Aaltojen muisti
Gravitaatioaallot nousivat nopeasti yhdeksi astrofysiikan ja kosmologian keskeisistä aiheista sen jälkeen, kun LIGO-tutkimusryhmä vuonna 2016 julkisti ensimmäiset suorat havainnot niistä.
LIGO/Virgo/KAGRA–laitteet ovat nähneet jo yli sata gravitaatioaaltoa, ja lisää havaintoja tehdään koko ajan. Kun fyysikot analysoivat signaaleja ja pohtivat miten ennustaa niitä he samalla hahmottavat paremmin millaisia ne ovat.
Esimerkki uudenlaisesta signaalista on gravitaatioaaltojen jättämät muistot, mistä Henri Inchauspé Heidelbergin yliopistosta puhui eilen Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa.
Gravitaatioaallot ovat avaruuden värähtelyä, samaan tapaan kuin sähkömagneettiset aallot ovat sähkömagneettisen kentän värähtelyä. Gravitaatioaalto venyttää etäisyyksiä yhdessä suunnassa ja litistää niitä toisessa. Gravitaatioaallot ovat hyvin heikkoja (ellei satu olemaan aivan törmäävien mustien aukkojen tai neutronitähtien vieressä), eli etäisyyksien muutos on hyvin pieni.
Nykyiset havaintolaitteet koostuvat kahdesta kohtisuorasta putkesta. Kun gravitaatioaalto kulkee laitteen läpi, se muuttaa putkien pituuksia eri tavalla, koska ne osoittavat eri suuntaan. Muutaman kilometrin pituisissa putkissa tämä muutos on erittäin pieni, protonin halkaisijan tuhannesosan luokkaa, mutta kuitenkin mitattavissa.
Yksinkertaisimmassa tarkastelussa putkien pituus –tai siis avaruus, missä putket ovat– palaa ennalleen aallon mentyä ohi. Mutta kun syynää huolellisemmin, näkee että aallosta jää muisto sen mentyä ohi. Pituudet eivät palaa entiselleen, vaan avaruus jää hieman venyneeksi tai litistyneeksi. Se, että aalloista jää muisto ei ehkä ole outoa, kun ottaa huomioon, että ne jättävät mittalaitteeseen energiaa. Jos en eivät vaihtaisi energiaa mittalaitteen kanssa, niitä ei voisikaan havaita.
Gravitaatioaaltojen muistoa ei ole kunnolla otettu huomioon valtaosassa niistä tuhansista simulaatioista, missä on laskettu millaisia aaltoja mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäyksissä syntyy. Ilman kunnollista ennustusta on vaikea etsiä signaalia.
Inchauspén ryhmä on paikannut tätä aukkoa. He ovat käyttäneet uusien tarkempien simulaatioiden tuloksia, missä gravitaatioaaltojen muisto on laskettu kunnolla, ja arvioineet miten sitä voi mitata.
Nykyiset mittalaitteet eivät pysty havaitsemaan aaltojen muistoa, koska ne on suunniteltu nopeasti muuttuvan aallon yksityiskohtien erottamiseen, ei hitaasti kertyvän muutoksen mittaamiseen. (Mahdollinen poikkeus olisi se, että tarkasteltaisiin yhden aallon sijaan monista aalloista vuosien aikana kasautuvaa muutosta.) Sen sijaan Inchauspé ja kumpp. tutkivat mahdollisuuksia ilmiön mittaamiseen LISA–satelliittikolmikolla.
LISAn on määrä nousta taivaalle kiertämään Aurinkoa vuonna 2035. Nykyiset maanpäälliset mittalaitteet havaitsevat sellaisten mustien aukkojen yhteensulautumisia, joiden massat ovat jotain muutamasta Auringon massasta noin sataan Auringon massaan. LISA sen sijaan näkee gravitaatioaaltoja, joita lähettävät galaksien keskustoissa lymyilevät jättimäisten mustien aukkojen parit, joiden massa on kymmeniä tuhansia tai miljoonia kertaa Auringon massa.
Näistä valtavista mustista aukoista on paljon havaintoja, vaikka –kuten edellisessä merkinnässä kirjoitin– ei täysin ymmärretä, miten ne ovat syntyneet. Niinpä tiedämme, että LISA havaitsee niiden lähettämiä gravitaatioaaltoja varmasti.
Nykyiset maanpäälliset havaintolaitteet LIGO/Virgo/KAGRA näkevät vain mustien aukkojen törmäyksen viimeisen sekunnin. Aiemmissa vaiheissa lähetettyjen gravitaatioaaltojen voimakkuus ja aallonpituus eivät mahdu niiden haarukkaan. LISA sen sijaan näkee gravitaatioaaltoja viikkojen tai kuukausien ajan. Muistoja –eli avaruuden pysyvää venymistä ja puristusta– kertyy koko siltä ajalta, kun gravitaatioaalto kulkee kohteen läpi, ja pidempi vipuvarsi auttaa signaalin erottamisessa.
Inchauspén ja kumpp. mukaan LISAn herkkyys riittää näiden muistojen havaitsemiseen. Mitattavien muistojen voimakkuus ja määrä riippuu siitä, millaisia mustat aukot ovat. Esimerkiksi mitä isompina mustat aukot aloittavat, sitä vahvempi on muistijälki ja sitä enemmän niitä on.
Muistot riippuvat myös siitä, kuvaako gravitaatiota yleinen suhteellisuusteoria vai joku sen lukuisista laajennuksista. Muistoilla voi siis testata yleistä suhteellisuusteoriaa, mutta tämän miettiminen on vasta alussa.
LISA näkee aikanaan paljon erilaisia signaaleja – ja paljon kohinaa. Gravitaatioaaltotutkijat eivät ole vielä valmiita, mutta onneksi on 11 vuotta aikaa laskea ennusteita ja valmistella data-analyysiä. Koska fysiikassa oppii vain tekemällä, samalla ymmärretään paremmin mitä kaikkea itse asiassa voikaan mitata ja mitä siitä voi päätellä.
Täällä (helpohkoja) kysymyksiä/vastauksia LISAsta https://www.lisamission.org/all-questions-about-lisa/