Kosmokseen kirjoitettua

Kuhinan kartta

26.11.2020 klo 23.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Eilen Mairi Sakellariadou Lontoon King’s Collegesta puhui Helsingin kosmologiaseminaarisarjassa etänä gravitaatioaaltotaustasta.

LIGO/Virgo-laitteet ovat havainneet tusinoittain gravitaatioaaltoja. Viimevuotisen 26 viikkoa kestäneen kolmannen havaintokauden aikana ne näkivät 39 mahdollista signaalia, joissa lienee kyse mustien aukkojen ja/tai neutronitähtien parin törmäyksestä.

Yksittäisten kohteiden lähettämien aaltojen lisäksi on olemassa gravitaatioaaltotausta. Se on kohinaa, josta ei pysty erottamaan aaltojen lähdettä, ja joka voi häiritä muiden aaltojen havaitsemista. Mutta yhden kohina on toisen signaali: kaikki aallot kantavat jotain tietoa.

Kun Arno Penzias ja Robert Woodrow Wilson havaitsivat kosmisen mikroaaltotaustan vuonna 1964, se oli taustahäiriö. Kosminen mikroaaltotausta on peräisin elektronien ja valon viimeisestä kohtaamisesta ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli 380 000 vuotta vanha. Siitä on mahdotonta erottaa yksittäisen elektronin säteilyä, mutta tilastolliset piirteet –paljonko säteilyä tulee mistäkin suunnasta ja milläkin aallonpituudella– kertovat paljon. Myös gravitaatioaaltotausta on kiinnostava kohde.

Toistaiseksi LIGO ei ole ollut tarpeeksi herkkä kuullakseen gravitaatioaaltotaustan hälyä. Laitteita kuitenkin parannetaan joka havaintokauden välissä. Seuraavalla kaudella LIGOn ja seuraan liittyneen KAGRAn odotetaan olevan niin tarkkoja, että ne kuulevat jatkuvaa avaruuden kohinaa. Suurin ongelma on se, että laitteissa käytettävät magneetit reagoivat pieniin muutoksiin Maan magneettikentässä, ja tämän vaikutus pitää saada erotettua gravitaatioaalloista.

Gravitaatioaaltotausta on peräisin lähteistä, jotka ovat liian lukuisia ja heikkoja, jotta ne havaittaisiin yksinään. Se voidaan jakaa kahteen osaan.

Ensinnäkin on astrofysikaalinen (hienompi sana tähtitieteelle) gravitaatioaaltotausta, joka syntyy mustien aukkojen ja neutronitähtien pareista, jotka ovat niin heikkoja ja lukuisia, että niitä ei yksittäin havaita. Tämä tausta on varmasti olemassa: näitä pareja on nähty, ja heikkoja lähteitä lienee enemmän kuin vahvoja.

Toisekseen on kosminen gravitaatioaaltotausta. Sitä eivät ole synnyttäneet mitkään kappaleet, vaan hiukkasfysiikan kosmiset ilmentymät, kuten inflaatio, aineen olomuodon muutokset varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja mahdollisesti kosmisten säikeiden silmukat, jos kosmisia säikeitä on olemassa.

Mustien aukkojen ja neutronitähtien pareista peräisin olevan kohinan voimakkuudesta voi päätellä, paljonko pareja on ja mitkä niiden massat ovat. Tai oikeammin sanottuna, jos tietää parien määrän ja massat, niin voi laskea kohinan voimakkuuden. Voimakkuus sen sijaan rajoittaa mahdollista massajakaumaa, ei täysin määrää sitä. Kosmisesta tapahtumasta peräisin olevan kohinan voimakkuus kertoo siihen liittyvästä hiukkasfysiikasta.

Kun kohinan voimakkuus on mitattu, seuraava vaihe on sen selvittäminen, millä painolla siinä on eri aallonpituuksia ja miten se vaihtelee eri suunnissa. Kosmisen mikroaaltotaustan tapauksessa kesti 28 vuotta edetä ensimmäisestä askeleesta toiseen. Penzias ja Wilson mittasivat vuonna 1964 vain tasaisen kohinan kapealla aallonpituusalueella. Vasta vuonna 1992 COBE-satelliitti sai mitattua kohinan voimakkuuden monella aallonpituudella ja sen epätasaisuuden taivaalla.

Gravitaatioaaltotaustan tapauksessa kohinan voimakkuuden riippuvuus aallonpituudesta kertoo, ovatko kyseessä mustien aukkojen pärskeet vai kosminen gravitaatioaaltotausta – ja jälkimmäisessä tapauksessa myös, mikä kosminen tapahtuma on kyseessä.

Nykyisillä laitteilla odotetaan saavan mitattua kohinan epätasaisuuksia, mutta tarkkuus on vain viidesosa COBEn kosmisen mikroaaltotaustan mittauksesta – mikä puolestaan on vain sadasosa parhaan koko taivaan mikroaaltokokeen, Planck-satelliitin, tarkkuudesta. Gravitaatioaaltotaivaasta saadaan vain hyvin karkea kartta. Myöskään voimakkuuden riippuvuutta aallonpituudesta ei saada mitattua tarpeeksi hyvin, että voitaisiin sanoa, onko kyseessä mustien aukkojen kohina vai jotain eksoottisempaa.

Nykyisten kokeiden kaavaillut maanpäälliset seuraajat Cosmic Explorer ja Einstein Telescope pystyisivät jo ensimmäisenä toimintavuonnaan erottamaan toisistaan tähtitieteellisen ja kosmisen kohinan – olettaen, että on olemassa tarpeeksi vahva kosminen gravitaatiotaaltotausta, ja se saadaan erotettua mustien aukkojen ja neutronitähtien aiheuttamasta taustasta. (Taivaallisista seuraajista täällä ja täällä.)

Viime viikolla ilmeni, että ilmeisesti pandemiaan liittyvien toimitusvaikeuksien takia LIGOn ja Virgon (sekä KAGRAn) neljännen havaintokauden alku on viivästynyt ainakin kesäkuuhun 2022. Ensimmäisiä karttoja avaruuden kuhinasta saadaan siis odottaa vielä muutama vuosi, joten tutkijoilla kuten Sakellariadoulla on aikaa tarkemmin laskea, millainen tausta tarkalleen on ja miten se saadaan suodatettua havainnoista.

---

Viisareiden värähtelyä

30.10.2020 klo 21.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yhdysvaltalaisen NANOGrav-tutkimusryhmän jäsen Neil Cornish piti eilen etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarin NANOGravin tuoreista tuloksista, jotka saattavat vihjata gravitaatioaaltojen löytymiseen päin.

Kokeet LIGO ja Virgo näkevät nykyään gravitaatioaaltoja harva se viikko silloin kun ovat päällä, mutta NANOGravin tapauksessa on uutta sekä menetelmä että –jos on tosiaan löydetty gravitaatioaaltoja– aaltojen lähde.

NANOGrav tarkkailee pulsareita Linnunradassa. Pulsarit ovat neutronitähtiä (tai valkoisiksi kääpiöiksi kutsuttuja tiheitä tähtiä), jotka pyörivät hyvin nopeasti ja lähettävät sähkömagneettista säteilyä. NANOGravin seuraamat pulsarit viuhkivat akselinsa ympäri lähes tuhat kertaa sekunnissa: niiden pinta liikkuu lähellä valonnopeutta. Pulsari pursuttaa radioaaltoja kahteen suuntaan, jotka määräytyvät sen magneettikentästä. Niinpä pulsarin pyöriessä sen meille näkyvä signaali vilkkuu tiuhaan päälle ja pois (paitsi jos se ei koskaan osoita meihin päin).

Pulsarit ovat hyvin vakaita. Niinpä niitä voi käyttää tarkkoina kelloina: vajaa tuhat viisariniskua sekunnissa tekee vuodessa yli 10 miljardia lyöntiä. Olen jopa kuullut ehdotuksesta, että ajan yksikkö määriteltäisiin pulsarien avulla, mutta atomikellot taitavat kuitenkin olla luotettavampia.

Gravitaatioaallot havaittiin alun perin juuri pulsareiden avulla. Vuonna 1974 löydettiin ensimmäinen toisiaan kiertävän pulsarin pari. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että pulsaripari ajautuu lähemmäs toisiaan, koska se menettää energiaa lähettämällä gravitaatioaaltoja. Signaalien muutoksesta saatiin tarkasti mitattua pulsarien liikkeet ja todettua, että ennuste pitää kutinsa. Tästä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1993.

