gravitaatioaallot

Maksimimassan suuruus tunnetaan Tolmanin–Oppenheimerin–Volkoffin rajana, sillä sen laskivat Robert "Atomipommi" Oppenheimer ja George Volkoff kollegansa Richard Tolmanin kvanttiteoreettisten tarkastelujen pohjalta. 

Oletuksena oli, että neutronitähden aine on niin sanottua Fermi-kaasua, joka koostuu pelkästään neutroneista. Todellisuudessa olosuhteet neutronitähtien sisuksissa tunnettiin kehnosti, joten alkujaan ylärajaksi saatiin vain noin 0,7 kertaa Auringon massa.

Jos neutronitähden massa kasvaa tätä raja-arvoa suuremmaksi – kuten voi tapahtua kaksoistähtijärjestelmässä, jossa toisesta tähdestä virtaa kaasua neutronitähteen – sen sisäinen paine ei enää kykene vastustamaan vetovoimaa, vaan neutronitähti luhistuu mustaksi aukoksi.  

Sittemmin arviota on korotettu puolestatoista peräti kolminkertaiseen Auringon massaan. Isohko vaihteluväli kertoo siitä, että neutronitähtien sisäistä rakennetta ei edelleenkään tunneta kovin hyvin.

Useimpien neutronitähtien massan on todettu olevan noin 1,4 Auringon massaa, mutta raskaampiakin on löydetty. Esimerkiksi pulsarin PSR J0348+0432 massa on 2,01 -kertainen Auringon massaan verrattuna.

Helsingin yliopistossa työtä tekevän akatemiatutkija Vuorisen Euroopan tutkimusneuvolta rahoituksen saaneessa ERC-projektissa tavoitteena on neutronitähtien sisältämän aineen ominaisuuksien ennustaminen. Voisivatko neutronitähdet sisältää kvarkkiainetta?

Onnistuessaan työ tulee vastaamaan yhteen hiukkas- ja ydinfysiikan perustavanlaatuisista kysymyksistä: miten tavallinen atomaarinen aine käyttäytyy kaikkein tiheimmissä mahdollisissa olosuhteissa – silloin, kun sitä puristetaan kasaan miltei rajatta?

Kansainväliset LIGO- ja Virgo-tutkimusryhmät ovat kertoneet alkuvuoden aikana jo kahden gravitaatioaaltosignaalin havaitsemisesta. Kummassakin tapauksessa kyse on ollut hyvin kaukaisesta kahden massiivisen mustan aukon yhteensulautumisprosessista.

Nyt tutkijat arvelevat, että jos vastaavia mittauksia pystytään tekemään kahden toisiinsa sulautuvan neutronitähden tai neutronitähden ja mustan aukon systeemistä, voidaan neutronitähtien sisältämästä aineesta saada samalla valtava määrä informaatiota.

Jos ja kun näin tapahtuu, on tutkijoilla nyt apuna suomalaistutkijoiden tekemä mallinnus, joka onnistui määrittämään kvarkkiaineen käytöksen sekä tiheässä että kuumassa systeemissä.

Helsingin yliopiston tutkija Aleksi Vuorisen ja Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä sekä Stavangerin yliopistossa työskentelevän Aleksi Kurkelan tutkimus julkaistiin nyt heinäkuussa Physical Review Letters –julkaisussa; lehti nosti tutkimuksen jopa poikkeuksellisten töiden joukkoon.

Ensimmäisen tarkka häiriöteoreettinen ennuste tiheän kvarkkiaineen käytökselle

Jotta tulevaa gravitaatioaaltodataa pystytään hyödyntämään, on olennaista, että neutronitähtien sisältämän aineen ominaisuudet ymmärretään myös teoreettisesti.

Tämä on vaikeaa, sillä tähtien sisältämän äärimmäisen tiiviin ydinaineen ominaisuudet on koodattu vahvojen vuorovaikutusten teoriaan, kvanttiväridynamiikkaan, jonka tarkka ratkaiseminen on osoittautunut liki mahdottomaksi. Tässä työssä tärkeimpiä työkaluja ovat perinteiset ydinfysiikan menetelmät, jotka toimivat matalilla tiheyksillä, sekä ns. häiriöteoria, jolla pystytään tutkimaan äärimmäisen tiheän kvarkkiaineen ominaisuuksia.

