto tulee tapahtumaan vasta vuonna 2018. Virgon tyhjiöputket ovat vain 3 km kun LIGOn putket ovat 4 km pitkiä. Näin ollen ne toimivat aavistuksen erilaisilla taajuusalueilla, mutta se ei liene este yhteistyölle näiden observatorioiden kesken.

Gravitaatioaalto-observatorioiden rakentaminen on ryöpsähtänyt käyntiin. Japaniin on tulossa Kamioka-kaivokseen kaksoisputkistolla varustettu observatorio ja Intiaan on rakenteilla LIGO-observatorioita vastaava observatorio. Näiden käyttöönotto ei kuitenkaan ole aivan lähitulevaisuudessa.

Hieman kauempana tulevaisuudessa on Euroopan avaruusjärjestön (ESA) suunnitelma rakentaa avaruuteen kolmesta satelliitista koostuva LISA-observatorio, jonka sivun pituudeksi tulee miljoona kilometriä. LISA-suunnitelmaa käynnistettäessä Yhdysvallat (NASA) oli mukana, mutta liittovaltion huonon taloudellisen tilanteen vuoksi he joutuivat vetäytymään hankkeessa vuonna 2011. Nyt kuitenkin näyttäisi siltä, että NASA liittyisi uudelleen mukaan LISAan, tosin uuden presidentin myötä tilanne voi jälleen muuttua.

Kosmologiapalkinto gravitaatioaaltojen havaitsijoille

Gravitaatioaaltojen havaitut avaruudenvärähtelyt. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab

Guber säätiön kosmologiapalkinto on luovutettu kolmelle gravitaatioaaltojen löytäjälle ja heidän tutkimusryhmälleen. Palkinnon saajat ovat Ronald Drever, Kip Thorne ja Rainer Weiss. Palkinto luovutettiin heinäkuun 12. Päivänä 21. Kansainvälisessä suhteellisuusteoria ja gravitaatio konferenssissa (21st International Conference on General Relativity and Gravitation) Columbia yliopistossa New Yorkissa.

Palkinto koostui kunniakirjan ja kultamitalin lisäksi 500 000 dollarin rahasummasta, joka jaetaan kolmen palkinnon saajan kesken. ”Tutkijoista ja insinööreistä koostuvan työryhmän monen vuoden kova työ huipentui todella tärkeään löytöön. Tämän havainnon myötä, he eivät ole vain vahvistaneet Einsteinin gravitaatioteoriaa, van myös avanneet uuden alan havaitsevaan tähtitieteeseen”, sanoin Gruber säätiön Kosmologia palkinnon valintalautakunnan puheenjohtaja Robert Kennincutt.

Garvitaatioaaltoja havaittiin ensimmäisen kerran viime syyskuussa tehdyissä havainnoissa Laser Interferometer Gravitational‐Wave Observatory (LIGO) laitteistoilla Hanfordissa (Washington) ja 

Livingstonessa (Luisiana). Löydöstä on kerrottu tämän blogin artikkelissa

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/02/gravitaatiotahtitieteen-synty.html

ja toisesta löydöstä artikkelissa

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/06/uusi-havainto-gravitaatioaalloista.html

Ronald Drever. Kuva IAU.

Kip Thorne. Kuva IAU.

Rainer Weiss. Kuva IAU.

Kirjauutuus gravitaatioaaltojen jäljillä

Janna Levin

Mustan aukon blues

ja muita ääniä ulkoavaruudesta

Suomentanut Markus Hotakainen

Ursa ry. 2016

ISBN 978-952-5985-35-1

Nid. 236 sivua

Gravitaatioaaltojen tutkimus on nytkähtänyt viimeisen vuoden aikana merkittävästi eteenpäin ensimmäisten havaintojen myötä. Tähän pisteeseen pääseminen on vaatinut tuhansilta ihmisiltä valtavasti työtä monella mantereella. Silti tälläkin alalla on omat yksinäiset pioneerinsa, joiden usein varmasti turhauttavaltakin tuntunut työ ja usko onnistuneeseen lopputulokseen on ollut välttämätöntä. Jos jotkut heistä olisi ”heittänyt kintaat tiskiin”, tutkijat eivät varmastikaan olisi vielä viime syyskuussa tehneet läpimurtohavaintoa.  Itse asiassa kyse oli vain yhdestä tunnista, johon koko gravitaatioaaltojen havaintohistoria huipentui.

