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/
Eikös Kuun aiheuttama muistijälki Maan vuorovesissä ole ihan huomattava, vaikka Maan pyöriminen lukittaisiin Aurinkoon? Sen gravitaatioaallon vaihe on niin hitaasti muuttuva, että muutosrintama ehtii aiheuttaa paljon.
Kuun ja Auringon aiheuttamissa vuorovesissä ei ole kyse gravitaatioaalloista, ja ilmiö on hyvin erilainen. Ei siitä sen enempää.
Näin maallikkona minua on ihmetyttänyt se, että ensimmäistä gravitaatioaaltoa etsittiin vuosikymmeniä. Kun saatiin ensimmäinen varma tärppi, niin löytyjä alkoi tulla heti lisää. Menikö se jotenkin siten, että ensin haettiin suurella kammalla (toivotaan toivotaan tyyliin) ja kun tärppäsi, niin laitteistoja pystyttiin sen perusteella sitten kalibroimaan tarkemmaksi ja sen takia nyt tulee havaintoja koko ajan kasvavassa määrin?
Kysymys oli vain siitä, koska laitteista tuli tarpeeksi herkkiä, että ne pystyvät näkemään gravitaatioaaltoja. Mukana oli myös tuuria, koska ensimmäinen havainto tuli jo silloin kun LIGO oli vielä testimoodissa, vaikka olisi voinut olla niin, että sitä joudutaan odottamaan kuukausia.
Gravitaatio ja gravitaatioaallot ovat siis informaation kantaja siinä missä sm-aallotkin. Kertoo ma:n sisällä olevan massan määrän, sijainnin ja sen kiihtyvän liiketilan vaikka määritelmän mukaan ma:n sisältä ei pitäisi tulla mitään informaatiota ulkopiuolelle, eikö vaan?
Havaitut gravitaatioaallot eivät tule mustien aukkojen sisältä. Toisiaan kiertävät mustat aukot synnyttävät niitä ympärilleen.
Kysymys ei koskenut pelkkiä gravitaatioaaltoja vaan myös itse gravitaatiota, aika-avaruuden muotoa, joka välitää informaation minkä tahansa massan (siis myös ma:n sisältämän) määrästä ja sijainnista. Gravitaatioaallot informoivat mikäli mikä tahansa massa on kiihtyvässä liikkeessä, olipa massa sitten mustassa aukon sisällä tai sen ulkopuolella, ja liikkeen syy mikä tahansa. Suhteellisuusteoria ei tietäkseni sisällyttänyt tuohon mitään mitään poikkeustapausta.
Mustan aukon sisältä ei tule mitään informaatiota ulos. Ainakaan yleisessä suhteellisuusteoriassa tai muussa ei-klassisessa fysiikan teoriassa. (On iso tutkimusaihe, muuttaako kvanttifysiikka asian, eikä siitä ole selvyyttä.)
Jos musta aukko on suhteellisuusteorian ainut ’valuvika’ niin vakiintuneita näkemyksiä ei sen osalta kannattane pitää ihan kiveen kirjoittuina. Aine kertoo myös tapahtumahorisontin takaa avaruudelle miten sen tulee käyristyä jne jne. Olisiko niin että informaatio -käsite on vaan valettu liian ahtaaseen muottiin? Juttu ei mielestäni myöskään ole kokonaan kvanttifysiikan puolelle ulkoistettava ongelma, vaan kosmologiassa ei ole kaikilta osin katsottu aika-avaruuden olevan informaatiokanava siinä missä sm-kenttäkin.
Musta aukko ei ole mikään valuvika. Se, että aika-avaruus välittää informaatiota on kosmologiassa paljon tarkasteltu asia – gravitaatioaalloissahan on kyse juuri siitä. Ei tästä sen enempää.
https://arxiv.org/pdf/2311.01300
Central to realising LISA’s discovery potential are waveform models, the theoretical and phenomenological predictions of the pattern of gravitational waves that these sources emit. This white paper is presented on behalf of the Waveform Working Group for the LISA Consortium. It provides a review of the current state of waveform models for LISA sources, and describes the significant challenges that must yet be overcome.
Eli tuleeko taas olemaan “etukäteiskirjasto” johonka muuten (ilmeisen) erinomaisen monimutkaista dataa sitten käytännössä verrataan?
Kyllä. Näitä erilaisia aaltotapauksia ei ole vielä laskettu tarpeeksi (joitakin signaaleja, kuten isoa mustaa aukkoa kiertävän pienen mustan aukon lähettämiä aaltoja, ei taideta edes osata laskea vielä kunnolla). Eikä kaikissa tapauksissa, erityisesti kosmologisten signaalien kohdalla, myöskään vielä tarpeeksi hyvin tiedetä, mitä signaaleista voi päätellä taustalla olevasta fysiikasta.
LISA:n tapauksessa data-analyysi on nykyisiä detektoreita vaikeampi mm. siksi, että se näkee valkoisten kääpiöiden aiheuttamaa taustakohinaa (tai tavallaanhan se on signaali), jonka seasta muut signaalit pitää suodattaa.