NANOGrav sen sijaan perustuu siihen, että meidän ja pulsarin välissä kulkevat gravitaatioaallot muuttavat pulsarin etäisyyttä meistä ja siksi sen radiosignaalien saapumisaikaa.

NANOGravin uudet tulokset perustuvat 12.5 vuoden havaintoihin 47 pulsarista väliltä 2004-2017. Havainnot osoittavat, että pulsarien kellonlyönnit muuttuvat välillä hitaammiksi ja sitten nopeammiksi jokusen vuoden jaksolla. Pulsarien signaali muuttuu yhteisellä tavalla, eli kyse ei voi olla muutoksista pulsareissa. Vaikutuksen koko on miljardisosan miljoonasosa, mikä tuntuu tavattoman pieneltä, mutta on silti miljoona kertaa isompi kuin LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen korkeus.

Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000. Hiukkasfysiikassa tämä ei riitä löytöön, vahvaan kiinnostukseen kylläkin. Mutta vaikka sattuman todennäköisyys olisi kuinka pieni, löytöä ei sovi julistaa ennen kuin kaksi ehtoa täyttyvät: systemaattiset virheet ymmärretään ja signaalilla on teoreettinen selitys.

Suunnilleen vuoden pituinen jakso on epäilyttävä, koska se on lähellä Maan kiertoaikaa Auringon ympäri, ja muutkin asiat Aurinkokunnassa kehittyvät suunnilleen samalla aikaskaalalla. Maapallon yläilmakehä ja Aurinkokunnan avaruussää (jota Helsingin yliopistossakin tutkitaan) muuttuvat ja vaikuttavat radioaaltojen kulkuun.

Analyysissä pitää myös tuntea Maapallon rata erittäin tarkasti, koska muutos signaalissa on hyvin pieni. On tärkeää, että epätarkkuus Jupiterin radassa on viime vuosina laskenut 50 kilometristä 10 kilometriin, ja Aurinkokunnan massakeskipisteen tunnetaan nyt 10 metrin tarkkuudella. Tähän on 1600-luvulta alkanut tarkka taivaan mallintaminen päässyt.

Tämä on esimerkki fysiikan eri alueiden yhteyksistä: kehitys yhdessä aiheessa voi mahdollistaa etenemisen aivan eri suunnassa. Avaruussäällä ja planeettojen radoilla ei ole gravitaatioaaltojen kanssa sinällään mitään tekemistä, mutta niiden ymmärtäminen on tärkeää niiden analysoimisessa.

Jos signaalin muutos liittyisi Maapallon liikkeisiin, niin havainnoissa näkyisi vaihtelu ei vain ajassa vaan myös paikassa: signaali olisi yhdessä suunnassa isompi ja toisessa pienempi sen mukaan, miten Maa kulkee. Havaintojen perusteella tämä vaihtoehto voidaan sulkea pois.

Myös gravitaatioaaltojen aiheuttama signaali riippuu suunnasta. Vesiaalto värähtelee ylös ja alas kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Samoin gravitaatioaalto värähtelee kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Mutta gravitaatioaalto ei värähtele vain yhdessä suunnassa, vaan tasossa, joka on kulkusuuntaan kohtisuorassa. Niinpä aallon kulkiessa Aurinkokunnan läpi pulsarien signaaleissa pitäisi näkyä teorian ennustama vaihtelu tasossa, joka riippuu aallon kulkusuunnasta.

Kuten NANOGrav-ryhmä korostaa, ennen tällaisen vaihtelun mittaamista ei voi väittää nähneensä gravitaatioaaltoja. Tästä on havainnoissa korkeintaan heikkoja merkkejä. Teoreettisesti odotettu vaihtelu on kuitenkin niin pieni, että sitä ei olisi voitukaan näistä havainnoista erottaa.

Kiinnostavin kysymys on se, että jos signaali on todellinen, niin mistä se on peräisin? Mikä tuottaa näin heikkoja aaltoja noin vuoden jaksolla?

Kärkiehdokas on kaksi jonkun galaksin keskustassa toistensa ympärillä pyörivää jättiläismäistä mustan aukkoa – sellaista, jonka Event Horizon Telescope kuvasi viime vuonna ja jollaisen löytämisestä Linnunradassa juuri myönnettiin Nobelin palkinto. Selityksen etuna on se, että tällaisia mustia aukkoja on todella olemassa, vaikka ei tiedetäkään kuinka usein ne pariutuvat.

Sopivia gravitaatioaaltoja voi syntyä myös kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin perukoilla, kvarkkien sitoutuessa hadroneiksi muutaman ensimmäisen mikrosekunnin aikana tai kosmisten säikeiden taitoksissa myöhäisempinä aikoina. Kaikki kolme jälkimmäistä vaihtoehtoa vaatisivat jotain uusia hiukkasfysiikan teorioita. Teoreetikoilla on niitä hyllyllä valmiina, ja kymmeniä uusia onkin jo esitetty.

Eri lähteiden synnyttämien gravitaatioaaltojen korkeus riippuu aallonpituudesta hieman eri tavalla, joten vaihtoehdot voidaan erottaa tarkemmilla havainnoilla – jos kyseessä on gravitaatioaallot.

Kun LIGOn herkkyys vuonna 2015 ylitti gravitaatioaaltojen havaitsemisen rajan, se keräsi sekunnissa tarpeeksi dataa löytöön. NANOGravin tapaus muistuttaa enemmän hiukkaskiihdyttimiä, missä näkyy ensin heikko signaali, joka tarkentuu, kun kerätään lisää dataa, ja lopulta joko osoittautuu olemattomaksi tai varmistuu.

Samanlaisia mittauksia ovat tehneet myös eurooppalainen ryhmä EPTA ja australialainen PPTA, ja kaikkien kolmen yhdistettyä dataa on jo alettu käydä läpi. Lisäksi NANOGrav parantaa analyysiään muun muassa tarkemmalla avaruussään mallintamisella, ja kerää lisää dataa.

Suurin merkitys on kuitenkin NANOGravin jo haavissa olevilla havainnoilla, joita ei ole vielä ehditty perata. Ryhmä analysoi par’aikaa vuoteen 2019 ulottuvaa 15 vuoden havaintoaineistoa, ja tuloksia sopii odottaa julki vuoden kuluttua. Tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna.

---

Kosmologia ja ihmiskunta

26.10.2020 klo 14.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina 30.10. kello 15 puhun etänä kosmologiasta Helsingin yliopiston tiedekasvatuksen luentosarjassa. Luennot on suunnattu lukiolaisille. Opettajat voivat tiedustella osallistumiseen vaadittavaa salasanaa ja osallistumisohjeita tiedeluentojen koordinaattorilta osoitteesta iiris.lukkarinen@helsinki.fi. Luennon nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.

Perjantaina 13.11. kello 18 puhun Maunula-talolla otsikolla Ihmiskunnan historia ajalta ennen Maapalloa. Edellisenä päivänä astrobiologi Kirsi Lehto puhuu kello 18 siitä, miten maailma on kehittynyt nykyiselleen. Molempina päivinä ennen luentoa kello 12-18 ambientklubi Lovin DJ:t soittavat musiikkia Maunula-talon aulassa. Koko tiedeviikonlopun ohjelma on täällä. Esitykseni nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.

Päivitys (28/10/2020): Korjattu Maunulan puheen päivämäärä.

Päivitys (05/11/20): Lisätty linkki tiedekasvatusluennon nauhoitukseen.

Päivitys (14/11/20): Lisätty linkki Maunula-talon esityksen nauhoitukseen.

---

Kenties suurin mysteeri

19.10.2020 klo 14.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehden Rihveli numerosta 2/2020 voi lukea kirjoitukseni Kenties suurin mysteeri pimeästä energiasta. Se alkaa näin:

”Maailmankaikkeuden laajeneminen on yksi kosmologian tärkeimpiä tutkimuskohteita, ja se on mullistanut ajattelua halki viime vuosisadan. Vuonna 1924 huomattiin, että Linnunrata onkin vain yksi galaksi lukemattomien joukossa. Sitä ennen luultiin, että Linnunradan ulkopuolella on vain tyhjää avaruutta. Tämä oli iso siirtymä: Nikolaus Kopernikus oli siirtänyt Maapallon pois Aurinkokunnan keskustasta, sitten ymmärrettiin tähtien olevan toisia aurinkoja, ja lopulta kotigalaksimmekin osoittautui vain yhdeksi kosmisen pölyn hiukkaseksi.”

Samassa numerossa on Kaisa Kankaan artikkeli Matematiikan rajoilla logiikasta ja todistamisesta.

