Jättiläisten tanssikuviot
Tämän vuoden odotetuin astrofysiikan ja kosmologian tapahtuma toteutui kesäkuun 29. päivä, kun viisi eri havaintoryhmää julkisti vahvoja todisteita uudenlaisista gravitaatioaalloista.
Vuonna 2020 tutkimusryhmä NANOGrav julkaisi tuloksia, jotka viittasivat gravitaatioaaltoihin. Kirjoitin silloin, että ”tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna”. Huhuja tulosten julkaisemisesta aivan kohta liikkui pitkään.
Kuten tavallista, havaintojen analysoimisessa meni odotettua kauemmin. Eilen NANOGrav-ryhmän jäsen Kai Schmitz Münsterin yliopistosta, Zürichin teoreettisen fysiikan instituutista ja CERNistä kertoi eilen Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa teoreetikon näkökulman uusiin tuloksiin.
NANOGrav ja viisi muuta tutkimusryhmää ympäri maailmaa mittaavat pulsareista tulevia radioaaltoja. Pulsarit ovat neutronitähtiä, jotka pyörivät itsensä ympäri vinhaan, kymmenestä tuhanteen kertaa sekunnissa. Pulsarin pyöriessä sen lähettämän radiosignaalin suunta muuttuu. Maasta katsottuna signaali menee päälle ja pois monta kertaa sekunnissa. Pulsarien pyörimisnopeus on hyvin vakaa, joten niitä voi käyttää tarkkoina kelloina.
Kun Maapallon ja pulsarin välistä menee gravitaatioaalto, se muuttaa niiden etäisyyttä. Muutos on pieni, NANOGravin havaintojen tapauksessa noin sata metriä tuhansien valovuosien etäisyydessä. Tämä tarkoittaa sitä, että radioaallot tulevat Maapallolle vähän eri aikaan, eli pulsarin kello edistää tai jätättää.
Yksittäisen pulsarin tapauksessa ei voitaisi olla varmoja siitä, nikotteleeko pulsari vai tapahtuuko todella radioaalloille jotain niiden matkan aikana. Mutta kun tarkkaillaan kymmeniä pulsareita eri puolilla taivasta ja havaitaan kaikkien käynnin muuttuvan ennustetulla tavalla, voidaan sulkea pois se mahdollisuus, että kyse olisi pulsarien ongelmista.
Vuonna 2020 NANOGrav raportoi 12.5 vuoden ajan tehdyistä havainnoista 47 pulsarista. Niiden perusteella ryhmä ei pystynyt erottamaan sitä, muuttuvatko pulsarien signaalit taivaan eri puolilla siten kuin niiden pitäisi, jos syynä ovat gravitaatioaallot.
NANOGravin uudet tulokset perustuvat 15 vuoden havaintoihin 67 pulsarista. Lisäksi neljä kuudesta muusta koeryhmästä eri mantereilla julkisti tuloksensa samaan aikaan. Havaintoja on tehty Amerikkojen lisäksi Etelä-Afrikassa, Australiassa, Euroopassa ja Kiinassa. Eteläafrikkalainen ryhmä ei ole vielä julkistanut tuloksiaan.
Nyt NANOGrav näkee selvästi, että kellojen käynti eri puolilla taivasta on häiriintynyt juuri sellaisella tavalla kuin mitä gravitaatioaallot ennustavat. Lisäksi näiden häiriöiden aallonpituudet on saatu mitattua entistä tarkemmin. Muiden ryhmien tulokset ovat yhtäpitäviä NANOGravin tulosten kanssa.
Yhdenkään ryhmän havainnot yksinään eivät vielä ole tilastollisesti niin merkittäviä, että ne riittäisivät sen julistamiseen, että uusia gravitaatioaaltoja on löydetty. Todennäköisyys sille, että NANOGravin löytämä kuvio taivaalla ei johtuisikaan gravitaatioaallosta, vaan olisi pelkkää kohinaa, on jotain tuhannesosan ja kymmenestuhannesosan väliltä, riippuen siitä millaisia oletuksia tekee.
