Kosmokseen kirjoitettua

Isoja aukkoja, nopeita räjähdyksiä ja pieniä vuoria

23.5.2016 klo 17.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla tuttuni Stefano Foffa Geneven yliopistosta käväisi Helsingissä puhumassa gravitaatioaalloista. Stefano kuuluu LIGO-tutkimusryhmään, joka helmikuussa ilmoitti tehneensä syyskuussa historiallisen löydön ja havainneensa kahden mustan aukon törmäyksestä noin miljardi vuotta sitten syntyneet gravitaatioaallot.

Jo helmikuussa oli huhuja, että LIGOlla on pussissa enemmänkin havaintoja, joita ei oltu ehditty käydä kokonaan läpi. Stefano vahvisti tämän sanomalla, että oli toivonut voivansa kertoa meille uusista tuloksista, mutta valitettavasti niiden julkistaminen on viivästynyt kesäkuulle.

LIGO-havaintolaitteiden nykyinen versio advanced LIGO näki gravitaatioaaltoja jo vähän ennen kuin se varsinaisesti edes oli tiedekäytössä. Tämä voi viitata siihen, että musta aukko –pareja onkin luultua enemmän ja havaintoja saadaan paljon, mutta nyt niitä odotellaan tulevan noin kerran kuukaudessa. LIGOn havaitsemien mustien aukkojen massa oli myös yllättävän iso, noin 30 Auringon massaa, ja on kiinnostavaa katsoa, onko tällaisia keskikokoisia mustia aukkoja olemassa paljon, vai oliko tämä poikkeus.

LIGO on avannut gravitaatioaaltotähtitieteen aikakauden, ja suuri havaintomäärä mahdollistaa asioiden tutkimisen uudella tavalla. Esimerkiksi syyskuun havainnon perusteella ei vielä pysty kovin hyvin rajoittamaan mahdollisia poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Ongelmana on se, että jos muokkaa suhteellisuusteoriaa jollain tavalla, niin signaalia voi säätää toiseen suuntaan muuttamalla sitä, millainen mustien aukkojen järjestelmä on – mikä on niiden pyörimissuuntien suhde, missä kulmassa ne lähestyvät toisiaan, missä asennossa niiden pyörimistaso on meihin nähden, ja niin edelleen. Kun havaitaan suuri määrä erilaisia järjestelmiä, tämä epävarmuus saadaan poistettua, koska teorian muutokset vaikuttavat kaikkiin niistä samalla tavalla, mutta yksilölliset piirteet eri tavalla.

Mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäysten lisäksi LIGOlla on mahdollisuus nähdä gravitaatioaaltoja nopeasti pyörivien neutronitähtien vuorista sekä kenties supernovaräjähdyksistä. Jälkimmäistä rajoittaa se, että supernovaräjähdysten yksityiskohtia ei vielä ymmärretä, vaikka niillä on keskeinen asema maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen luotaamisessa. Mustat aukot ovat gravitaation kannalta äärimmäisiä ilmiöitä, alueita joissa tila kaartuu itseensä, niin että sieltä ei pääse pois. Niiden käsitteleminen on kuitenkin sikäli suoraviivaista, että voi vain laittaa yleisen suhteellisuusteorian lait ohjelmaan ja pistää koneen raksuttamaan. (Tämä ei ole ihan niin helppoa kuin miltä se kuulostaa.) Supernovissa pitää seurata gravitaation lisäksi myös ydinräjähdysten syttymistä ja räjähdysrintaman etenemistä sekä valon ja neutriinoiden kulkua tähden sisällä. Vaikka kaikki tähän liittyvä fysiikka tunnetaan periaatteessa, on näiden monimutkaisten tapahtumien tarkka laskeminen hankalaa.