---

Saman henkäyksen koskettama

10.10.2020 klo 13.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Turun kaupungin taidemuseo WAMissa on taiteilija Rosa Barban näyttely Touched By The Same Breath Of Air, jossa käsitellään muun muassa tähtitiedettä. Näyttely on auki 10.1.2021 asti. Pidin avajaisissa torstaina 8.10. seuraavanlaisen puheen.

(Puhetta olisi voinut korjata sen verran, että monissa Henrietta Leavittin alkuperäisissä kuvissa on hänen merkintöjään. Alkuperäiset kuvat olisi siis voinut esittää inhimillisen ja epäinhimillisen kosketuspintana.)

Arvon kutsuvieraat, arvoisa museoväki.

Vuonna 1927 yhdysvaltalainen kirjailija H.P. Lovecraft kirjoitti novellin The Colour Out of Space, väri avaruudesta.

Lovecraftin tarinassa taivaalta iskeytyy Uuteen Englantiin kivi, joka myrkyttää maatilan ja aloittaa hirvittävien tapahtumien ketjun. Kun tieteilijät tutkivat kiveä, sen spektriviivat eivät vastaa mitään Maapallolla tunnettua ainetta, ja taivaallisen vieraan synnyttämä väri on meille kauhea, ”kosminen ja tunnistamaton”.

Lovecraftin kertoja kuvailee seuraavasti:

”Tämä ei ollut henkäys taivailta, joiden liikkeitä ja ulottuvuuksia tähtitieteilijämme mittaavat, tai määräävät liian valtaviksi mitata. Se oli vain väri avaruudesta – järkyttävä lähettiläs äärettömyyden muodottomilta seuduilta, kaiken tuntemamme luonnon tuolta puolen.”

Rosa Barba on valinnut näyttelynsä nimeksi Saman henkäyksen koskettama. Ilmaisu kääntää Lovecraftin fraasin ”tämä ei ollut henkäys taivailta” merkityksen, se tekee toisesta samaa. Ehkä ei ole väärin nähdä näyttelyn teosta The Color Out of Space avaimena Barban luomille projektoreiden, filminauhojen, tallenteiden, teräsputkien, valojen seuduille, missä tuonpuoleinen ja inhimillinen kohtaavat.

Lovecraftilla avaruus on perustavanlaatuisesti erilainen kuin meidän maailmamme, toisten lakien alainen.

Rosa Barban teoksessa The Color Out of Space tieteellisiin tarkoituksiin otetut kuvat kaukaisista ja vieraista seuduista on estetisoitu ihmisten mittoihin. Taivaan valot on kytketty tieteilijöiden, taiteilijoiden ja kirjoittajien ääneen, joka sitoo mittaamattoman avaruuden lohdullisen rajalliseen ymmärryksen työhön.

Teoksessa Drawn by the Pulse, pulssin vetämä, vilkkuvat tähtitieteilijä Henrietta Leavittin kuvat, joissa pienen Magellanin pilven tähdet näkyvät sellaisina kuin ne olivat 200 000 vuotta sitten, ajalla ennen kuin ihmiset osasivat puhua. Alkuperäisten kuvien sisällössä ei ole mitään inhimillistä, eikä niiden ottamisessa ole käytetty esteettistä harkintaa. 

Teoksessa esille perattu analoginen filmi, kuten The Color Out Spacen peräkkäiset lasipaneelit, tuo mieleen avaruuden jäätyneen museon, jossa menneisyys on pysähtynyt katsottavaksemme.

Rosa Barba vangitsee tähtien hypnoosin ja yhdistää nämä värittömät otokset ihmisen lämpimään historiaan.

Sisarteoksessa Near the Small Magellanic Cloud, pienen Magellanin pilven lähellä, on otos Leavittin tieteellisestä artikkelista, jossa näkyy osa tähtien paikoista. Artikkeli on nykyään itsekin pala menneisyyttä, ja Leavittin sata vuotta vanhoilla kuvilla on lähinnä muistoarvoa.

Rosa Barba on verrannut aikaa monikerroksiseen lohkareeseen, jossa toistensa päällä olevat aikakaudet kehittyvät kuin muistot.

Kuvamme maailmankaikkeuden menneisyydestä tosiaan muovautuu ajan myötä, kun teemme uusia havaintoja ja löydämme hienompia teorioita. Mutta siinä missä ihmisen kuva tapahtuneesta varisee ja sekoittuu vuosien kuluessa, tieteen kuva tarkentuu ja valaistuu aiemmin tuntemattomilla väreillä.

Toisenkin kirjailijan haamu on läsnä tänä iltana, ei vain Lovecraftin. Teos Blind Volumes (Sokeita teoksia tai sokeita tiloja) viittaa argentiinalaisen kirjailijan -sokeutuneen kirjailijan- Jorge Luis Borgesin novelliin Baabelin kirjasto.

Tarinan kirjastossa on kaikki mahdolliset korkeintaan 410 sivua pitkät kirjat. Kertomus leikittelee kirjallisen luomisen arvolla ja Borgesille ominaiseen tapaan yhdistää kaksi vastakohtaa: kaikkien merkitysten summan ja täydellisen merkityksettömyyden.

Barban teoksessa Blind Volumes käytetyt teräskehykset ovat yleensä rakenteiden kantajia. Barba on laittanut ne kehystämään tyhjyyttä tavalla, joka yhdistää järjestyksen ja mielivaltaisuuden.

Borges oli leikkisä, ja ehkä teoksen voi hänen henkensä mukaisesti nähdä taiteilijan karikatyyrinä tieteestä – tieteestä joka kehystää ilmiöiden merkitykset samalla kun se riisuu maailman merkityksestä.

Tiede on osoittanut, että toisin kuin Lovecraftin tarinassa, todellisuudessa samat luonnonlait pätevät kaikkialla maailmankaikkeudessa. Mutta Lovecraft oli oikeassa siinä, että nämä lait ovat ihmiselle vieraita. Tieteen paljastama kuva ajasta, avaruudesta, aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta osoittaa arkikäsityksemme tyystin virheellisiksi.

Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua. Mutta se myös herättää ihmetystä, kun tiede irrottaa arjen palasia ja näyttää todellisuuden niiden alta, mielikuvituksen tuolta puolen.

Myös taide nyrjäyttää ajatteluamme irrottamalla käsitteitä tutuista lokeroista, luomalla uusia merkityksiä ja vaatettamalla maailman värikkääseen kuosiin.

Antautukaamme tänä iltana nyrjäytettäviksi.

---

Luotettava ennustus ja tiheä kappale

7.10.2020 klo 00.42, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti eilen myöntävänsä puolet tämän vuoden fysiikan Nobelin palkinnosta Roger Penroselle ”siitä löydöstä, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian luotettava ennustus” ja toisen puolen Reinhard Genzelille ja Andrea Ghezille ”superraskaan tiheän kappaleen löytämisestä galaksimme keskustasta”. (Suurelle yleisölle suunnattu selitys on täällä, tarkempi taustoitus täällä.)

Ghez on neljäs nainen, joka saa fysiikan Nobelin palkinnon. Ennen häntä olivat Marie Curie vuonna 1903, Maria Goeppert Mayer vuonna 1963 ja Donna Strickland vuonna 2018.

Tämä on toinen mustista aukoista annettu Nobelin palkinto. Se tulee pian törmäävien mustien aukkojen gravitaatioaalloista vuonna 2017 myönnetyn palkinnon jälkeen. Kuten silloin, nytkin palkinnon saavat kaksi havaintopuolen tutkijaa ja yksi teoreetikko.

Genzel ja Ghez johtavat kahta tutkimusryhmää, jotka ovat tarkkailleet Linnunradan keskustan tähtien liikkeitä 90-luvulta asti. Maapallo on 26 000 valovuoden päässä Linnunradan keskustasta, joten yksittäisten tähtien havaitseminen ja niiden liikkeiden seuraaminen tarkasti on melkoinen saavutus.

Tässä on Ghezin ryhmän 25 vuoden datasta tehty animaatio tähtien liikkeistä. Tähdet kiertävät tiheää kohdetta, jonka massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Lähin rata kulkee etäisyydellä, joka on muutama sata kertaa mustan aukon tapahtumahorisonttia isompi. Tämä on tarpeeksi lähellä, että yleisen suhteellisuusteorian korjaukset tähtien ratoihin on ollut mahdollista mitata, mutta niin kaukana, että mustan aukon nielusta ei saa tarkkaa kuvaa. (Galaksin M87 keskustan mustan aukon tapahtumahorisontin tienoot kuvannut Event Horizon Telescope -ryhmä on tehnyt havaintoja myös Linnunradan keskustasta, mutta data-analyysi ei ole vielä valmis.) Mutta on nähty infrapunavälähdyksiä etäisyydeltä, joka on 3-5 tapahtumahorisontin kokoinen.