Hiukkasfysiikassa ja yhä enemmän myös kosmologiassa ja astrofysiikassa löytöön vaaditaan, että sattuman todennäköisyys on alle yksi miljoonasta. Tämä raja on melko mielivaltainen, ja toisaalta väitetty löytö voi olla väärin vaikka laskettu todennäköisyys olisi miten pieni, koska saattaa olla tekijöitä, joita ei ole otettu huomioon. Esimerkiksi OPERAn väite valoa nopeammista neutriinoista ja BICEP2:n väite inflaation gravitaatioaalloista osoittautui virheelliseksi, ja DAMAn väite pimeän aineen hiukkasista on luultavasti samaa sarjaa.
On kuitenkin edetty 1980-luvusta, jolloin hiukkasfyysikko Carlo Rubbia käytti omintakeisia tulkintoja siitä mikä on löytö, sekä ennen että jälkeen kuin sai Nobelin palkinnon.
NANOGrav ja muut ryhmät ovat olleet huolellisia analyysissään ja varovaisia väitteissään. Tämä lienee syynä siihen, että tulosten julkistus on venynyt. Luultavasti löydön kynnys ylittyy lähivuosina uusien havaintojen tai nyt tehtyjen havaintojen yhdistämisen myötä. Toisin kuin OPERAn tai BICEP2:n tapauksessa, tutkijoiden yhteisö ei nyt keskity siihen, onko signaali todellinen, vaan siihen mistä se on peräisin.
Yksi syy havainnon ottamiseen vakavasti on se, että sille on valmis teoreettinen selitys: toisiaan kiertävät jättimäiset mustat aukot galaksien keskustoissa.
Koeryhmä LIGO havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 2015 toisiaan kiertävien, sulautuvien ja hetken yhdessä värisevien mustien aukkojen lähettämiä gravitaatioaaltoja. Löydöstä myönnettiin vuonna 2017 Nobelin palkinto. Sittemmin havainnoista on tullut rutiinia, ja niitä on tehty nyt noin sata. LIGOn (sittemmin mukaan on liittynyt myös italialainen Virgo ja japanilainen KAGRA) havaitsemien mustien aukkojen massa on muutamasta Auringon massasta hieman yli sataan Auringon massaan. Ne ovat luultavasti syntyneet tähtien romahduksessa.
Galaksien keskustassa on jättimäisiä mustia aukkoja, joiden massa on miljoonia tai miljardeja Auringon massoja. Jättiläisistä on paljon havaintoja –Linnunradan ja galaksin M87 aukoista jopa valokuvat- mutta ei olla varmoja siitä, miten ne ovat syntyneet ja kasvaneet.
Kun galaksit yhdistyvät, niiden keskustojen mustat aukot päätyvät kiertämään toisiaan kymmeniä miljoonia vuosia ennen yhteen sulautumista. Samalla ne lähettävät gravitaatioaaltoja. Maailmankaikkeus on täynnä näiden jättiläisparien tanssissa syntyviä aaltoja. Koska mustien aukkojen massa ja etäisyys toisistaan on isompi kuin LIGOn mustien aukkojen, gravitaatioaaltojen aallonpituus on pidempi, ja niiden taajuus on isompi: ne värähtelevät noin kerran vuodessa, minkä takia tarvitaan monta vuotta havaintoja ennen kuin niitä erottaa.
Lähteitä on niin paljon, että niitä on vaikea erottaa, joten niistä syntyy tasainen kumina, jossa on mukana eri suunnista tulevia ja hieman eri pituisia aaltoja. On kaksi syytä siihen, että ei ole varmoja siitä, että NANOGrav olisi havainnut tämän gravitaatioaaltotaustan.
Yksi on se, että aallot ovat hieman odotettua voimakkaampia, ja pitkän aallonpituuden aaltoja on mukana odotettua enemmän. Schmitz kuitenkin korosti sitä, että teoreettiset laskut ovat hyvin epävarmoja, koska mustien aukkojen liikkeitä galaksien keskustoissa ei ole vielä mallinnettu tarpeeksi huolellisesti. Tarvitaan parempien havaintojen lisäksi tarkempia teoreettisia ennusteita.
Toinen syy on se, että teoreetikoilla on liuta muita ehdokkaita.
Jos kvarkkien sitoutuminen protoneiksi ja neutroneiksi maailmankaikkeuden ollessa mikrosekunnin ikäinen on väkivaltaisempi tapahtuma kuin mitä hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa, siinä voi syntyä vahvoja gravitaatioaaltoja, ja niiden aallonpituus sopisi havaintoihin täydellisesti.
