Heinät heinäsuovasta
Torstaina Helsingin yliopiston fysiikan osastolla oli sarja puheita LISA–projektin etenemisestä ja Suomessa sen tiimoilta tehtävästä tai samankaltaisesta tutkimuksesta. LISA on kolmesta satelliitista koostuva observatorio, joka mittaa gravitaatioaaltoja. Euroopan avaruusjärjestö ESA on päättänyt rakentaa sen, ja Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA hankkeessa mukana.
LISAsta oli kertomassa tutkimusryhmän paikallisten jäsenten lisäksi Martin Hewitson, joka on LISA-ryhmän koordinaattori ja LISAn instrumenttiryhmän johtaja, sekä Antoine Petiteau, joka on LISA-ryhmän kanssajohtaja johtokunnassa, Ranskan edustaja LISAssa ja LISAn dataprosessointiryhmän johtaja.
Teknisesti LISA on erittäin vaativa projekti, ja tuntuu uskomattomalta, että se voi toimia. LISAn tavoittelemien gravitaatioaaltojen korkeus vaihtelee (kohteesta riippuen) välillä 10^(-17) ja 10^(-21) – ne muuttavat satelliittien välisiä etäisyyksiä etäisyyksiä suurimmillaan kymmenen miljardisosan miljardisosan verran. Nykyisten gravitaatioaaltodetektorien LIGOn ja Virgon näkemät gravitaatioaallot ovat tuosta heikommasta päästä, joten näin pieniä signaaleja on mahdollista havaita, ja LISAn teknologiaa on jo onnistuneesti testattu LISA Pathfinder -nimisellä koesatelliitilla.
LISA yhdistää isoa ja pientä. LISAn satelliittien etäisyys toisistaan Aurinkoa kiertävällä radalla on 2.5 miljoonaa kilometriä, ja niiden paikkaa pitää pystyä säätämään nanometrin tarkkuudella. Kunkin satelliitin sisällä on kaksi vapaasti kelluvaa detektoria, jotka lähettävät valoa toisilleen ja muiden satelliittien detektoreille. Laitteet mittaavat gravitaatioaaltojen aiheuttamia muutoksia valon matka-ajassa. Kokeen herkkyydestä kertoo se, että yksi merkittävä virhelähde on se, että noin 500 kilon painoisen satelliitin detektoriin kohdistama gravitaatiovoima ei ole samanlainen kaikissa suunnissa, minkä takia se liikkuu satelliitin sisällä.
LISAa alettiin suunnitella 1990-luvulla. Satelliittien on määrä nousta taivaalle vuonna 2034, aloittaa mittaukset vuonna 2036 ja jatkaa vähintään neljä vuotta. Satelliiteissa on tarpeeksi polttoainetta ja muita tykötarpeita vuoteen 2046 asti, ja data-analyysi jatkuu vielä sen jälkeen vaikka, kuten Martin Hewitson puheessaan totesi, ”emme kaikki ehkä ole sitä enää näkemässä”. Kokonaisuudessaan LISA-projekti kestää yli puoli vuosisataa, ja mittausten tekeminen on siitä vain pieni osa.
LISAn on tarkoitus olla päällä jatkuvasti, ja se mittaa taivasta kaikissa suunnissa. Olen aiemmin maininnut sen kohteista suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen kiertoliikkeen, galaksien keskustoissa istuvien mustien aukkojen yhteensulautumisen ja Higgsin kentän kuplien törmäykset maailmankaikkeuden alkuhetkinä. Viimeksi mainitut ovat yksi kosmologian päätutkimuskohde Helsingissä, mutta niistä tuleva signaali on erittäin epävarma – ei nimittäin tiedetä, syntyykö noita kuplia ollenkaan. Sen sijaan tunnettuja kohteita on riesaksi asti.
Helsingissä Peter Johansson tutkii tietokonesimulaatioilla galaksien törmäyksiä ja galaksien keskustojen mustien aukkojen sulautumisessa syntyviä gravitaatioaaltoja. Näiden miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen syntyä ja kehitystä ei tunneta vielä tarkkaan, ja LISA voi valaista asiaa merkittävästi. LISA on niin herkkä laite, että se havaitsee näiden jättimäisten kohteiden yhtymisen kaikkialta maailmankaikkeudesta, mistä signaalit ovat ehtineet tulla meille, eli 50 miljardin valovuoden säteeltä. Näitä törmäyksiä odotetaan tapahtuvan noin 10-100 kertaa vuodessa – tai ne siis tapahtuivat miljardeja vuosia sitten, mutta valonnopeudella kulkevat gravitaatioaallot saavuttavat meidät vasta nyt.
