Gravitaatioaallot ovat aika-avaruuden värähtelyjä, jotka Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennusti vuonna 1915, siis jo yli sata vuotta sitten. Äärimmäisen heikkoa ilmiötä on jahdattu kymmenien vuosien ajan, mutta havaintolaitteiden herkkyys ei ole riittänyt – tai sitten aaltoja ei ole olemassa.

Nyt on lopullisesti varmistunut, että gravitaatioaallot ovat todellisuutta. Kahden mustan aukon sulautuminen yhteen sai aikaan gravitaatioaaltojen pulssin, joka onnistuttiin havaitsemaan LIGO-laboratorion (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) mittalaitteilla Louisianan osavaltiossa sijaitsevassa Livingstonin observatoriossa ja Washingtonin osavaltiossa sijaitsevassa Hanfordin observatoriossa.

14. syyskuuta 2015 kello 11.51 Suomen aikaa havaittu pulssi kertoi, että 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä kaksi mustaa aukkoa, joiden massat olivat 29 ja 36 Auringon massaa, törmäsivät toisiinsa lähes puolella valon nopeudella. Kosmisessa kolarissa muuttui noin kolmen Auringon massan verran energiaa sekunnin murto-osassa gravitaatioaalloiksi. 

Albert Einstein ennusti sata vuotta sitten suhteellisuusteoriassaan, että aine vaikuttaa avaruuden kaarevuuteen ja avaruuden kaarevuus puolestaan vaikuttaa aineeseen.

Siis voisi kuvitella, että avaruus on kuin joustavaa ainetta, ja kun jokin suurienerginen tapahtuma – esimerkiksi kahden mustan aukon törmääminen toisiinsa – täräyttää avaruutta, siitä lähtisi joka puolelle ympäristöön avaruudessa painovoima-aaltoja samaan tapaan kuin veden pintaan putoava kivi saa aikaan renkaan  muotoisia, laajenevia aaltoja pinnalla.

Kun aalto saavuttaa kappaleen kauempana avaruudessa, alkaa se liplattaa samaan tapaan kuin kelluva laituri järven rannassa veneen ajettua ohitse. Tosin avaruuden mittakaavassa aallot ovat hyvin heikkoja ja niitä on erittäin vaikeata havaita. Hyvin kaukana avaruudessa tapahtuvat valtavatkin tapahtumat heiluttavat täällä maapallon tienoilla avaruutta hyvin vähän, ja tuon heilumisen havaitseminen on todella hankalaa.

Itse asiassa havaitseminen on niin hankalaa, että jotkut ovat ennättäneet jo epäilemään Einsteinin ennustusta. Suhteellisuusteorian ennustamia painovoiman, aineen, valon ja energian ilmiöitä on havaittu hyvinkin paljon, ja niiden huomioiminen on nykyisin tärkeää jopa arkisissa sovelluksissamme, mutta gravitaatioaaltojen kanssa tilanne on toinen. 

Voisi sanoa, että teoreettisen pohdiskelun lisäksi ne ovat viimeisin ja äärimmäisin tapa tehdä tähtitieteellisiä havaintoja kaukana tapahtuvista ilmiöistä.

Eri tapoja havaita gravitaatioaaltoja

Painovoima-aaltoja on koetettu havaita vuosikymmenten kuluessa monin eri tavoin. Tyypillisin yritys on ollut tehdä suuri ja painava kappale, ja yrittää havaita sen tärähtelyjä siten, että kaikki muut kuin kosmista alkuperää olevat syyt voidaan sulkea pois havainnoista. Tai vielä paremmin: ottaa kaksi tällaista kappaletta, ja koettaa mitata niiden välistä etäisyyttä hyvin tarkasti: jos etäisyydessä tapahtuu pieni muutos, jota ei voida mitenkään maanpäällisesti selittää, voisi syynä olla ohi kulkenut painovoima-aalto.

Mitään ei ole havaittu, osin siksi, että laitteet eivät ole olleet tarpeeksi tarkkoja ja erilaisia häiriötekijöitä on ollut liikaa. Mahdolliset, heikot painovoima-aallot ovat jääneet kaikenlaisen kohinan alle piiloon.

Nyt viime aikoina on viimein tehty laitteita, jotka periaatteessa kykenevät tekemään ensimmäiset havainnot. Yksi on LIGO, mistä uutista nyt odotetaan, ja toinen on joulukuussa avaruuteen lähetetty LISA Pathfinder -satelliitti. 

Nyt julkistettava uutinen perustuukin osaltaan LIGOn ja LISAn väliseen kilpailuun: se, jolla on käsissään ensimmäiset tarpeeksi luotettavat havainnot, julkistavat ne mahdollisimman nopeasti. 

Ja LIGOlla näyttää nyt olevat voittajakortit käsissään.

Nyt 11. helmikuuta julkaistavassa Naturen numerossa kerrottaneen havainnosta, joka olisi havaittu niin LIGOlla painovoima-aaltoina, kuin muutenkin. Näin havainto on voitu varmentaa ja sen aiheuttaja olisi selvillä. Todennäköisesti kyseessä on kahden mustan aukon yhdistymisestä. Näistä toinen olisi ollut 36 Auringon massaa ja toinen 29. Tuloksena olisi ollut yksi musta aukko, jonka massa on 62 Auringon massaa.