Vielä varhaisempina aikoina kosminen inflaatio synnyttää gravitaatioaaltoja. Jotta ne olisivat tarpeeksi voimakkaita oikealla aallonpituudella, inflaation pitäisi olla erilainen kuin mitä yksinkertaisimmissa malleissa – mutta monimutkaisten mallien tekeminen on helppoa. Toinen vaihtoehto on se, että inflaatio synnyttää isoja aineen tihentymiä, joista muodostuu mustia aukkoja, ja jotka samalla synnyttävät gravitaatioaaltoja. Jos näin olisi, näitä muinaisia mustia aukkoja pitäisi kohta näkyä. Myös kosmisia säikeitä ja muita hiukkasfysiikan eksoottisia mahdollisuuksia on ehdotettu aaltojen lähteiksi.
Monet näistä ideoista sopivat havaintoihin hyvin, mutta niidenkin ennusteissa on vielä epävarmuutta, kuten jättiläisten tanssiaskelissa.
Havaintojen parantuessa yritetään erottaa lähteiden jakaumaa taivaalla tai jopa yksittäisiä lähteitä. Varhaisen maailmankaikkeuden aallot tulevat joka puolelta tasaisesti, kun taas jättiläispareja on harvassa. Aaltojen aallonpituuden jakauman tarkempi syynääminen voi myös auttaa.
Vuonna 2037 avaruuteen laukaistava satelliittikolmikko LISA on suunniteltu näkemään gravitaatioaaltoja galaksien keskustan mustien aukkojen sulautumisesta. Sen ja NANOGravin havaintojen yhteensopivuus on aikanaan tärkeä testi NANOGravin havaintoje tulkinnalle.
Mutta ennen kuin LISAn dataa on saatavilla, NANOGrav ja muut ryhmät ovat luultavasti jo ylittäneet löydön kynnyksen. Varmaa on se, että pulsarit vetävät nyt puoleensa niin havaitsijoita kuin teoreettisia fyysikoita, ja ala siirtyy kohti astrofysiikan ja kosmologian keskustaa.
Kun gravitaatioaaltoja saapuu tutkittavaksi samaan aikaan joka puolelta universumia, niin eikö siitä synny ns. ristiaallokko. Jos syntyy, miten sellaisesta myllerryksestä pystyy sanomaan mistä gravitaatioaalto on lähtöisin ja mikä sen on saanut aikaan?
Onhan se vaikeaa. En tunne gravitaatioaaltokarttojen rakennuksessa käytetyn data-analyysin menetelmiä.
Ajatus inflaation kyvystä tuottaa havaittavan voimakkaita gravitaatioaaltoja ihmetyttää. Inflaatiohan ei oikeastaan ole mihinkään lakannut koska kosmologinen horisontti on edelleenkin olemassa, hieman etäänpänä vain kuin aikojen alussa. Jos inflaatio on tuottanut gravitaatioaaltoja silloin aikanaan ennen taustasäteilyn syntyä niin sen aallonpituus ja energia olisi heikentynyt huomattavasti taustasäteilyä voimakkaammin, joten sen havainnoimiseen vaadittava herkkystaso on vielä erittäin pitkässä kuusessa.
Alussa maailmankaikkeuden laajenemisen hidastumisvaiheessa kosmologinen horisontti on etääntynyt ja nyt laajenemisnopeuden kiihtyessä horisontti taas lähenee, riittävän pitkään jatkuessaan ehkä jopa sulkeutuen. Mahtaisiko Enqvistin toteamus ”Eksponentiaalisen laajenemisen ansiosta universumin ainetiheys ja lämpötila ryntäävät nollaa kohti. Inflaation loppuessa kenttä vierii minimiinsä, jolloin tyhjiöenergian latentti lämpö vapautuu ja kuuma maailmankaikkeus saa alkunsa” olla tulkittavissa sykkiväksi maailmankaikkeudeksi?
Inflaatio tarkoittaa kiihtyvää laajenemista maailmankaikkeuden alkuhetkillä, ei sitä että on horisontti.