Nykyisestä datasta kyllä etsitään myös signaaleja ilman valmiita malleja, ja niin varmasti tehdään myös LISA:n tapauksessa.
Jos vaikkapa Maan nykyisen sijainnin paikkeilla aika-avaruudessa on joskus tapahtunut mustien aukkojen törmäys ja siitä on syntynyt valtava aalto, joka jätti muiston, onko mahdollista, että tämä kohta avaruudesta on pysyvästi ja olennaisesti litteämpi kuin sen naapurusto? Silloinhan alueen läpi kulkevat kappaleet litistyisivät hetkellisesti ja palaisivat ennalleen siltä poistuttuaan.
Hyvä kysymys. Ymmärtääkseni näin.
”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.”
Purkautuuko tuo mittalaitteisiin siirtynyt energia lämpöliikkeenä tai -säteilynä, vai jonakin muuna energialajina? Tulee mieleen yleinen aaltoliike ja väliaineen viskositeetti, mutta enpä ala pyörittelemään spekulaatioita 🙂
En osaa sanoa, värähtelyksi ja lämmöksi varmaankin, mutta energiamäärät ovat erittäin vähäisiä.
Eikö yksittäisen aallon muiston säilyminen koko ajan aaltoilevassa lammikossa ole utooppinen ajatus? Pitäisi kai olla jonkun ajankohdan tilanteen säilövä elementti kuten taustasäteily tms jotta hetken esiintyvä jälki ei häviäisi alati jatkuvassa väreilyssä.
Gravitaatioaaltoista jäävä pysyvä muutos on yleisen suhteellisuusteorian ennustus. Muistijälki on hyvin heikko, kuten gravitaatioaallot muutenkin.
Missä mielessä muutos olisi pysyvä? Sijainti? Onko pysyvä sijainti edes mahdollista suhteellisuusteorian aika-avaruudessa? Jos taas muutoksen sijainti ei ole pysyvä niin pysyvyydelle ei kai ole muuta vaihtoehto kuin että se olisi pysyvää alati jatkuvaa liikettä, jolloin aika-avaruudessa vallitsisi koskaan vaimentumattomien muutosten värinä, kuten taustasäteily sm-puolella?
Pysyvä siinä mielessä, että aaltojen mentyä ohi se ei riipu ajasta.
Tarkoittanee selvennettynä mahdollisesti sitä että a-a:n mittasuhteet eivät palaa täysin samoiksi mitä ne oli ennen aallon ohikulkua. Kuten lammikossakaan vesimolekyylit eivät palaa täsmälleen samoille paikoilleen aallon mentyä. Pysyväksi tilaa ei oikein mieltäisi. Jatkuva g-aaltojen liplatus ja se että mittaaja seilaa a-a:ssa ja varmaan jo kvanttifysiikan epävarmuusperiaatekin nostanee todentamisen rimaa.
Kvanttimekaniikan epämääräisyysperiaatteella ei ole tässä merkitystä, muistivaikutus on kuitenkin tarpeeksi iso.
Toki tietyssä paikassa oleva muistijälki on kokoelma kaikkien eri aaltojen muistijälkiä.
Gravitaatioaaltotausta muokkaa jatkuvasti kohinamaisesti jälkiä, jotka häviävät. Uskoisin että voimakkaat aallot jättävät suuremman jäljen joka säilyy läpi kosmoksen historian ns. avaruuden valuvikana. Voisiko jäljet muuttaa liikeratoja tai aiheuttaa gravitaatiolinssejä?
Nämä jäljet ovat äärimmäisen heikkoja, niiden aiheuttamaa muutosta aineen tai valon kulkuun ei liene käytännössä mahdollista mitata.
G-aallon jättämän muutoksen pysyvyys on mielenkiintoinen juttu. Muutos riippunee siitä mikä aallon vaihe ja voimakkuus on missäkin paikassa ollut, ja pysyvyys taas merkitsisi sitä että a-a:han jäisi pysyvät jähmettyneet g-aaltojäljet pallon muotoon lähtöpisteen ympärille.
Jos noita g-aaltomuutoksia voitaisiin lukea niin ne muodostaisivat eräänlaisen pysyvän koordinaatiston aika-avaruuteen, muutaman sellaisen avulla voitaisiin sijainti a-a:ssa määritellä kuten GPS-sateliiteilla sillä erolla että g-aaltojen kerran mentyä aktiivisia säteilijöitä ei enää tarvittaisi.
G-aallon jäljen paikallinen pysyvyys vaikuttaisi olevan a-a:n suhteellisuuden kanssa ristiriidassa.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruus ei ole suhteellinen, vaan absoluuttinen.
Tarkemmin suhteellisen ja absoluuttisen merkityksestä ja suhteellisuusteoriasta voi lukea kurssini Fysiikkaa runoilijoille luentomonisteesta:
https://www.mv.helsinki.fi/home/syrasane/run2023/run_02_2023.pdf
https://www.mv.helsinki.fi/home/syrasane/run2023/run_03_2023.pdf