Gravitaatioaallot ovat heikkoja, joten on suuri apu, jos tietää tarkkaan, mitä etsii. LIGOlla on mustien aukkojen törmäyksistä satojen tapahtumien kirjasto, johon havaintoja verrataan. Odotettua signaalia käytetään suodattimena, jolla kohinasta seulotaan signaalia. Ideana on se, että koska kohina ei ole korreloitunut signaalin kanssa, niin mitä pidempi havaintojakso on, sitä selvemmin signaali näkyy kohinan seasta. Mustien aukkojen tapauksessa seuranta-aikaa rajoittaa se, että niiden lähettämien gravitaatioaaltojen taajuus riippuu siitä, miten lähellä ne ovat toisiaan: mitä lähempänä aukot ovat, sitä nopeammin ne kieppuvat ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Kun aukot ovat liian kaukana toisistaan, niiden lähettämien aaltojen taajuus on liian pieni, eli aallonpituus on liian iso, että LIGO näkisi niitä. Supernovien tilanne on vielä hankalampi, koska niiden gravitaatioaaltosignaalista puuttuu aukkojen lähestymistä vastaava osuus, jonka avulla signaali löytyy kohinasta, siinä on vain loppukiihdytys.

Neutronitähtien vuorien kohdalla tilanne on päinvastainen. Neutronitähdet ovat eläkkeelle siirtyneitä tähtiä, jotka ovat kutistuneet hyvin pieniksi, suunnilleen kymmenen kilometrin kokoisiksi. Tämän takia ne pyörivät hyvin nopeasti – kun pyörivä kappale pienenee, se pyörii nopeammin, kuten taitoluistelussa näkee. Neutronitähdet ovat hyvin tasaisia, mutta niiden pinnalla saattaa olla millimetrin kokoisia poikkeamia pallon muodosta. Nopean pyörimisliikkeen takia näiden pienten epätasaisuuksien lähettämät gravitaatioaallot saattavat olla havaittavissa LIGOlla. Niiden tilanne on päinvastainen kuin supernovilla: signaalissa ei ole mitään erityistä huippua, se on kokonaan kohinan alla, mutta toisaalta juuri siksi, että signaali ei muutu, sitä voidaan seurata vuosien ajan, niin että mitä pidempään havaintoja tehdään, sitä paremmin neutronitähtiä pitäisi näkyä.

Havaintoja on tulossa paljon lisää. LIGOn havaintoasemien verkkoon palaa kahden Yhdysvalloissa olevan aseman lisäksi tänä syksynä kolmas, Italiassa oleva Virgo. Rakenteilla on myös ainakin kaksi uutta havaintoasemaa. Viikon sisällä siitä, kun LIGO helmikuussa ilmoitti onnistumisestaan Intian hallitus päätti, että Intiaan rakennetaan LIGOn kanssa yhteistyössä uusi havaintoasema LIGO-India. Japaniin rakennetaan par’aikaa havaintolaitetta nimeltä KAGRA, joka aloittanee toimintansa vuoden 2020 tienoilla.

Havaintoasemien määrä ei auta vain kohinan vaimentamisessa, niiden avulla saadaan myös paremmin selville gravitaatioaaltojen tulosuunta. LIGOn kahden havaintoaseman avulla pystyy vain määrittämään taivaalla kaaren, jolla aaltojen lähde sijaitsee. Kolmella detektorilla lähteen paikan saa rajoitettua kahden kaaren risteyksiin, ja neljällä yhteen pisteeseen, tai käytännössä pieneen läiskään. Tästä on apua, jos halutaan selvittää, näkyykö taivaalla gravitaatioaaltolähteen lähettämää sähkömagneettista säteilyä. Supernovien pitäisi näkyä taivaalla, kun taas kahden mustan aukon paikalla lähettämän säteilyn odottaisi olevan liian heikkoa, että sen näkisi satojen miljoonien valovuosien päästä. On tosin väitetty, että kiertoradalla oleva Fermi-teleskooppi olisi nähnyt gammasäteitä (eli korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä), jotka olisivat peräisin LIGOn näkemästä kahden mustan aukon törmäyksestä. Tämä olisi hyvin yllättävää, ja tulevilla havainnoilla saadaan varmistettua asian laita.