Jotta inflaation tuottamat gravitaatioaallot selittäisivät NANOGravin havainnot, niiden alkuperäinen voimakkuus olisi tosiaan pitänyt olla paljon isompi kuin mitä tyypilliset inflaatiomallit ennustavat. Inflaatiossa pitäisi silloin olla vaihe, jolloin kvanttifluktuaatiot ovat hyvin voimakkaita.
Enqvistin sitaatilla ei ole mitään tekemistä sykkivän maailmankaikkeuden kanssa.
Kun ei juuri liity merkinnän aiheeseen, niin ei tästä sen enempää.
Kuinkahan paljon gravitaatioaaltoenergiaa astrofysikaaliset kohteet ovat yhteensä emittoineet? Muistaakseni joskus jopa ~10 prosenttia aukkojen massaenergiasta voi muuttua gravitaatioaalloiksi, kun kaksi mustaa aukkoa sulautuu (en ole prosenttiluvusta varma). Voisi siis olla että /jos/ supermassiiviset aukot ovat kasvaneet pienemmistä aukoista sulautumalla, niiden emittoima energia saattaisi olla samaa suuruusluokkaa tai jopa suurempi kuin aktiivisten galaksiytimien sähkömagneettiset ja hiukkassuihkuemissiot. Jotka puolestaan taitavat olla ehkä vain 0-1 kertalukua pienemmät kuin tähtien emittoima valoenergia.
Joo, mustien aukkojen yhteensulautumisessa noin 10% massoihin liittyvästä energiasta kulkee gravitaatioaaltojen mukana pois. Hyvä kysymys tuo energiatiheys, en tiedä paljonko se on (en ole koskaan arvioinut sitä). Mutta lienee hyvin epätodennäköistä, että suurin osa supermassiivisten mustien aukkojen massasta tulisi muista mustista aukoista. Suurin osa tullee siitä, että tavallinen aine putoaa mustaan aukkoon.
Aiemmin kommenteissa Syksy mainitsi, että inflaation synnyttämät aallonpituudet ovat näkyvät maailmankaikkeuden koko luokkaa. Tästä syystä niitä ei voida mitata. Pulsarimittaukset ovat poikineet myös julkaisuja, joissa gravitaatiotausta olisi inflaatiosta peräisin.
Inflaatio synnyttää gravitaatioaaltoja monilla eri mittakaavoilla. Tyypillisissä inflaatiomalleissa ne ovat NANOGravin ehkä havaitsemalla aallonpituudella niin heikkoja, että ne eivät voi selittää havaintoja. Paras mahdollisuus niiden havaitsemiseen on kosmologisilla aallonpituuksilla, missä ne jättävät jäljen kosmiseen mikroaaltotaustaan – tätä jälkeä ei tosin sitäkään on vielä havaittu.
Gravitaatioaallot ovat energiaa. Käykö niille mustassa aukossa samoin kuin muullekin energialle (eli jkasvattavat sen massaa)?
Gravitaatioaallot ovat avaruuden värähtelyä, mihin liittyy energiaa. (Aivan kuten sähkömagneettisen kentän värähtelyyn eli valoaaltoihin liittyy energiaa.) Kysymys onkin mielenkiintoinen. Luulisin, että jos gravitaatioaalto törmää mustaan aukkoon, se kasvattaa mustan aukon massaa kuten mustaan aukkoon putoava aine kasvattaisi, mutta en ole nähnyt tarkastelua tästä.
Voiko gravitaatioaalloilla olla hiukkas-aalto dualismi? Olisiko kaksoisrakokoe jotenkin teoreetisesti tehtävissä?
Tästä on erilaisia näkemyksiä. Kosmisten inflaation teorian menestys viittaa siihen, että pieniä häiriöitä aika-avaruudessa voi käsitellä kvanttifysiikan keinoin. Tällöin gravitaatioaalloillakin voisi periaatteessa tehdä kaksoisrakokokeen. Käytännössä olisi äärimmäisen hankalaa kohdistaa gravitaatioaaltoja menemään vain kahdesta aukosta, koska ne matkaavat niin helposti aineen läpi. Äärimmäisen hankalaa olisi myös synnyttää yksittäisiä gravitaation kvantteja, gravitoneja.)