Janna Levin on siis kirjoittanut kirjan gravitaatiotutkimuksen historiasta, ei niinkään fysiikasta vaan enemmän niistä ihmisistä, joiden työpanos on tavalla tai toisella johtanut Advance LIGO observatorioiden suunnitteluun ja rakentamiseen.  Itse tutkimustyö näillä pioneereilla, ei kenelläkään, ole ollut helppoa, niin kuin se ei ole helppoa muillakaan tieteenaloilla. Gravitaatiotutkimuksen pioneerit ovat taistelleet omasta paikastaan, tutkimusten rahoituksista ja koko työn oikeutuksesta. Välillä on riidelty, kiusattu, jätetty huomiotta, annettu potkuja, siirretty toisiin tehtäviin jne. ehkä enemmän kuin missään muualla, tai ehkä ei sittenkään.

LIGO Hanford. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) on ollut monivaiheinen tehtävä ennen kuin kaikki on ollut valmista. Se aloitettiin jo 1980-luvulla 40 metrin testilaitteistolla, jolla kehitettiin havaintotekniikkaa. Tällä laitteistolla kukaan tutkijoista ei edes odottanut havaittavan oikeasti gravitaatioaaltoja.  

Täysimittaisten observatorioiden rakentamiseen päästiin vasta 1994, jolloin Yhdysvaltain budjettiin myönnettiin 395 miljoonan dollarin määräraha rakentamisen aloittamiseen. Vielä saman vuonna rakennustyöt aloitettiin Hanfordissa (Washington) ja seuraavana vuonna Livingstonissa (Louisiana).

Ensimmäinen havaintokausi käynnistyi vuonna 2002 ja kesti vuoteen 2010 asti. Tänä aikana ei kuitenkaan havaittu gravitaatioaaltoja. Oikeastaan tutkijat eivät näin uskoneet edes käyvän, sillä samaan aikaan kehitettiin uutta tekniikkaa herkkyyden parantamiseksi ja kohinan vähentämiseksi. Havaintojen keskeyttämisen jälkeen observatoriot kokivat lähes täydellisen muutoksen, vain alkuperäiset 4 km mittaiset tyhjiöputket olivat ensimmäisen vaiheen LIGOsta jäljellä. Uudistetut observatoriot saivat nimikseen Advanced LIGO.

Suunnitellun aikataulun mukaan observatorioiden käyttöönotto piti tapahtua syyskuun puolivälissä 2015. Laitteiston virittäminen kuitenkin oli vienyt niin paljon aikaa, että varsinaista käyttöönottoa oli päätetty lykätä viikolla tai parilla. Alkuperäisen suunnitelman mukaisen käyttöönottoviikonloppuna tehtiin virityksiä. Laitteisto saatiin viimein lukittua sunnuntai-iltana syyskuun 13. päivänä Hanfordissa ja laitteisto jätettiin havaintomoodiin. Livingstonissa tehtiin sama varhain maanantaiaamuna syyskuun 14. päivänä. Mitä sitten tapahtui, voit lukea sen itse kirjasta! – Kari A. Kuure.

Uusi havainto gravitaatioaalloista

Tunnettujen mustien aukkojen kokoja.
A-LIGO-havainnot on merkitty sinisellä.
Gravitaatioaaltoja lähettäneet tapahtumat on
merkitty tunnuksella GW (Gravitaniolal Wave)
ja sen perässä oleva numerosarja viittaa havainnon
päivämäärää muodossa vvkkpp. Kuva LIGO.