Mikään tunnettu kappale ei voi olla näin tiheä ja himmeä, joten on päätelty, että kyseessä on musta aukko.

Toisin kuin vuoden 2017 palkinnon tapauksessa, teoreetikko Penrosen työ ei liity suoraan Genzelin ja Ghezin tutkimukseen, vaan on vaikuttanut merkittävästi taustalla. Penrose tunnetaan sekä matemaatikkona että fyysikkona. (Helsingin Keskuskatu on muuten päällystetty hänen kehittämällään Penrosen laatoituksella.)

Penrose on omaperäinen, kekseliäs ja matemaattisesti taitava tutkija, joka on kehittänyt monenlaisia ideoita. Nobelin palkinnon perusteeksi nostettiin se, että hän vuonna 1965 osoitti, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian väistämätön seuraus.

Ensimmäisen mustaa aukkoa kuvaava yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisun löysi fyysikko Karl Schwarzschild vain kuukausi sen jälkeen, kun fyysikko Albert Einstein ja matemaatikko David Hilbert julkaisivat yleisen suhteellisuusteorian lopullisen muotoilun. Schwarzschildin ratkaisu oli pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikissa suunnissa. Vuosikymmeniä oli epäselvää, kuvaavatko tämän ratkaisun kummalliset piirteet todellisuutta, vai katoavatko ne, kun tarkastellaan ratkaisuja, jotka eivät ole aivan pallomaisia.

Näitä piirteitä ovat tapahtumahorisontti ja singulariteetti. Jos tarpeeksi massaa on tietyn säteen sisällä, niin mikään ei pääse pakenemaan sen sisältä, ei edes valo. Tämän säteen rajaamaa pintaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Mustan aukon keskustassa taasen on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön ja yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

Penrose osoitti lähtien hyvin yleisistä oletuksista, että kunhan tarpeeksi massaa on pakkautunut tietyn säteen sisään, niin se romahtaa mustaksi aukoksi, riippumatta siitä miten massa on jakautunut. Tämä todisti, että mustia aukkoja syntyy, jos yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa. Palkinnon taustamateriaali loppuu seuraavaan muistutukseen:

“Se missä määrin tapahtumahorisontin ympäröimä musta aukon rakenne todella vastaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteita on vielä avoin kysymys. Luonnolla voi olla yllätyksiä varastossa.”

Vuonna 1967, kaksi vuotta Penrosen tuloksen jälkeen, Stephen Hawking sovelsi samaa ideaa koko maailmankaikkeuteen. Hän osoitti että jos maailmankaikkeus laajenee, niin silläkin on jossain singulariteetti – mahdollisesti alussa. Kuten Hawkingin kuoleman jälkeen kirjoitin:

”Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”

Penrose myös keksi vuonna 1969 hänen nimeään kantavan Penrosen prosessin, jonka avulla voi kerätä energiaa pyörivistä mustista aukoista. Tämä hyvin teoreettinen idea oli sittemmin ponnahduslauta todellisten taivaalla näkyvien mustien aukkojen ympärillä pyörivien ainekiekkojen energiantuotannon ymmärtämiseen.

Penrose on myös rohkeasti esittänyt ideoita muun muassa maailmankaikkeuden alkuhetkistä, kvanttigravitaatiosta, kvanttimekaniikan ja tietoisuuden yhteydestä ja aaltofunktion romahtamisesta. (Aikoinaan ehdotin näitä Penrosen kvanttimekaniikkaan liittyviä ideoita pelin Quantum Break materiaaliksi Remedylle asiasta konsultoidessani; en tiedä mitä peliin lopulta päätyi.)

Penrose on ainoa tietämäni fyysikko, joka julkaisee merkittävää tieteellistä materiaalia suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoissa. Onkin hämmentävää, miten paljon Penrosen edistynyttä matematiikkaa sisältäviä teoksia ostetaan.

Hän on kirjoissaan myös arvostellut valtavirtatutkimusta niin säieteorian kuin kosmisen inflaationkin osalta. Penrose on kehittänyt oman vaihtoehdon inflaatiolle, jossa maailmankaikkeuden vaiheet toistuvat alkuräjähdyksestä loppuun asti äärettömän monta kertaa. Penrose on yhdessä muiden tutkijoiden kanssa julkaissut artikkeleita, joiden mukaan kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyy merkkejä tällaisesta aiemmasta maailmankaikkeuden ajasta. Ainakin osan artikkeleista data-analyysi tosin on huolimatonta, eikä ole kestänyt lähempää tarkastelua. Kosmisen inflaation tueksi sen sijaan on paljon havaintoja.

Menneinä vuosikymmeninä hiukkasfysiikka kahmi Nobelin palkintoja vuosi toisensa perään, mutta vuoden 2012 Higgsin löytämisen jälkeen hiukkasfysiikan Standardimallissa ei ole enää löydettävää, eikä kiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuolta puolen. Vuoden 2017 palkinto gravitaatioaalloista, viime vuoden palkinnon Jim Peeblesille kosmologiasta mennyt puolikas ja tämän vuoden palkinto muistuttavat löytöjen tulevan nyt ennemmin taivaalta. Monet pohtivat, koska on kosmisen inflaation vuoro – ja mikä osa siitä palkitaan, kenet kutsutaan Tukholmaan ja ketkä jäävät ilman matkalippua.

---

Harppu ja suuruus

29.9.2020 klo 15.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Koeryhmä LIGOn helmikuun 2016 ilmoitus ensimmäisestä gravitaatioaaltojen suorasta havainnosta antoi vahvan myötätuulen uusille gravitaatioaaltokokeille. Jatkuvat uudet löydöt eivät ole intoa ainakaan laannuttaneet.

Kuusi päivää LIGOn ilmoituksen jälkeen Intian hallitus hyväksyi LIGOn ja Virgon kanssa yhteistoiminnassa olevan IndIGO-havaintolaitteen rakentamisen. Edistyneempää teknologiaa käyttävä japanilainen KAGRA aloittanee havainnot LIGOn ja Virgon rinnalla niiden palatessa kehään vuonna 2022. LIGOn menestys myös toi Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn takaisin LISA–satelliittiprojektiin, jonka se oli vuonna 2011 rahanpuutteessa jättänyt.

Kiinalaiset gravitaatioaaltokokeet, joita valmistellaan melko erillään muun maailman yhteistyöstä, ovat kiinnostava osa tätä gravitaatioaaltoryntäystä.

Yksi niistä on TianQin, jonka voinee vapaamuotoisesti kääntää ”avaruusharpuksi”. Koejärjestely on samankaltainen kuin LISAssa. Kolme satelliittia mittaa välistensä etäisyyksien muutosta lähettämällä toisilleen lasersäteitä. Muodostelman läpi kulkeva gravitaatioaalto venyttää sen etäisyyksiä eri tavalla eri suunnissa, mikä vaikuttaa valonsäteiden matka-aikoihin.

TianQinissä herättää huomiota nopea aikataulu. Projektia ehdotettiin vuonna 2014, teknologiaa testaavaa satelliittia TQ-1 ruvettiin suunnittelemaan vuonna 2016, satelliitti sai virallisen hyväksynnän 2018, laukaistiin Maata kiertävälle radalle joulukuussa 2019, ja on ollut toiminnassa siitä pitäen. TianQinin on määrä aloittaa tieteelliset mittaukset vuonna 2035.

Vertailun vuoksi, LISA-koetta ehdotettiin vuonna 1993, siinä käytettävää teknologiaa testaavan LISA Pathfinderin suunnittelu alkoi vuonna 1998, Pathfinder nousi avaruuteen vuonna 2015 ja LISA on määrä laukaista avaruuteen vuonna 2034. LISAlla kestää noin vuosi matkata paikalleen Aurinkoa kiertävälle radalle, joten jos kaikki menee suunnitelmien mukaan, niin tieteelliset mittaukset aloitetaan vuonna 2035 tai 2036.

On tietysti nopeampaa kulkea toisten tasoittamaa polkua kuin olla tienraivaaja. TianQin voi kuitenkin edetä vinhemmin myös siksi, että koe on portaan verran vaatimattomampi.

