Näillä laitteilla gravitaatioaaltoja metsästetään


Mitä teit viime syyskuussa, maanantaina 14. päivänä klo 12.51 Suomen aikaa? Silloin sinäkin muutit muotoasi hieman, koska 1,3 miljardia vuotta sitten toisiinsa törmänneiden mustien aukkojen lähettämä painovoima-aalto heilutti aika-avaruutta näillä kulmilla maailmankaikkeutta. Ja silloin tähtitieteilijöille avautui uusi ikkuna avaruuteen.


Kuten uutiset ovat tänään kertoneet kautta maailman (kuten mekin aiemmassa artikkelissammeennakkojutussamme ja ensimmäisessä uutisessamme tammikuussa), on painovoima-aaltoja viimeinkin todistetusti havaittu. Tuo viime syyskuinen tapaus havaittiin riippumattomasti LIGO-havaintoryhmän kahdessa mittalaitteessa ja havainto oli jopa hämmentävän tarkasti sellainen kuin osattiin jo ennalta odottaa.

Havainto on merkkipaalu tähtitieteen historiassa ja varmasti joku tai jotkut tulevat pokkaamaan siitä mitalin Tukholmassa kenties jo ensi joulukuussa.

Tätä löytöä on kuitenkin pohjustettu jo pitkään, sillä teoreettisen pohjan gravitaatioaalloille antoi itse Albert Einstein sata vuotta sitten.

Se on pääpiirteissään hyvin yksinkertainen: liikkuva massa ja/tai suuret energiat saavat aikaan värähtelyä avaruuden geometriassa samaan tapaan kuin veteen heitetty tiiliskivi saa aikaan aaltoja veden pinnalla. Jos kauempana veden pinnalla on pieni kelluva puunpala, se heilahtelee ylös ja alas aallon vaikutuksesta. Tai jos palasia on kaksi, niiden välinen etäisyys lyhenee ja pitenee sen mukaan kun aallot palasia liikuttavat.

Jos otat käsiisi kaksi klönttiä taikinaa ja paiskaat ne yhteen, syntyy tapauksesta painovoima-aalto, tosin äärettömän pieni sellainen. Kun kävelet, jätät jälkeesi gravitaatioaaltolaineita, ja kun maapallo kiertää Aurinkoa, syntyy siitäkin gravitaatioaaltoja. Mutta vaikka kyseessä olisi Aurinko ja Jupiter, on syntyvä aalto niin pieni, ettemme pystyisi edes hurjimmissa kuvitelmissamme sitä havaitsemaan.

Sen sijaan erittäin voimakkaat kosmiset kolarit ja muut suurienergiset tapahtumat synnyttävät sen verran voimakkaita gravitaatioaaltoja, että niiden havaitseminen on mahdollista – tosin hyvin vaikeaa.

Esimerkiksi nyt aaltohavainnon tehnyt LIGO pystyy mittaamaan alle protonin halkaisijan kymmenestuhannesosan mittaisia (10-19 metriä) hailahteluita noin neljä kilometriä pitässä mittausradassa.

Miten tähän on tultu?

Toden teolla aaltoja on pyritty havaitsemaan 1960-luvun lopulta alkaen, jolloin Marylandin yliopiston fyysikko Joseph Weber rakensi useita raskaita alumiinisylintereitä, joiden hän oletti resonoivan gravitaatioaaltojen vaikutuksesta. Sylinterit olivat kaksi metriä pitkiä ja metrin halkaisijaltaan, mutta hän ei havainnut niillä mitään muuta kuin kohinaa.

Paitsi vuonna 1987: Weber väittää havainneensa omituisen signaalin juuri samaan aikaan kun hyvin lähellä tapahtuneen, voimakkaan supernova SN1987A:n lähettämä painovoima-aalto olisi laskelmien mukaan kulkenut Maan ohitse. Havaintoon ei uskottu – osin siksi, että Weber oli väittänyt havainneensa kaikenlaista jo aiemmin – mutta nyttemmin tätä pidetään varsin todennäköisenä havaintoja. Tosin sitä ei voida mitenkään varmentaa, eikä pitää tieteellisesti pätevänä. 

Mutta kenties ensimmäinen gravitaatioaaltohavainto tehtiinkin viime syyskuun sijaan jo 23. helmikuuta 1987.

Weber kuoli vuonna 2000, joten hän ei ole enää puolustamassa havaintoaan, mutta yksi hänen sylintereistään on nyt esillä LIGO:n Hanfordin tiloissa muistuttamassa historiasta.