Advanced LIGO –gravitaatioaalltojen tutkimuslaboratoriossa tehtiin uusi gravitaatioaaltohavainto joulukuun 26. päivän aamuna kello 5.38 Suomen aikaa (25.12.2015 kello 22.38 paikallista aikaa). Aivan samoin kuin viime syyskuussa tehty gravitaatiohavainto, tämäkin aaltokimppu syntyi kahden mustan aukon toisiinsa sulautumisesta.

Sulautuneet mustat aukot olivat 14 ja 8 auringonmassaisia ja niistä syntyi 21 auringonmassainen mustaukko. Jäljelle jäi noin yhden auringonmassainen massaylijäämä, joka poistui järjestelmästä gravitaatioaaltoina. Havainnot kattoivat mustien aukkojen viimeiset 27 kierrosta toistensa ympäri.

Toistaiseksi tutkijat eivät pysty määrittelemään missä kyseinen mustien aukkojen yhdistyminen tapahtui. Ainoastaan sen etäisyys voidaan arvioida suhteellisen tarkasti. Mustat aukot yhdistyivät 1,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Advanced LIGO laboratorion mittauspisteet sijaitsevat Pohjois-Amerikassa, mutta kahden mittauksen perusteella ei tarkkaa paikkaa pystytä määrittämään. Signaalit havaittiin vain 1,1 millisekunnin aikaerolla. Tarkan paikan määrittämiseksi tarvitaan kolmas havaintoasema ja sellainen (Virgo) on valmistumassa remontin jälkeen myöhemmin tänä vuonna Italiaan.

Ensimmäisen gravitaatioaaltojen (GW150914) mahdollinen
sijainti. Kahdella observatoriolla pystytään määrittämään
gravitaatio-aaltojen lähde vain laajalle kehälle. Tarvitaan
vähintään kolmas observatorio, jotta paikka saataisiin
tarkasti määritettyä ja mahdollinen optinen jälki
löydettyä. Kuva LIGO.

Advanced LIGO havaintoasemien tekemän havainnon signaalin löytyminen vei pitempään kuin ensimmäisen havainnon. Tämä johtui heikommasta signaalista, jonka voimakkuus oli heikompi kuin laitteiston normaali kohina. Tästä syystä tutkijat joutuivat kehittelemään uudistettuja signaalin paljastavia tietokonealgoritmeja, joiden avulla laitteiston herkkyyttä voitiin parantaa 15–25 % entisestään. Parannus ei ehkä tunnu kovinkaan merkittävältä, mutta tässä tapauksessa se oli kuitenkin ratkaiseva tekijä.

Joulukuussa tehty havainto oli oikeastaan kolmas, sillä myös lokakuun 12. päivä 2015 tehtiin havainto, mutta sen mittaustulokset eivät olleet tilastollisesti merkittäviä. Alustavasti sen aiheutti noin 23 ja 12 auringonmassaisten mustien aukkojen yhdistyminen. Tähän lokakuun havaintoon viitattiin jo ensimmäisen gravitaatioaaltojen havaitsemisesta kertovien uutisointien yhteydessä.

Katso myös artikkeli Gravitaatiotähtitieeen synty? http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/02/gravitaatiotahtitieteen-synty.html

jossa on selostettu laajasti gravitaatioaaltojen havaitsemista!

Gravitaatioaaltoja pyritään havaitsemaan useilla laser-interferometreillä. Tähänastiset kaksi tai kolme havaintoa on tehty
Yhdysvalloissa olevilla LIGO Hanford ja LIGO Livingston observatorioilla, mutta ensivuonna kaksikko saa mukaan tutkimuksiin Pisan lähelle Italiaan  valmistuvan observatorion. Intia hyväksyi alkuvuodesta samanlaisen observatorion rakentamisen ja Japaniin on rakenteilla KAGRA-observatorio. Kuva LIGO.

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).