TianQinin on määrä kiertää Maata, ei Aurinkoa. Tämän säästää sen vuoden, mikä Aurinkoa kiertävälle radalle matkaamiseen menee, ja laukaisu on halvempi. Lisäksi mittausdatan lähettäminen Maapallolle on helpompaa, kun laite on ihan vieressä, Kuuta lähempänä. Kääntöpuolena on se, että Maan lähiseudut eivät ole yhtä tyhjiä kuin kaukaisempi avaruus, joten satelliitteihin vaikuttavien häiriöiden välttäminen voi olla vaikeampaa.

TianQin on myös LISAa pienempi. LISAssa satelliittien etäisyys toisistaan on 2.5 miljoonaa kilometriä, TianQinissä 170 000 kilometriä. Kymmenen kertaa pienemmän koon takia laite on kymmenen kertaa vähemmän herkkä etäisyyden muutosten mittari. Siispä TianQin ei pysty havaitsemaan niin heikkoja gravitaatioaaltoja kuin LISA. Sen sijaan LISA pystyy näkemään melkein kaiken minkä TianQinkin, jälkimmäinen voi tosin olla pienillä aallonpituuksilla vähän herkempi.

Toistaiseksi TianQin on aikataulussa ja koesatelliitti TQ-1 on ylittänyt sille asetetut odotukset, mutta on käsittääkseni yhä jäljessä LISA Pathfinderin teknologian tarkkuudesta.

Nopea eteneminen on sikäli oleellista, että TianQin on itsenäisenä kokeena mielekäs vain, jos se saa tuloksia ennen LISAa. Muutoin se jää apulaiseksi, joka tarjoaa riippumattoman vahvistuksen osalle LISAn havainnoista. Useampi eri suunnassa mittaava laite auttaa myös gravitaatioaaltojen värähtelysuuntien (eli polarisaation) mittaamisessa ja niiden lähteiden paikallistamisessa taivaalla.

TianQin-ryhmä korostaakin kansainvälisen yhteistyön tärkeyttä. Mukana on Kiinan ulkopuolisia tutkijoita, mutta LISA-ryhmään ei tietääkseni ole juuri oltu yhteydessä, ja projekti näyttää etenevän omilla raiteillaan sivuille katsomatta.

Sama vaikuttaa pätevän toiseen kiinalaiseen gravitaatioaaltoprojektiin, nimeltään Taiji, mikä tarkoittanee suurta tai ylittämätöntä äärimmäisyyttä. Myös Taiji on lähettänyt koesatelliitin avaruuteen, syyskuussa 2019. Siinä missä TianQin yrittää kiriä kevyemmin kuormattuna LISAn ohi, Taiji on lähellä LISAa sekä aikataulultaan että rakenteeltaan. Taijissa on kolme satelliittia, joiden on määrä lentää Aurinkoa kiertävälle radalle samoihin aikoihin LISAn kanssa. Niiden etäisyydeksi on suunniteltu kolme miljoonaa kilometriä, viidennes enemmän kuin LISAssa.

Kohteiden paikallistamisen lisäksi kahdessa satelliittijärjestelmässä on tieteen kannalta se etu, että havaintoja voi tehdä silloinkin, kun yhden laitteet ovat jostain syystä suljettuina tai niissä on häiriöitä. Taijia mainostetaankin osana ”LISA-Taiji-verkostoa”, mutta en oikein tiedä onko LISA-ryhmän kanssa sovittu asiasta.

Pian nähdään miten hankkeet etenevät. Kiinan tiedeakatemian kansallisen avaruustiedekeskuksen johtaja Wu Ji on ehdottanut TianQin- ja Taiji-projektien yhdistämistä, ja jos haluaa kuroa kiinni LISAn etumatkan, ei ole varaa hidastella. Yhdysvaltojenkin osallisuuteen LISA-projektissa voi tosin tulla vielä yllätyksiä seuraavan 15 vuoden aikana.

---

Kaksi kuilua

18.9.2020 klo 22.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Siitä pitäen kun tutkimusryhmä LIGO helmikuussa 2016 ilmoitti havainneensa ensimmäiset mustien aukkojen törmäyksestä syntyneet gravitaatioaallot, niitä on nähty tasaista tahtia. Mustista aukoista on tullut arkea.

LIGOn ja Virgon kaksi ensimmäistä havaintokautta vuosina 2015 ja 2017 saivat haaviin kymmenen mustien aukkojen parin törmäystä sekä yhden törmäyksen, jonka osapuolet olivat luultavasti neutronitähtiä. Havainnot jokseenkin vastasivat odotuksia: neutronitähtiä lukuun ottamatta kohteet olivat mustia aukkoja, joiden massa on kymmenen Auringon massan tienoilla, joita tiedettiin syntyväksi tähtien romahtaessa. Tämä on muuttunut vuoden 2019 huhtikuussa alkaneella kolmannella havaintokaudella, jonka tuloksia on nyt alettu julkaista.

Kesäkuussa 2020 LIGO ilmoitti havainneensa vuoden 2019 elokuussa törmäyksen, jonka osapuolina on 23 Auringon massan painoinen musta aukko ja 2.6 Auringon massan painoinen kappale, jonka luonne on tuntematon.

Gravitaatioaalloista voi lukea ainakin törmäävien kappaleiden massat, pyörimisnopeudet ja etäisyyden. Hyvässä lykyssä kappaleet painavat aaltoihin myös muita jälkiä. Esimerkiksi neutronitähdet venyvät mustia aukkoja enemmän ennen törmäystä, ja tämä vaikuttaa aaltoihin. Näissä elokuun 2019 gravitaatioaalloissa ei näy merkkejä tällaisesta venymisestä. Tämä on odotettavissa, koska kun toisen kappaleen massa on paljon isompi, pienempi kappale sulautuu siihen ennen kuin ehtii juuri muuttaa muotoaan.

Kevyempi kappale voisi siis olla yhtä hyvin neutronitähti kuin musta aukko. Se on kuitenkin neutronitähdeksi ongelmallisen raskas ja mustaksi aukoksi epäilyttävän kevyt.

Mitä raskaampi neutronitähti on, sitä vaikeampi sen on välttää romahtamasta mustaksi aukoksi. Kasassa pysyminen edellyttää sitä, että neutronitähden tiheä ydinaine kannattelee tähteä tarpeeksi tiukasti. Ydinaineen käytös taas riippuu kvarkkien ja niistä muodostuvien hiukkasten käytöksen yksityiskohdista. Neutronitähdet ovatkin esimerkki siitä, miten tähtitieteen (muodikkaammin sanottuna astrofysiikan) tutkimuskohteiden ominaisuudet liittyvät elimellisesti hiukkasfysiikkaan.

Neutronitähden massan tarkan ylärajan määrittäminen on vaikea ongelma, jossa on kuitenkin viime vuosina edetty. Esimerkiksi Niko Jokelan, Aleksi Vuorisen ja yhteistyökumppaneiden tutkimustulosten mukaan yläraja on korkeintaan 2.33 2.8 Auringon massaa. Muiden tutkimusten mukaan yläraja olisi vain 2.33 Auringon massaa. Artikkelissaan LIGO- tutkimusryhmä esittelee muunkinlaisia erilaisia tuloksia, mutta lopulta toteaa, että luultavasti kyseessä ei ole neutronitähti, ellei käsityksemme neutronitähdistä ole pahasti pielessä.

Toinen mahdollisuus on musta aukko. Jos kerran 2.6 Auringon massainen tähti ei pysy kasassa, vaan romahtaa mustaksi aukoksi, niin sitten varmaan on 2.6 Auringon massaisia mustia aukkoja? Tähden romahduksesta syntyvän mustan aukon massa on kuitenkin aina pienempi kuin tähden. Romahdus on kiihkeä tapahtuma, ja osa tähden aineesta iskeytyy pois avaruuteen.

Tähän asti on arveltu, että tähden romahtaessa syntyvän mustan aukon pienin massa on noin 3-5 Auringon massaa. Tässä voidaan olla väärässä.

Voi myös olla, että musta aukko ei ole syntynyt tähden romahduksessa, vaan kappaleiden törmäyksessä. Esimerkiksi elokuussa 2017 havaitun kahden neutronitähden törmäyksen lopputulos luultavasti oli musta aukko, jonka massa on korkeintaan 2.7 Auringon massaa. (Se, että tässäkään törmäyksessä ei nähty merkkejä neutronitähtien venymisestä, muuten viittaa siihen, että neutronitähdet ovat pehmeämmänpuoleisia, joten niiden maksimimassa on pieni.)