Vuorinen ja Kurkela onnistuivat laskemaan ensimmäisen tarkan ns. häiriöteoreettisen ennusteen tiheän kvarkkiaineen käytökselle neutronitähtitörmäyksen kaltaisissa äärimmäisissä olosuhteissa.

Häiriöteoria on teoreettisen hiukkasfysiikan yleinen laskentamenetelmä, jolla määritellään erilaisia hiukkasten vuorovaikutuksia kvanttimekaniikan sekä suhteellisuusteorian mukaisesti.

Vuorisen mukaan on laskennallisesti mahdollista selvittää, sisältävätkö neutronitähdet kvarkkiainetta, eli aineen tiheintä mahdollista olomuotoa.

Uutta suomalaistutkijoiden työssä on se, että he pystyivät määrittämään kvarkkiaineen käytöksen paitsi tiheässä myös kuumassa systeemissä; aiemmat vastaavat laskut nimittäin olettivat systeemin lämpötilan häviävän pieneksi.

Lämpötilakorjausten huomioiminen on kuitenkin äärimmäisen tärkeää, sillä neutronitähtien yhteensulautumisprosessissa lämpötilat voivat nousta aina noin biljoonaan, eli miljoonaan miljoonaan (1.000.000.000.000) asteeseen.

Kurkelan ja Vuorisen tulosten avulla on mahdollista simuloida neutronitähtien yhteensulautumisprosessia myös silloin, jos törmäävät tähdet sisältävät kvarkkiainetta ytimissään. Tulokset edustavat tästä syystä tärkeää askelta kohti sen selvittämistä, kuinka eksoottisia aineen olomuotoja neutronitähdet pitävät sisällään.

Linkki tutkimukseen: Cool quark matter, Physical Review Letters (julkaistu 22.7.2016)

Juttu perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen.

Tällä viikolla uutisoitiin, kuinka "samalla suunnalla" havaittiin vain 0,4 sekuntia myöhemmin voimakas gammapurkaus. Joidenkin arvioiden mukaan havainnot liittyisivät toisiinsa.

Kuvasta voi päätellä, kuinka tarkasti voidaan puhua "samalla suunnalla" esiintyneistä ilmiöistä. Gammapurkauksen havainnut Fermi-avaruusteleskooppi pystyy määrittämään säteilyn tulosuunnan parhaimmillaan asteen kymmenesosien tarkkuudella, mutta LIGO-laitteistoilla tilanne on toinen.

Koko taivasta esittävään kuvaan erivärisin viivoin merkityt alueet kuvastavat todennäköisyyksiä, joilla gravitaatioaallot ovat tulleet kultakin suunnalta. Pinkki viiva rajaa aluetta, jolta signaali on peräisin 90 prosentin todennäköisyydellä ja sisin eli vaaleankeltainen aluetta, jolla todennäköisyys on vain 10 prosenttia.

Gravitaatioaaltojen tulosuunnan määritys perustuu seitsemän millisekunnin aikaeroon, joka oli Louisianassa sijaisevan Livingstonin ja Washingtonissa sijaitsevan Hanfordin observatorioiden havaitsemien signaalien välillä.

Pelkän aikaeron perusteella saatiin laskettua koko taivaan kiertävä rengas, jonka kohdalta aallot tulivat. Kun lisäksi tarkasteltiin signaalien voimakkuuksia ja niissä esiintyneitä vaihteluita, voitiin osa renkaasta eliminoida, jolloin jäljelle jäivät kuvan esittämät alueet.

Jos käytössä olisi ollut kolmas tai mieluummin vielä useampi observatorio, suunta olisi saatu määritettyä huomattavasti tarkemmin. Onneksi uusia havaintolaitteita on jo valmisteilla.

Kuva: LIGO/Axel Mellinger

Todisteet viime syyskuussa havaitusta gravitaatioaallosta ovat vakuuttavia: kahden mustan aukon sulautumisesta syntynyt gravitaatioaalto havaittiin erikseen kahdessa aaltoja havaitsevan LIGO-järjestelmän havaintopaikassa, aalto oli hyvin samanlainen molemmissa ja havaittujen aaltojen välinen aikaero oli juuri se, minkä ohi kiitäviltä gravitaatioaalloilta laskettaisiin kestävän kahden havaintopaikan välisen etäisyyden taittamiseen.

