Tässä se on: toinen gravitaatioaaltohavainto – heikko ja huima


Jos ensimmäisen gravitaatioaaltohavainnon julkistamisen jälkeen ilmassa leijui vielä pieni epävarmuus, ei nyt siihen ole enää aihetta: tänään julkistettu toinen havainto tarkoittaa sitä, että tähtitieteessä on alkanut uusi aika.


Aivan rutiinihavainnoista ei vielä ole kyse, sillä havaintojen käsittelyyn ja tarkistamiseen menee vielä kovasti aikaa. Eikä havaintojakaan saada jatkuvasti, sillä tämänkin havainnon tehnyt LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) on viritetty havaitsemaan juuri tämän kaltaisia tapahtumia.

Havainto oli ensimmäisen, helmikuussa julkistetun havainnon tapaan kahden massiivisen mustan aukon törmäys – tai tarkemmin sanottuna sulautuminen yhdeksi suuremmaksi mustaksi aukoksi. Tämä havainto on nimetty GW151226:ksi ja siitä kertonut signaali täräytti LIGOn havaintolaitteita 26. joulukuuta 2015 klo 5:38:53 Suomen aikaa. 

Jos siis viime tapaninpäivän aamun hetkinä jokin tuntui kummalliselta, niin se saattoi olla avaruuden halki kulkenut avaruuden geometrian aalto, joka sai LIGOn lisäksi myös sinut hieman tärähtämään. Todellisuudessa aistein ei tietenkään signaalia pysty huomaamaan, koska äärimmäisen herkkä LIGOkin on havaintokykynsä rajamailla.

Mustien aukkojen törmäys tapahtui 1,4 miljardia vuotta sitten, eli 1,4 miljardin valovuoden päässä. Signaalista tehtyjen analyysien perusteella näyttää todennäköiseltä, että mustat aukot olivat massoiltaan 14 ja 8 Auringon massaisia, ja että tuloksena syntynyt musta aukko oli 21 Auringon massaa. 

Massojen lisäksi signaalianalyysi kertoo mustien aukkojen pyörimisestä. Todennäköisesti aukoista massiivisempi pyöri samaan suuntaan kuin kevyempi kiersi sitä; tämä voidaan päätellä signaalin kestosta, sillä jos pyörimissuunta olisi päinvastainen kevyemmän komponentin kiertosuuntaan verrattuna, olisi signaali nyt havaittua lyhyempi. 

Nähtävästi lopputuloksena ollut musta aukko myös pyörii varsin vinhasti, jopa noin 70 % sen teoreettisesti suurimmasta mahdollisesti pyörimisnopeudesta.



Matematiikkaa!

Kaikki edellä olevat lukuarvot ja mustien aukkojen ominaisuudet on päätelty epäsuorasti saapuneesta signaalista.

LIGO ei pysty näkemään suoraan sitä, mitä on tapahtunut, vaan se havaitsee “ainoastaan” sitä miten avaruuden geometriassa oleva voimakas häiriö vaikuttaa havaintolaitteisiin. Kaksi samanlaista LIGO-teleskooppia mittaa moneen kertaan edes takaisin heijastuvien lasersäteiden avulla sitä kuinka paljon gravitaatioaallot lyhentävät ja pidentävät havaintolaitteita.

Ne tekevät koko ajan mittauksia ja saavat jatkuvasti erilaisia havaintoja, jotka johtuvat pääasiassa erilaisista maanpäällisistä kohteista. Kun esimerkiksi auto ajaa pihalla, se saa aikaan havaittavan tärähdyksen. Jopa vialliset jääkaapit ja kaukana olevat salamaniskut näkyvät LIGOn herkissä mittalaitteissa.

Jotta todelliset havainnot saataisiin esiin, on todennäköisiä signaaleita laskettu etukäteen useita ja LIGOn systeemit on viritetty havaitsemaan tällaisia mustien aukkojen törmäyksiä. Kun odotetun kaltainen signaali tulee, se otetaan tarkempaan syyniin. 

Ensinnä katsotaan onko toinen LIGO-teleskooppi tehnyt samankaltaisen havainnon. Jos noin 3000 kilometrin päässä toisistaan (Washingtonin osavaltiossa ja Louisianassa) sijaitsevat teleskoopit havaitsevat samanlaisen signaalin siten, että havaintohetkessä on sen verran eroa mitä signaalin kulkeminen valon nopeudella paikkojen välillä vie aikaa, on kyseessä todennäköisesti todellinen havainto.

Tässä tapauksessa automaattiset signaalinkäsittelylaitteet hälyttivät jo 70 sekunnin kuluttua havainnosta ja laskivat vain minuutissa arvion signaalin lähteestä.

Sen jälkeen alkoi vasta suurempi työ, kun tutkijat kävivät signaalin kimppuun. Se paitsi tarkistettiin vielä perusteellisesti, niin signaalista tehtiin varsin monimutkaisia matemaattisia malleja. Näillä paitsi laskettiin sitä, millainen tapahtuma synnyttäisi saadun havainnon, niin myös tehtiin malleja muista tapahtumista, jotka voisivat synnyttää signaalin. Näin mahdolliset signaalikäsittelystä tulevat virhemahdollisuudetkin saatiin suljettua pois.

Kummatkin vahvistetut havainnot kuuluvat LIGOn ensimmäiseen havaintojaksoon, joka päättyi viime tammikuun lopussa. Näiden lisäksi on havaittu kolmas signaali, mutta se ei näytä tällä haavaa todelliselta tapahtumalta – tämä epävarmuus osoittaa osaltaan sen, että karsinta toimii. On myös mahdollista, että tämäkin samankaltainen havainto saadaan vielä varmistettua.


Matematiikka auttoi myös määrittämään suunnan, mistä signaali saapui: kahden havaintolaitteen signaalien avulla pystyttiin suunta määrittämään hieman kolmiomittaamisen tapaan. 

Kun myöhemmin saadaan mm. Italiassa ja Intiassa tekeillä olevat gravitaatioaaltoteleskoopit valmiiksi, pystytään tätä suuntamääritystäkin parantamaan olennaisesti.

Verrattuna ensimmäiseen gravitaatioaaltohavaintoon, 14. syyskuuta 2015 tehtyyn GW150914-havaintoon, oli tapaninpäivänä tullut GW151226 heikompi ja se kesti hieman pitempään. Kun ensimmäisen pituus oli 0,2 sekuntia, oli toisen kesto yhden sekunnin. Pitempi signaali on vähemmän selvä, koska se sotkeentuu helpommin havaintolaitteiden jatkuvasti saaviin häiriöhavaintoihin.



Ja nyt toisen kerran LIGOn ja gravitaatiotähtitieteen historiassa on havainto niin varma, että tutkijat ovat uskaltaneet kertoa siitä julkisesti sekä tehdä havainnosta tieteellisen artikkelin.

Kuten tieteessä yleensä, ei yksi havainto ole vielä aivan riittävä aivan uuden asian todistamiseen, mutta toisen havainnon jälkeen asia alkaa olla jo varma. Nyt Nobel-palkinto LIGO-ryhmälle alkaa olla jo varsin varma – ja gravitaatiotähtitiede alkaa olla kypsä tutkimusala.