Nyt pulmana on monimutkainen syntyhistoria. Ensin kahden neutronitähden pitää kiertää toisiaan ja törmätä, sitten tästä syntyneen mustan aukon pitää päätyä isomman mustan aukon seuralaiseksi ja olla yhdessä niin kauan, että yhtyy siihen. Tyypillisesti alueissa, missä on tiheässä tähtiä, kappaleet kuitenkin sitoutuvat toisiinsa pitkäksi aikaa vain silloin kun ne ovat suunnilleen yhtä massiivisia. Havaitussa tapauksessa isompi kappale on yhdeksän kertaa pienempää raskaampi.

Yksi ratkaisu on se, että pieni kappale on musta aukko, jonka sukuhistoriassa ei ole tähtiä ollenkaan. Mustia aukkoja on saattanut syntyä aikana ennen tähtien olemassaoloa esimerkiksi kosmisen inflaation aikana syntyneistä klimpeistä aineen jakaumassa. On ehdotettu, että pimeä aine muodostuisi sellaisista. Jos kyse olisi noin Auringon massaisista mustista aukoista, niiden olisi tosin odottanut löytyvän jo muutenkin (pimeää ainetta kun on paljon kaikkialla), mutta idea ei ole täysin poissuljettu.

Voi myös olla, että havainto on vihje vielä eksoottisemmasta ja toistaiseksi tuntemattomasta kappaleesta. Syyskuun alussa julkaistiin myös toinen gravitaatioaaltohavainto, jota on vaikea sovittaa tunnettujen kappaleiden muottiin.

Noin 66 Auringon massan painoinen ja noin 85 Auringon massan painoinen musta aukko sulautuivat toisiinsa seitsemän miljardia vuotta sitten, ja signaali tavoitti Maapallon vuoden 2019 toukokuussa, jolloin LIGO ja Virgo sen mittasivat. Kohtaamisessa syntyi 150 Auringon massan painoinen musta aukko, ja gravitaatioaallot kantoivat törmäyksestä pois energiaa 8 Auringon massan verran. Tämä vastaa ihmiskunnan nykyistä energiantuotantoa miljardin miljardin miljardin (10^(27)) vuoden ajalta. LIGO ja Virgo näkivät tapahtumasta viimeiset 0.1 sekuntia, jotka kattavat viimeisen muutaman kierroksen sekä sulautumisen. Tehon maksimi sulautumisen aikana oli noin 10^(56) W, eli noin kymmenentuhatta miljardia miljardia miljardia miljardia (10^(40)) kertaa niin paljon kuin ydinvoimala Olkiluoto 3:n suunniteltu teho.

Tämä on korkeaenergisin tapahtuma, mikä koskaan on nähty. On kuitenkin olemassa paljon isompiakin mustia aukkoja. Linnunradan keskustassa lymyävän mustan aukon massa on neljä miljoonaa Auringon massaa, ja Event Horizon Telescopen viime vuonna kuvaaman galaksin M87 keskustan mustan aukon massa on kuusi miljardia Auringon massaa. Nekin ovat syntyneet pienempien aukkojen törmäyksistä, jollaisia taivaalle 2034 nouseva gravitaatioaalto-observatorio LISA näkee.

Tehdyssä havainnossa oli huomionarvoista se, että törmäävien mustien aukkojen massat olivat lähellä sataa Auringon massaa ja niiden synnyttämän aukon massa on siitä yli. Tämä on ensimmäinen vankalla pohjalla oleva havainto mustasta aukosta, jonka massa sijoittuu suunnilleen Auringon massaisten tähtien jälkeläisten ja galaksien keskustoissa mollottavien jättiläisten väliin, eli välille 100-1000 Auringon massaa.

Yllättävää on se, että välillä 65-135 Auringon massaa ei pitäisi olla tähdistä syntyneitä mustia aukkoja ollenkaan.

Jos tähti on tarpeeksi massiivinen, lämpötila sen ytimessä on niin iso, että valo alkaa muuttua aineeksi. Fotonit muuttuvat elektronin ja sen antihiukkasen positronin pareiksi. Niiden paine on pienempi kuin valon, joten tähden ydin pehmenee. Tämän takia tähti alkaa supistua. Siksi lämpötila kasvaa entisestään, kiihdyttäen ydinreaktioita. Jos tähden massa on 32 ja 64 Auringon massan välillä, tähti vuorotelleen romahtaa ja laajenee, kunnes lopulta heittää pois ulomman kuorensa, niin että sen massa laskee ja ydin rauhoittuu. Jos massa on välillä 64-135 Auringon massaa, prosessi sen sijaan hajottaa tähden kokonaan, eikä jäljelle jää mitään. (Raskaammat tähdet pysyvät kasassa.)

Kaikkiaan tähtien romahduksessa ei siis pitäisi syntyä 64-135 Auringon massaisia mustia aukkoja ollenkaan. On taas kaksi vaihtoehtoa: joko käsityksemme tästä osasta tähtien kehitystä on väärin, tai havaitut kohteet eivät ole tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja.

Kuten 2.6 Auringon massaisen kappaleen tapauksessa, mieleen tulee mahdollisuus, että kyse on mustista aukoista, jotka ovat kasvaneet törmäys kerrallaan. Yksi ongelma on se, että kun kaksi mustaa aukkoa törmäävät, ne eivät säteile pois vain valtavia määriä energiaa, vaan myös liikemäärää. Toisin sanoen pois laukkaavat gravitaatioaallot antavat syntyneelle mustalle aukolle potkun, joka voi heittää sen kauas syntysijoiltaan. Toistuvat mustien aukkojen törmäykset kuitenkin edellyttävät sitä, että tienoilla on paljon tähtiä ja niistä syntyneitä mustia aukkoja: sulautuneiden parien pitää jäädä syntyseuduilleen uusia kohtaamisia varten, muuten ne jäävät yksin.

Nyt on julkistettu vasta 15 gravitaatioaaltosignaalia, mikä viittaa siihen, että tällaiset törmäykset eivät ole harvinaisia. (Ellei ihmiskunnalla ole käynyt poikkeuksellisen hyvä tuuri.) Niinpä niiden pitäisi syntyä olosuhteissa, jotka ovat tavallisia, eivät harvinaisia. LIGO toteaa, että tähtien ja mustien aukkojen ryhmien kehitystä tunnetaan kuitenkin sen verta huonosti, että tällaista vaiheittaista musta aukko -parien törmäämistä ei voida sulkea pois. Toinen vaihtoehto on, jälleen, varhaisina aikoina syntyneet mustat aukot tai jotkut tuntemattomat kohteet.

Havaintojen pieni määrä viittaa myös siihen, että sekä pienten että keskisuurten massojen kuiluista saadaan lisää havaintoja. Jos nähtäisiin vaikkapa alle yhden Auringon massaisen tiiviin kappaleen törmäys, tämä olisi vahva todistus joko varhaisina aikoina syntyneestä mustasta aukosta tai jostain tuntemattomasta kohteesta. On vaikea selittää 2.6 Auringon massan neutronitähtiä ja tähtien romahduksesta syntyviä mustia aukkoja, mutta alle yhden Auringon massan tapauksessa se olisi mahdotonta.

LIGOn ja Virgon kolmas havaintokausi loppui maaliskuussa 2020, koronapandemian takia noin kuukautta suunniteltua aikaisemmin. Seuraavan havaintokausi on kaavailtu alkavaksi vuonna 2022. Laitteita päivitetään ja parannellaan jokaisella tauolla. Kun LIGO pääsee parhaaseen vireeseen, sen odotetaan havaitsevan gravitaatioaaltoja noin kerran viikossa, eli kohteiden lukumäärän pitäisi kasvaa nopeasti. Lisäksi vuonna 2022 japanilaisen KAGRAn pitäisi olla jo mukana jahdissa. Ja kolmannelta havaintokaudelta on vielä tuloksia, joita ei ole julkistettu, ja joukossa kenties uusia yllätyksiä.

Kun ensimmäinen gravitaatioaaltohavainto julkistettiin, kirjoitin, että ne ovat ”täysin uusi kanava maailmankaikkeuteen, ja saattaa löytyä jotain yllättävää”. On mahdollista, että nyt julkistetut havainnot selittyvät vain korjauksilla käsityksissämme neutronitähdistä ja mustien aukkojen kotikontujen väestöstä. Mutta voimme myös olla löytöjen alussa.

Päivitys (19/09/20): Korjattu selitys odotetusta neutronitähtien massan ylärajasta.