Yleisen suhteellisuusteorian testaamisen kannalta isojen ja pienten kohteiden yhdistelmä voi olla kiinnostavampi. Kun pieni musta aukko kiertää paljon isompaa, sen rata on erittäin monimutkainen ja se riippuu yleisen suhteellisuusteorian yksityiskohdista. Samasta syystä on vaikea selvittää, millainen gravitaatioaalto tästä tarkalleen syntyy, eli miten pieni musta aukko riepottaa avaruutta ison ympärillä viuhuessaan. Tätä ei vielä pystytä laskemaan edes parhailla supertietokoneilla, mutta vielä on 16 vuotta aikaa. LISAn odotetaan näkevän noin 1-1000 tällaista kohdetta vuodessa.
On myös kohteita, jotka tunnetaan hyvin. Linnunradassa arvioidaan olevan noin 10 miljoonaa valkoisten kääpiöiden pariskuntaa. Valkoiset kääpiöt ovat ydinpolttoaineensa loppuun kuluttaneita tähtiä, joiden massa ei ollut tarpeeksi iso (alle noin kahdeksan Auringon massaa), että ne olisivat musertuneet neutronitähdiksi. Ne ovat silti raskaita ja tiiviitä. Kun kaksi valkoista kääpiötä kiertää toistaan vinhaan, ne synnyttävät tarpeeksi gravitaatioaaltoja, että LISA näkee ne. Tässä on hyvät ja huonot puolensa.
Linnunradassa on valon avulla nähty parikymmentä valkoisten kääpiöiden paria. Niitä voi käyttää LISAn kalibrointiin, koska tiedetään tismalleen millainen signaali niistä pitäisi tulla. Ongelmana on se, että LISA pystyy erottamaan 25 000 muunkin valkoisten kääpiöiden parin gravitaatioaallot, ja loppujen noin 10 miljoonan aallot ovat taustakohinaa. Kun pannaan päälle se, että galaksien keskustojen mustien aukkojen törmäykset ja isoihin mustiin aukkoihin putoavat pienemmät mustat aukot saattavat tapahtua keskenään osittain samaan aikaan, signaalin erottaminen vaatii hienostuneita menetelmiä ja paljon laskentatehoa.
Nykyisillä gravitaatioaaltodetektoreilla ei ole tällaista ongelmaa. LIGO, Virgo ja hiljattain käynnistynyt KAGRA saavat haaviinsa noin kymmenen signaalia vuodessa, joiden kesto on sekunnin luokkaa. Kun signaalit ovat kaukana toisistaan, niiden erottaminen on helppoa. LISAssa pitää sen sijaan erotella heinät heinäsuovasta.
On säväyttävää, miten teknologia on edennyt. Muutama vuosikymmen sitten LISAn mittaamia aaltoja olisi pidetty mitättöminä ja mahdottomina mitata, mutta nyt (tai pian) niitä on taustakohinaksi asti; näin ihmeellisestä tulee arkea.
Kiinnostavinta on tietysti se, mitä ei osata odottaa. LISA saattaa löytää jotain, mistä meillä ei ole vielä aavistusta, mutta samalla on taattua, että se tuo tunnettuihin asioihin lisävalaistusta.
Kertoivatko LISA:a mainostaneet mitään sen tulevista kustannuksista ja kunka ne jaetaan NASA:n ja ESA:n kesken? Kuinka UK osallistuu nyt hankkeeseen Brexitin jälkeen. Entä Kiina ja Venäjä sekä muut BRICS-maat?
Kyseessä ei ollut mainostilaisuus vaan tieteellinen tapaaminen.
LISAn hinta on muutama miljardia euroa. ESA maksaa pääosan, NASA on junioriosakkaana mukana. Hankkeessa ei tietääkseni ole BRICS-maita mukana.
ESA ei ole osa EU:ta.
”Muutama vuosikymmen sitten LISAn mittaamia aaltoja olisi pidetty mitättöminä ja mahdottomina mitata, mutta nyt (tai pian) niitä on taustakohinaksi asti; – mutta vielä on 16 vuotta aikaa”.
Eli ilmeisesti luotetaan vahvasti (kylmästi?) siihen että kehitys kehittyy (16 vuodessa) ja että mittausvaikeudet voitetaan? Itsekin epäilet: ”tuntuu uskomattomalta, että se voi toimia”. Eli oliko Lisa Pathfinderin onnistuminen sittenkin ratkaisevaa? Jollei, niin käteen jää muutaman vuosikymmenen lasku.
Kommentti 16 vuodesta viittaa siihen, että isoa mustaa aukkoa kiertävän pienen mustan aukon lähettämiä gravitaatioaaltoja ei osata vielä laskea. Kyseinen ongelma liittyy siis osan signaaleista ennustamiseen, ei mittaamiseen.