Toinen merkittävä historiallinen painovoima-aaltojen havaintokoe on tehty Leidenin yliopistossa Hollannissa. Sinne rakennettiin vuonna 2007 MiniGRAIL -niminen havaintolaite, joka on halkaisijaltaan 68 cm oleva kuparista ja alumiinista tehty pallo. Pallon massa on 1400 kg ja sen oletetaan resonoivan 2,9 kHz:n taajuudella, jos gravitaatioaalto iskeytyy siihen. Värähtelyä havaitseva laitteisto on jäähdytetty hyvin lähelle absoluuttista nollapistettä (20 mK) ja samankaltainen laitteisto on tarkoitus sijoittaa myös São Pauloon. Näin satunnaisten häiriöiden mahdollisuus saadaan suljettua, ja mittauksia voitaisiin tehdä riippumattomasti kahdessa paikassa, aivan kuten LIGO:lla.

Weberin sylinteri ja MiniGRAIL

Kuva: Weber ja hänen sylinterinsä (vasemmalla) sekä Mini GRAIL.

 

LIGO:n jälkeen tulee LIGO

LIGO-havaintoasemat rakennettiin vuosituhannen vaiheessa ja ne otettiin käyttöön vuonna 2002. Kyseessä on kaksi L-kirjaimen muotoon laitettua neljä kilometriä pitkää tunnelia, joiden sisällä on tarkasti pituutta mittaava laserlaitteisto, niin sanottu interferometri. Kun ja jos painovoima-aalto menee ohitse ja heiluttaa tunneleita, niiden pituudet muuttuvat sen verran, että periaatteessa mittaukset saisivat tämän selville.

Kahdeksan vuotta kestäneiden havaintojen aikana LIGO ei havainnut mitään, mutta sulkemisen sijaan sitä paranneltiin. Uusittu LIGO otettiin käyttöön viime syyskuussa ja heti havaintokauden aluksi havaittiin tänään julkistettu tapaus. On mahdollista, että tuonkin jälkeen on saatu lisää havaintoja, mutta tutkijat panttaavat niitä paitsi siksi, että niistä saa uusia julkaisuita myöhemmin, niin myös siksi, että havainnot pitää varmistaa todella huolellisesti.

Alkuperäisellä LIGOlla ei tätä nyt saatua havaintoa olisi voinut tehdä – sen herkkyys ei olisi riittänyt.

LIGOa ollaan edelleen parantamassa ja arvioiden mukaan vuonna 2019 se otetaan jälleen käyttöön viisi kertaa nykyistä herkempänä.

Lisäksi LIGO:sta on tarkoitus tehdä kopio Intiaan, jolloin uusi havaintopaikka toisella puolella maapalloa parantaisi edelleen olennaisesti tuloksia.

VIRGO

VIRGO ja KAGRA

Italiassa, Pisan luona sijaitsee eurooppalainen vastine LIGOlle. Kyseessä on VIRGO-havaintolaite (kuvassa yllä), joka on tyypiltään samanlainen ns. Michelsson-interferometri kuin LIGO, tosin sen L-kirjaimen sivut ovat "vain" kolme kilometriä pitkiä. Mukana hankkeessa ovat Italian lisäksi Ranska, Hollanti, Puola ja Unkari.

VIRGO on ollut käytössä jo vuodesta 2000 alkaen ja vuodesta 2011 se on toiminut modernisoituna, noin 10 kertaa alkuperäistä herkempänä. Silti sillä ei ole onnistuttu saamaan luotettavia havaintoja.

Nyt tänä vuonna VIRGO saa uudet, vieläkin tarkemmat havaintolaitteet ja sen käyttö alkaa uudelleen vuoden loppupuolella. Täydessä, parannetussa potkussaan havaintolaitteen toivotaan olevan vuonna 2018.

Samankaltainen havaintolaite on rakenteilla parhaillaan Japanissa. KAGRAssa (alla) on VIRGOn tapaan kaksi 3 km pitkää tunnelia, mutta näitä on kaksi kumpaakin suuntaan. Tunnelien kaivaminen Kamiokan kaivosalueelle saatiin valmiiksi vuonna 2014 ja laitoksen toivotaan olevan käytössä vuonna 2018. Sen tekijät toivovat saavansa silloin havaittua kaksi tai kolme gravitaatioaaltoa vuodessa.

Tänäisen ensimmäisen signaalin julkistamisen valossa pari uutta gravitaatioaaltohavaintoa vuodessa tuntuu jo hurjalta, tosin todennäköisesti havaintoja alkaa nyt tulla koko ajan lisää. Kenties seuraavat havainnot saadaan myös avaruudesta, missä LISA Pathfinder on aloittamassa juuri rutiinihavaintonsa.