---

Maailmankuvasta, kulttuurista ja opetuksesta

3.9.2020 klo 16.38, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kurssini Fysiikkaa runoilijoille alkoi tiistaina 1.9.. Kurssilla avataan fysiikan käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Aiheisiin kuuluu klassinen mekaniikka, suhteellisuusteoria, kvanttifysiikka, kosmologia sekä yritykset kohti kaiken teoriaa. Lisää kurssista täällä.

Luennot Zoomissa ovat avoimia kaikille ja ne nauhoitetaan. Linkki luentoihin ja nauhoitukset ovat kotisivulla. (Luentoja ei ole suunniteltu myöhemmin katsottavaksi, ja ne toiminevat paremmin livenä.)

Puhun torstaina 10.9. kello 15.02-15.55 Ylen Kulttuuriykkösellä scifielokuvan Tenet fysiikasta ja muustakin.

Mainittakoon, että juttelen torstaina 1.10. (varmaan 15.02-15.55) Ylen Kulttuuriykkösellä kirjailija Jorge Luis Borgesin teoksista, jotka liittyvät ainakin scifiin, saa nähdä tuleeko fysiikkakin esille.

Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto MAOLin jäsenille tiedoksi, että puhun syyskoulutuspäivillä etänä lauantaina 3.10. fysiikan opetuksesta.

Joitakin saattaa kiinnostaa kesällä tullut Ylen Kutsuvieras-ohjelma, jossa olin vieraana. Käsittelin siinä jonkin verran fysiikan tekemistä ja fyysikon polkua, muiden asioiden muassa. Ohjelma on kuunneltavissa 21.7.2021 asti. Tässä artikkeli ohjelmasta.

Myyttisiä lintuja

31.8.2020 klo 11.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luin Richard Baumin ja Willian Sheehanin kirjan In Search of Planet Vulcan: The Ghost in Newton’s Clockwork Universe. Se käsittelee erästä historian suurinta tieteellistä vallankumousta, nimittäin Newtonin gravitaatioteorian korvautumista yleisellä suhteellisuusteorialla. Näkökulma on sikäli kiinnostava, että suhteellisuusteoria on vain pikkujuttu lopussa. Pääosassa on Newtonin teorian kehitys, kukoistus ja lopullinen kaatuminen ongelmaan, jota yritettiin paikata Vulkanus-planeetalla. Baum ja Sheehan käyvät vaiheet läpi keskeisten henkilöiden historian kautta tuoden esille kiinnostavia yksityiskohtia.

Tarina lähtee liikkeelle vuonna 1642 Isaac Newtonista. Hänen äitinsä palvelijoiden mielestä Isaac ”ei kelpaa muualle kuin yliopistoon”, ja sepä hänen kohtalokseen koituikin. Kahdessa vuosikymmenessä 1660-luvulta 1680-luvulle Newton kehitti rakennelman, joka tunnetaan nykyään Newtonin mekaniikkana eli klassisena mekaniikkana. Se oli ensimmäinen fysiikan teoria. Yksi sen keskeinen osa oli Newtonin gravitaatioteoria, jonka mukaan jokainen kappale vetää muita puoleensa voimalla, joka on verrannollinen kappaleen massaan ja kääntäen verrannollinen kappaleiden etäisyyden neliöön.

Newtonin teoria selitti Johannes Keplerin havainnot, joiden mukaan planeetat liikkuvat ellipsin muotoisia ratoja Auringon ympäri. Newton meni Kepleriä pidemmälle selittämällä myös sen, että planeettojen radat poikkeavat ellipseistä, koska niihin vaikuttavat Auringon lisäksi myös muut planeetat.

Säntilliset havainnot olivat fysiikan kehityksen ytimessä, ja fysiikan edistys taasen johti tarkempien havaintolaitteiden kehittämiseen. Uuden teleskoopin avulla William Herschel vuonna 1781 mullisti käsityksen maailmankaikkeudesta löytämällä kokonaisen uuden planeetan, jonka nimeksi tuli Uranus.

Herschel itse ehdotti nimeä Georgium Sidus, suomeksi siis Yrjöjen tähti, kuninkaallisen tukijansa George (eli Yrjö) III:n mukaan. Avaruutta tutkittiin siinä missä tuntemattomia seutuja Maassa ja kunniaa taivaan löydöistä jaettiin kuin siirtomaiden valloitusretkistä. Kolme vuosikymmentä Uranuksen löytämisen jälkeen George III:n hallinnosta kirjoitettiin seuraavasti:

”on totta, että menetimme Amerikan kolmentoista siirtokunnan terra firman [kiinteän maan], mutta meidän tulisi olla tyytyväisiä saatuamme tri Herschelin kenraalintaitojen avulla vastineeksi paljon laajemman terra incognitan in nubibus [tuntemattoman maan pilvissä]”

Planeettojen löytämistä (kuten 1900-luvulla Kuun ”valloitusta”) pidettiin enemmän kansallisen kunnian kuin käytännön kysymyksenä. Tosin jo Kepler oli vuonna 1608 kirjoittanut avaruusmatkailusta, ja planeettoja pidettiin elinkelpoisina, eikä tutkimusmatkojen ulottamista niihin pidetty mahdottomana.

Fysiikan menestyksellä oli valtava ideologinen merkitys. Newtonin teoria alisti aiemmin salaperäiset taivaan ilmiöt väistämättömien lakien avulla ihmisjärjen käsitettäviksi. Sattumanvaraisen tuhon tuojina nähdyt komeetat näyttivät nyt kasvonsa vain Newtonin teorian määrääminä ajankohtina: fysiikka valjasti kaaoksen airuet järjestyksen näytekappaleiksi. Jo protofyysikko Francis Bacon oli vuonna 1620 liittänyt tieteen menneiden kuvitelmien haamujen karkottamisen, järjen voittokulkuun ja maailman hallitsemiseen.

Vanhaa järjestystä vastaan asettuvasta vallankumouksellisesta (ja vallankumouksen jälkeisestä) Ranskasta tuli yksi klassisen mekaniikan johtavia tutkimuskeskuksia. On esitetty, että Newtonin ylenpalttinen ihannointi haittasi Iso-Britanniassa rakentavan kriittistä suhtautumista hänen teoriansa kehittämiseen. Pierre-Simon Laplace, eräs klassisen fysiikan ja taivaan tutkimisen kärkinimiä, ilmaisi ”maailmanjärjestystä” (eli tähtitiedettä) käsittelevän vuoden 1796 kirjansa johdannossa alan merkityksen seuraavasti:

”Tähtitieteiden suurin hyöty on se, että ne ovat häivyttäneet tietämättömyydestä syntyneet väärinkäsitykset todellisista suhteistamme luontoon, väärinkäsitykset, jotka ovat sitä vaarallisempia, kun yhteiskuntajärjestyksen tulee perustua ainoastaan näihin suhteisiin. Totuus ja oikeudenmukaisuus ovat sen järkkymättömiä peruskiviä. Olkoon kaukana meistä se ohjenuora, että voi joskus olla hyödyksi pettää tai orjuutta ihmisiä heidän onnensa paremmaksi varmistamiseksi! Pahat kokemukset ovat kaikkina aikoina todistaneet, että näitä pyhiä lakeja ei ole seurauksitta rikkominen.”

Tähän parlamentin alahuoneelle omistettuun tekstiin on saattanut vaikuttaa Laplacen oma tilanne. Laplace kun oli menettänyt virkansa, koska häneltä katsottiin puuttuvan ”tasavaltalaisia hyveitä ja kuningasvihaa”.

Taivaankappaleiden ratojen yksityiskohtien selvittäminen vaati pitkiä ja monimutkaisia laskuja. Joskus usko petti ja Newtonin gravitaatiolaki haluttiin korvata sellaisella, joka tekisi havaintojen selittämisestä suoraviivaisempaa. Lakien muuttaminen halutun tuloksen saamiseksi (mitä esiintyy fysiikassa halki aikojen) on helppoa, jos voi säätää uuden lain miten tahtoo perusteista välittämättä. Se on usein myös lyhytnäköistä, eikä tässäkään vienyt maaliin. Newton kamppaili pitkään Kuun liikkeiden selittämiseksi, onnistumatta, ja lopulta kesti 60 vuotta, ennen kuin Auringon, Maan ja Kuun tanssin askeleet saatiin laskettua, muun muassa Laplacen oivallusten ansiosta.