Lisäksi havaitut aallot olivat juuri sellaisia kuin odotettiin. Eipä parempaa ja täydellisempää havaintoa voisi toivoa!

Paitsi että LIGO teki yhtä lailla täydellisesti odotuksiin sopivan havainnon jo vuonna 2010.

Silloinkin tutkijat päättelivät, että kyseessä oli törmäävät mustat aukot. Havainto ja sen tekeminen käytiin tarkasti läpi, sen taustalla olevan törmäyksen fysiikka setvittiin ja lopulta havainnosta kirjoitettiin tieteellisiä artikkeleita, joista tärkein oli otsikoitu "Evidence for the Direct Detection of Gravitational Waves from a Black Hole Binary Coalescence", eli vähän kuin nyt julkaistu tutkimus: tässä oli ensimmäinen todiste suorasta gravitaatioaaltohavainnosta ja aalto oli peräisin kahden mustan aukon yhdistymisestä.

300 tutkijaa ympäri maailman kerääntyi maaliskuussa 2011 Kaliforniaan keskustelemaan löydön julkistamisesta ja satakunta muuta tutkijaa oli videoyhteyden päässä.

Ilmapiiri oli erinomainen ja iloinen aina siihen saakka kunnes LIGO-observatorion johto kertoi karvaan totuuden: he olivat syöttäneet havainnon laitteistoon nähdäkseen miten laaja, kansainvälinen tutkijatiimi reagoisi löytöön – ja huomattaisiinko havaintoa lainkaan.

Havainnosta kerrotaan myös LIGO:n nettisivuilla, tosin teknisenä testinä. Mukana testissä oli Italiassa sijaitseva yhteiseurooppalainen VIRGO-havaintolaite.

Tästä tapauksesta kertoo Stuart Clark blogissaan The Guardian -lehdessä viitaten maailmalla kiertäviin huhuihin siitä, että nyt tehty havainto olisikin itse asiassa vastaavanlainen koe.

Nyt toki havainnosta on julkistettu paljon lisätietoa, ja Science-lehdessä on erinomainen kuvaus havainnon tekemisestä. Tietoisesta huijauksesta ei siis tässä tapauksessa todennäköisesti ole kyse.

Gravitaatioaallot synnyttänyttä mustien aukkojen sulautumista on myös yritetty etsiä syyskuusta alkaen taivaalta esimerkiksi kaukoputkin, mutta turhaan. Näin voimakas tapahtuma periaatteessa olisi ollut näkyvissä myös perinteisin havaintolaittein.

LIGO:n havainto on vakuuttava, kenties jopa liian hyvin odotusten kaltainen, ja on olemassa edelleen koko joukko häiriötekijöitä, jotka olisivat voineet saada aikaan signaalin. Tutkijoiden kova halu saada gravitaatioaallot näkyviin saattavat myös vaikuttaa havainnon käsittelyyn.

Tämä ei olisi ensimmäinen kerta, kun innostus on vienyt tutkijatkin mukanaan, sillä gravitaatioaaltojen löytyminen on suuren luokan uutinen niin tieteelle yleensä kuin usean tutkijan urakehityksellekin. Edellisen kerran näin kävi kaksi vuotta sitten maaliskuussa, kun mekin kerroimme Tiedetuubissa BICEP2-kokeen "havaitsemista" painovoima-aalloista.

Mitä siis pitäisi ajatella nyt tehdystä löydöstä ja sen näyttävästä julkistuksesta? Kannattaa iloita, mutta pitää edelleen mielessä se, että kenties kyseessä oli jälleen väärä hälytys...

Lisätietoja odotellessa kannatta lukea uudelleen mainittu tiedote LIGO:n teknisestä testistä, sillä se kertoo paljon siitä mitä nytkin olisi pitänyt lisäksi havaita.

*

Juttuun on lisätty klo 10:45 linkki Harward-Smithsonianin uutiseen mustien aukkojen törmäyksen jälkihehkun etsimisestä optisella alueella. Klo 11:30 lisätty vielä Science-lehden linkki gravitaatioaallon havainnen henkilön tarinaan. Samalla otsikko vaihdettiin vähemmän skandaalinkäryiseen.

Ja näin ovat LIGO-kollaboraatiossa mukana olevat Caltechin tutkijat tehneet.