Kiistellään kuitenkin siitä, onko yksittäisiä gravitaation kvantteja (gravitoneja) mahdollista havaita edes periaatteessa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/?s=graviton
Tässä aiemmin täällä käytyä keskusteluja gravitoneista.
Kiitos. WordPressissä on avainsana-toiminto, valitettavasti se ei Ursan blogeissa ole käytössä.
Hyvä viittaus. Alkeishiukkas graviton on liian heikko havaittavaksi. Mietin vain jos havaitut aallot esittävät gravitonin monikertaa ja niille saataisiin kaksoisrakokoe hyödyntämällä gravitaatiolinssejä, niin saataisiinko uutta tietoa aika-avaruuden luonteesta?
Kaksoisrakokoe vaatii niin systeemin vahvaa eristystä ympäristöstä, että sitä tuskin on mahdollista tehdä gravitaatiolinsseillä gravitaatioaalloille, vaikka ne vuorovaikuttavatkin heikosti.
Freeman Dyson pohti viimeisinä vuosinaan juuri tuota kysymystä että onko yksittäisen gravitonin havaitseminen periaatteessa mahdollista vai ei. Jos ei ole, voiko sen tulkita niin että kvanttigravitaation olemassaolo on sopimuskysymys, tai jopa niin että on olemassa jokin teoria jossa kvanttigravitaation olemassaolo tai -olemattomuus on teorian symmetria tai dualiteettimuunnos, vähän samaan tapaan kuin bosonit ja fermionit esiintyvät supersymmetriassa. Ja miksei silloin sama koskisi muitakin kvantti-ilmiöitä kuin pelkästään kvanttigravitaatiota. (Retorisia kysymyksiä.) Ehkä se tapa jolla Planckin vakio h ja säikeiden jännitys T liittyvät toisiinsa säieteoriassa havainnollistaa tapaa jolla kvantti-ilmiöt (joita h parametrisoi) voisivat olla ”sopimuskysymys”.
On erilaisia ideoita siitä, että gravitaatio ei olisikaan kvanttifysikaalista. Asia ei kuitenkaan pelkisty siihen voiko yksittäisiä gravitoneja havaita, koska kvanttifysiikassa on kyse muustakin. Esimerkiksi inflaation gravitaatioaallot syntyvät kvanttifluktuaatioista, ja niillä on havaittavia seuraamuksia riippumatta siitä voiko yksittäisiä gravitoneja havaita vaiko ei.
Kun puhutaan inflaation kvanttifluktuaatioiden tuottamista gravitaatioaalloista, minua ihmetyttää yksi juttu. Nimittäin nuo aallot muodostavia gravitoneja lienee suuri määrä, ts. kyseisten gravitonien tiheys nykyisessä maailmankaikkeudessa on suuri. Kuitenkin ne synnyttäneitä kvanttifluktuaatioita oli kai paljon pienempi määrä, siinä melessä että jos yhdestä fluktuaatiosta tuli aina yksi galaksijoukko (karkeasti), niin noita galaksijoukkoja on nykymaailmankaikkeudessa paljon vähemmän kuin samoista fluktuaatioista syntyneitä gravitoneja. Ilmeisesti gravitonien lukumäärä on säilynyt eli ne ovat vain dilutoituneet, jos ja kun ne eivät ole juuri vuorovaikuttaneet minkään kanssa emittoitumisen jälkeen. Oliko siis niin että kvanttifluktuaatiot inflaation aikana olivat (määritelmän mukaan) pienen kvanttimäärän ilmiö, mutta prosessi jossa niistä emittoitui gravitaatioaaltoja oli varsin klassinen (suuri määrä emttoituneita gravitoneja per yksi fluktuaatioiden kvantti)? Jos, niin johtuuko tämä jotenkin triviaalisti gravitaatiovakion pienuudesta (emittoitumiseen liittyvän kytkennän heikkoudesta) vai jostain muusta?
Galaksien siemeninä toimivat aineen ja avaruuden yhteiset kvanttifluktuaatiot ovat eri asia kuin gravitaatioaaltoja synnyttävät kvanttifluktuaatiot. (Ensimmäinen on skalaari, jälkimmäinen spin-2 kenttä.) Molempien tapauksessa inflaatio synnyttää tilan, jossa hiukkasten lukumäärä on suuri.