Toinen ongelma, jonka ratkaisuksi esitettiin gravitaatiolain muuttamista, oli Uranuksen liikkeet. Oikea tie löytyi taas muualta, yksityiskohtaisten laskujen kautta. Urbaine Le Verrier laski vuonna 1846 millaisen planeetan vetovoima selittäisi erot Uranuksen lasketun radan ja havaintojen välillä. Planeetta löytyikin saman tien vain asteen päästä Le Verrierin ennustamasta paikasta. Tässä, kuten äkillisissä tieteellisissä murroksissa usein, oli mukana ripaus tuuria. Le Verrierin laskuissa oli iso virheraja, eikä löydetty planeetta täysin vastannut Le Verrierin ennustusta. Tämä ei juuri himmentänyt loistoa.

Le Verrier sujautti julkiseen keskusteluun ehdotuksen planeetan nimeämistä itsensä mukaan, mutta lopulta päädyttiin hänen ensin ehdottamaansa nimeen Neptunus. Brittiläinen tähtitieteilijä W.P. Smyth varoittikin siitä, mihin planeettojen nimeäminen löytäjien mukaan voisi johtaa: ajatella jos seuraavan löytäisi saksalainen tai joku ties minkä kansan jäsen.

Uuden planeetan ennustaminen, ”tähden löytäminen kynän kärjellä”, oli läpimurto. Jälleen kerran Newtonin teorian ongelmat ratojen selittämisessä oli käännetty suurenmoiseksi voitoksi. Niinpä seuraavankin ongelman ratkaisuksi ehdotettiin uutta planeettaa.

Merkuriuksen, kuten muidenkaan planeettojen, rata ei ole tarkalleen ellipsin muotoinen. Sen sijaan, että Merkurius palaisi joka kierroksella samaan paikkaan, sen rata kiertyy hieman. Newtonin teoria ennustaa tämän ilmiön, ja siitä voi laskea tismalleen paljonko rata kiertyy. Le Verrier osoitti syyskuussa 1859, että Merkuriuksen rata kiertyy enemmän kuin mitä tunnetut planeetat selittävät. Neptunus-menestyksensä nosteessa hän esitti, että vastuussa on Merkuriuksen ja Auringon välissä oleva uusi planeetta, Vulkanus.

Kuten Neptunus, myös Vulkanus nähtiin hetimiten, saman vuoden joulukuussa. Tosin havaintoihin sopivan planeetan massa oli miljoona kertaa ennustettua pienempi, mutta eipä Neptunuskaan ollut täysin vastannut ennusteita, joten Le Verrieriä juhlittiin silti.

Toisin kuin Neptunuksen kohdalla, havainnon varmentaminen osoittautui kuitenkin ongelmaksi. Epäilyjä oli alusta alkaen. Vulkanusta etsittiin odottamalla sen kulkevan meidän ja Auringon välistä, jolloin planeetta näyttäytyisi Auringon kasvojen halki matkaavana kiekkona. Jotkut raportoivatkin nähneensä planeetan – Auringossahan on kaikenlaisia täpliä. Toiset taas katsoivat osoittaneensa, että planeettaa ei ole, kun mitään ei näkynyt.

Idean tueksi esitetyt havainnot rupesivat olemaan ristiriidassa keskenään, eikä planeetta edes pystynyt selittämään Merkuriuksen radan kiertymistä. Niinpä Vulkanuksen rataa muokattiin ja sille laitettiin seuraksi joukko asteroideja – jolloin tuli uudeksi ongelmaksi se, miksi asteroideista heijastuvaa valoa ei nähdä, vaikka niiden pitäisi olla kirkkaita, lähellä Aurinkoa kun ovat. Tähtitieteilijä C.H.F. Peters nimitti touhua Le Verrierin myyttisten lintujen jahdiksi.

Pariisin observatorion eteen pystytettiin vuonna 1888 Le Verrierin patsas, jonka jalustaan oli kaiverrettu Aurinkokunta, Vulkanus mukaan lukien. Patsas on tallella, mutta Vulkanus on sittemmin hiottu pois. 1800-luvun loppupuolella kamerat korvasivat ihmissilmät Auringon tarkkailussa, eikä mielikuvitukselle jäänyt sijaa Vulkanus-havaintojen siivittämiseen.

Uuden planeetan tyrmääminen jätti jäljelle ongelman Merkuriuksen radan selittämisestä. Kun havainnot oli todettu luotettaviksi, oli vain kaksi vaihtoehtoa: joko on tuntematonta ainetta tai Newtonin gravitaatiolaki ei päde. Yksi yritys jälkimmäiseen suuntaan oli ehdotus, että gravitaatiovoima ei olekaan kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön, vaan etäisyyden potenssiin 2.00000016. Tämä on esimerkki teorian muokkaamisesta sopimaan havaintoihin, eikä kestänyt lähempää tarkastelua. Mutta vaikka reitti ei vienyt kohti ratkaisua, idea siitä, että gravitaatio on lähellä Aurinkoa vahvempi kuin mitä Newtonin teoria ennustaa oli oikea.

Ratkaisu saatiin vasta vuonna 1915, kun Albert Einstein ja David Hilbert löysivät yleisen suhteellisuusteorian. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatio ei ole voima, vaan aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä. Kun kaarevuus on pieni ja kappaleiden nopeudet ovat vähäisiä, kappaleiden radat ovat suunnilleen samat kuin Newtonin teoriassa. Lähellä Aurinkoa kaarevuus on kuitenkin sen verta isompi kuin muualla, että Merkuriuksen rataan tulee se tarvittu lisäkierre, jonka Le Verrier oli määrittänyt havainnoista 1859 (ja jota oli sittemmin tarkennettu).

Yleistä suhteellisuusteoria ei tarvinnut säätää Merkuriusta varten. Teorian lähtökohdilla ei ollut mitään tekemistä Aurinkokunnan kanssa, mutta se automaattisesti selitti ja ennusti siihen liittyviä havaintoja. Tällainen hedelmällisyys on toimivien teorioiden tunnusmerkki. Nykyään Merkuriuksen radan kiertyminen esitetään, aivan oikein, tärkeänä todistuskappaleena yleisen suhteellisuusteorian puolesta.

Sen sijaan Merkuriuksen radan kiertyminen ei yksinään todistanut Newtonin teorian olevan väärässä. Teorioita ei hylätä vain siksi, että ne eivät sovi havaintoihin, pitää olla jotain parempaa tilalle. Newtonin teoria ei ollut kumottuna 56 vuotta ennen yleisen suhteellisuusteorian löytämistä, vasta poikkeaman selittäminen uuden teorian avulla kumosi Newtonin teorian.

Asiaa valaisee Pioneer-anomalia. 1970-luvulla matkaan lähteneiden luotainten Pioneer 10 ja 11 radat poikkesivat vuosikymmenten ajan yleisen suhteellisuusteorian ennusteista. Lopulta vuonna 2012 ymmärrettiin, että kyse oli vain siitä, että lämmön liikettä luotaimissa ei oltu mallinnettu kunnolla. Mutta jos vastuussa olisikin ollut tarkempi gravitaatioteoria ja se olisi löytynyt, Pioneerit olisivat olleet Merkuriuksen lailla uuden teorian suunnannäyttäjiä.

Vastaavia teorioihin ja muihin havaintoihin sopimattomia havaintoja on jokseenkin aina. Yksi esimerkki, jonka tulkinta on vielä epäselvä, on koe DAMA/Libra. Koeryhmä väittää löytäneensä pimeän aineen, mutta kukaan muu ei ole pystynyt toistamaan tulosta, ja koska kokeet ovat hieman erilaisia, on epäselvää ovatko DAMAn/Libran tulokset pielessä vai onko edessä yllätys.

Mitä planeettajahtiin tulee, se on jatkunut näihin päiviin saakka. Vuonna 1930 havaittiin Pluto, joka oli planeetta aina vuoteen 2006 asti. Sekin löytyi läheltä ennustettua uuden planeetan paikkaa, mikä -hassua kyllä- oli puhdas sattuma, koska mitään uutta planeettaa ei oikeasti tarvittu selittämään havaintoja. Juuri nyt etsitään Aurinkokunnan rajamailta kaukaista planeettaa 9, jolla puolestaan pyritään selittämään Pluton tienoilla ja kauempana olevien kappaleiden liikkeiden poikkeamia odotuksista.

Baum ja Sheehan kertovat Vulkanuksen tarinan elävästi. Se on hyvä esimerkki siitä, miten tieteelliset ideat voivat toimia kerta toisensa jälkeen ja mennä lopulta pieleen, miten vaikeaa ja tärkeää on huolellisten laskujen ja havaintojen yhteispeli, miten hankalaa voi olla nähdä oikeaa suuntaa, ja miten pitkälle jotkut jahtaavat lintuja, joita ei ole.