Alla olevassa videossa on visualisoituna gravitaatioaallot sellaisina kuin kaksi LIGOn havaintolaitetta ne havaitsivat. Tai siis kuvaaja siitä, miten laitteiden interferometrit reagoivat aaltoon, kun se heilutti avaruuden geometriaa havaintopaikoilla ohi mennessään.

Sitten taajuutta on muutettu siten, että se on helpommin ihmiskorvin kuultavissa. Lisäksi kummassakin tapauksessa ääntä on hidastettu, sillä signaali kesti oikeasti vain 20 millisekuntia.

On sinänsä huimaa, että näin voimme kuunnella sitä, kun kaksi mustaa aukkoa törmäsivät toisiinsa ja vapauttivat valtavan määrän energiaa avaruuteen.

Paremmin taivaallisesta ilotulituksesta voi nauttia Caltechin gravitaatioaaltoäänisivulla – sekä alla olevalla videolla.

Alan pioneeri Joseph Weber ilmoitti havainneensa gravitaatioaaltoja jo vuonna 1969. Hänen rakentamassaan ilmaisimessa oli kaksi tyhjiöön ripustettua alumiinitankoa. Ajatuksena oli, että ilmaisimen ohittava gravitaatioaalto venyttää ja kutistaa tankoja siten, että ne alkavat värähdellä tietyllä taajuudella. Ja mielestään Weber oli mitannut juuri oikeanlaista värähtelyä.

Signaali oli niin voimakas, että se olisi voinut syntyä ainoastaan hyvin massiivisen tähden luhistuessa mustaksi aukoksi tai kahden mustan aukon sulautuessa yhteen – juuri sellaisesta ilmiöstä olivat peräisin LIGO-observatorioiden havaitsemat aallot.

Seuraavana vuonna Stephen Hawking, mustien aukkojen asiantuntija, kävi tutustumassa Weberin laitteistoon, josta ei teoreetikkona ymmärtänyt juuri mitään. Havainnot eivät olleet jääneet yhteen yksittäiseen signaaliin, vaan Weber kertoi "näkevänsä" pari gravitaatioaaltopurkausta päivässä. Väite oli huima.

Hawking kiinnostui asiasta ja laati oppilaansa Gary Gibbonsin kanssa tieteellisen artikkelin, jossa ne tarkastelivat gravitaatioaaltojen havaitsemiseen liittyvää teoreettista puolta, mutta ehdottivat myös rakenteeltaan herkempää ilmaisinta. 

Kukaan ei kuitenkaan osoittanut mielenkiintoa moisen instrumentin rakentamiseen, joten Hawking ja Gibbons ottivat omien sanojensa mukaan "teoreetikoille uhkarohkean askeleen" ja anoivat Science Research Councililta apurahaa kahden ilmaisimen rakentamisteen.

Hanke oli jo niin pitkällä, että kaksikko etsi laitteiston rakentamiseen tarvittavia komponentteja ja pohti ilmaisimille sopivia sijoituspaikkoja. He eivät kuitenkaan olleet ainoat asiasta kiinnostuneet. Science Research Council oli saanut anomuksia muiltakin tutkimusryhmiltä ja päätti välttää päällekkäisyydet kutsumalla kaikki koolle keskustelemaan hankkeistaan.

Siinä vaiheessa Hawking ja Gibbons vetivät hakemuksensa takaisin. Kuten Hawking toteaa omaelämäkerrassaan: "Se liippasi likeltä!"

Hänen sairautensa paheni kaiken aikaa, joten kokeellisen tutkimuksen tekeminen olisi pian käynyt hyvin hankalaksi ja ennen pitkää mahdottomaksi. "Olen hyvin tyytyväinen, että pysyttelin teoreetikkona", Hawking päättää tästä vähemmän tunnetusta episodista kertovan kirjansa luvun.

Eilen Stephen Hawking onnitteli tuoreeltaan LIGO-observatorion väkeä heidän tekemästään havainnosta. Hän toteaa lähettämässään viestissä, että "on jännittävää nähdä, kuinka yli 40 vuotta sitten tekemäni ennusteet esimerkiksi mustan aukon pinta-alasta ja  hiuksettomuusteoreemasta tulevat todennetuiksi elinaikanani". 

Kuva: Alexandar Vujadinovic

Kuten uutiset ovat tänään kertoneet kautta maailman (kuten mekin aiemmassa artikkelissamme, ennakkojutussamme 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.