Kun Higgsin hiukkanen, joka antaa muille hiukkasille massan, löydettiin CERNissä vuonna 2012, yksi hiukkasfysiikan niin sanotun standardimallin keskeisistä palasista loksahti paikalleen. Samalla heräsi visaisia kysymyksiä, joista yksi liittyy koko kosmokseen: miten maailmankaikkeus voi olla olemassa.

Higgsin hiukkaset syntyivät, kun maailmankaikkeus laajeni inflatorisesti. Teorioiden mukaan sen olisi pitänyt johtaa epävakauteen, josta olisi ollut seurauksena maailmankaikkeuden romahtaminen heti alkumetreillään. Niin ei käynyt, koska olemme täällä pohtimassa siihen syytä.

Lontoon Imperial Collegessa professorina toimiva Arttu Rajantie selvitti työryhmineen viime vuonna, että maailmankaikkeuden pelasti luhistumiselta Higgsin hiukkasen ja gravitaation välinen vuorovaikutus. Nyt työryhmä on saanut määritettyä tuon vuorovaikutuksen voimakkuuden paljon aiempaa tarkemmin.

Vuorovaikutuksen voimakkuus on standardimallin viimeinen tuntematon parametri. CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtyjen kokeiden perusteella sen arvo on saatu määritettyä hyvin epätarkasti miinus kvadriljoonan ja kvadriljoonan välille (-10¹⁵–10¹⁵).

Tutkimalla välittömästi inflaatiota seurannutta ajanjaksoa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui ja tasaantui, työryhmä on onnistunut parantamaan tarkkuutta huimasti: arvo on tuoreen arvion mukaan nollan ja yhden välillä. Jos se olisi suurempi kuin yksi, maailmankaikkeus olisi luhistunut kasaan.

Maailmankaikkeuden varhaisia vaiheita kuvaavia inflaatioteorioita on useita ja monet niistä ovat sopusoinnussa uuden tuloksen kanssa. Jatkotutkimukset ja tulevat havainnot saattavat auttaa tutkijoita ratkaisemaan, mikä teorioista on oikea.

"Olemme määrittäneet Higgsin hiukkasen ja gravitaation väliselle voimakkuudelle paljon aiempaa rajatumman vaihteluvälin", toteaa Rajantie. "Tulevissa hiukkaskokeissa ja kosmologisissa havainto-ohjelmissa tiedämme nyt paremmin, mitä etsiä, jotta saisimme selville tarkan arvon. Kun se yhdistetään muihin tietoihin, voimme kenties ratkaista, mikä inflaatioteoria on se oikea."

Tulevaisuudessa on tarkoitus toteuttaa useitakin kosmologiaan ja hiukkasfysiikkaan liittyviä tutkimushankkeita, joilla vuorovaikutuksen voimakkuuden arvoa pystytään entisestään tarkentamaan. 

Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen energia on kaksinkertaistettu sitten Higgsin hiukkasen löytymisen ja vastikään avaruuteen laukaistu LISA Pathfinder -luotain tähtää gravitaatioaaltojen havaitsemiseen – ja ne voivat kertoa osaltaan myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheiden olosuhteista.

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Imperial College London

Kahden mustan aukon sulautuminen yhdeksi on ilmiö, jonka havaitseminen kiinnostaisi kovasti tähtitieteilijöitä. Ongelmana on, että tapahtuma ei säteile lainkaan – paitsi gravitaatioaaltoja. Niitä sinkoaa avaruuteen sitäkin enemmän ja sitäkin suuremmalla energialla, mutta toistaiseksi käytössä ei ole mittalaitteita, joilla gravitaatioaaltoja pystyttäisiin havaitsemaan suoraan.

Tilanteen odotetaan lähiaikoina muuttuvan, sillä Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aloittaa toimintansa loppuvuodesta. Se parantaa Louisianan ja Washingtonin osavaltioissa sijaitsevien LIGO-observatorioiden herkkyyden kymmenkertaiseksi. 

Kun observatorioiden välinen etäisyys on hieman yli 3 000 kilometriä, niiden – toivottavasti – havaitsemien aaltojen saapumisajoissa on pieni ero. Sillä perusteella pystytään määrittämään kohteen suunta.

Frederic Rasion johtaman tutkijaryhmän laatiman mallin mukaan pallomaisissa tähtijoukoissa syntyy runsaasti mustia kaksoisaukkoja, jotka kiertävät toisiaan hyvin lähekkäin. Ennemmin tai myöhemmin ne sulautuvat yhteen ja lähettävät avaruuteen gravitaatioaaltojen ryöpyn. 

Jos ja tutkijoiden mukaan kun gravitaatioaaltoja onnistutaan vihdoin vastaanottamaan, tuoreen tutkimuksen mukaan mustien aukkojen törmäyksiä havaitaan viisi kertaa enemmän kuin aiemmin on arvioitu.

Tutkijat mallinsivat tietokoneella mustien kaksoisaukkojen syntyä pallomaisten tähtijoukkojen tiheillä keskusalueilla. Näyttää siltä, että elinaikanaan, joka on yli 10 miljardia vuotta, tiheä tähtijoukko voi tuottaa satoja yhteensulautuneita aukkoja.

Vertailemalla malleja tuoreisiin havaintoihin sekä Linnunradan että muiden galaksien pallomaisista tähtijoukoista tutkijat ovat päätelleet, että seuraavan sukupolven gravitaatioaalto-observatorioilla pystytään "näkemään" yli sata mustien aukkojen yhteensulautumista vuosittain.

Mustien aukkojen tehtailusta kerrottiin Northwestern Universityn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: ESO/D. Minniti/VVV Team