Kolmekätinen kaukoputki
Toissaviikolla oli etäkonferenssi muinaisista mustista aukoista ja gravitaatioaalloista. Sana ”muinainen” viittaa siihen, ne ovat muodostuneet kauan ennen tähtien syntyä. Ei tiedetä, onko tällaisia mustia aukkoja olemassa. LIGOn ja Virgon havainnot mustista aukoista ovat kuitenkin innoittaneet paljon tutkimusta erilaisista tavoista niiden tuottamiseksi. (Minäkin olen mennyt mukaan touhuun.)
Jos muinaisia mustia aukkoja on olemassa, isoin kysymys on se, miten ne voi erottaa tähtisistä mustista aukoista. Tai toisin päin: mistä tiedämme, että LIGOn ja Virgon näkemät kymmenet toisiinsa törmäävät mustat aukot ovat peräisin tähtien romahduksesta?
Johtopäätös siitä, että törmäysten osapuolet ylipäänsä ovat mustia aukkoja perustuu kahteen seikkaan. Ensinnäkin gravitaatioaalloissa ei näy merkkejä siitä, että niillä olisi monimutkaista rakennetta. Kaikki tähtitieteelliset kappaleet ovat monimutkaisempia kuin mustat aukot – neutronitähdetkin litistyvät enemmän. Toisekseen havaittujen törmäyksen osapuolten massat ovat jokusesta muutamaan kymmeneen Auringon massaa, mitä tähtien romahdukselta odottaisikin.
On tosin havaittu muutamia yllättävän kevyitä ja raskaita mustia aukkoja, joiden alkuperä ei ole selvä. Jos nähtäisiin Aurinkoa kevyempiä mustia aukkoja, niiden olisi pakko olla muinaisia. Mikään tähtitieteellinen tapahtuma ei pysty saamaan aikaan niin pieniä mustia aukkoja, ja syntymän jälkeen mustat aukot voivat vain kasvaa. (Ellei höyrystymistä Hawkingin säteilyn takia oteta huomioon – se on kuitenkin merkittävää vain paljon Auringon massaa kevyempien aukkojen tapauksessa.)
Toinen tapa erottaa muinaiset ja tähtiset mustat aukot olisi nähdä gravitaatioaaltoja ajalta ennen tähtiä. Tämä tarkoittaa kurkottamista ensimmäiseen 100 miljoonaan vuoteen, yli 13 miljardin vuoden päähän ajassa ja 35 miljardin valovuoden päähän paikassa. Nykyiset toisen sukupolven gravitaatioaaltolaitteet eivät näe niin kauas. Konferenssissa Geneven yliopiston Michele Maggiore esitteli suunnitelmia eurooppalaisesta kolmannen sukupolven laitteesta nimeltä Einstein Telescope (yksityiskohtia täällä), joka näkisi noin 50 miljoonaan vuoteen asti.
Kaikissa nykyisissä ja vakavasti suunnitelluissa gravitaatioaaltodetektoreissa (NANOGravia ja muita pulsareiden tarkkailuun perustuvia kokeita lukuun ottamatta) on sama idea: lähetetään valosignaali eri suuntiin, heijastetaan takaisin ja mitataan pituuden tai matka-ajan muutos eri suunnissa.
Einstein Telescope lisäisi herkkyyttä ensinnäkin nykyistä pidemmillä käsivarsilla. LIGOn tunnelit ovat nelikilometrisiä, Einstein Telescopen olisivat kymmenen kilometriä pitkiä. Oleellisempaa on se, että Einstein Telescope sijoitettaisiin 100-300 metriä maan alle. Kuten vuoren sisälle rakennetun japanilaisen toisen sukupolven laitteen KAGRAn tapauksessa, tämä vaimentaa taustamelua. Yhteistä KAGRAn kanssa on myös se, että lämpökohinan minimoimiseksi valosäteitä heijastavat peilit jäähdytettäisiin hyvin kylmiksi, Einstein Telescopen tapauksessa kymmeneen Kelvin-asteeseen, eli -263 Celsius-asteeseen. Ja kuten jo hyväksytyllä kolmannen sukupolven gravitaatioaaltodetektorilla LISA (ja sen kilpailijoilla), Einstein Telescopella olisi kolme kättä LIGOn, Virgon ja KAGRAn kahden sijaan.
Einstein Telescopen odotettaisiin näkevän miljoona mustien aukkojen törmäystä vuodessa. Tämä olisi jatkoa päivitetyn LIGOn, Virgon ja KAGRAn aloittamalle siirtymälle yksittäisten mustien aukkojen tutkimisesta niiden populaation ominaisuuksien selvittämiseen: kuinka paljon ja millaisia mustia aukkoja löytyy eri ajoista ja paikoista. Jos mustat aukot ovat peräisin tähdistä, niiden lukumäärän muutos ajassa seuraa tähtien kehitystä, tietyllä viiveellä. Kaukaisten törmäysten tapahtumahetken selvittäminen gravitaatioaalloista on tosin vaikeaa. Gravitaatioaaltojen muodosta on helppo mitata kohteen etäisyys, mutta ajankohdan kertovan punasiirtymän mittaaminen on hankalampaa.
Samaa periaatetta voi soveltaa mustien aukkojen jakaumaan avaruudessa ajan sijaan. Jos mustat aukot ovat kuolleita tähtiä, niitä on samoissa paikoissa kuin eläviäkin tähtiä. Jos mustilla aukoilla on eri alkuperä, niiden sijaintikin on erilainen. Erityisesti jos mustat aukot muodostavat osan tai kaiken pimeästä aineesta, niiden jakauma on sama kuin pimeän aineen. Galakseissa pimeä aine on levittäytynyt paljon laajemmalle kuin tähdet ja muu näkyvä aine.
Muinaiset mustat aukot eivät ole Einstein Telescopen tärkein kohde. Teleskooppi antaisi myös tarkempaa tietoa neutronitähtien sisärakenteesta sekä paljastaisi galaksien keskustoissa olevien jättimäisten mustien aukkojen siemenet. Kiinnostavaa on myös mustien aukkojen tapahtumahorisontin syynääminen.
Kun musta aukko muodostuu, se väreilee hetken aikaa, kun tapahtumahorisontti säteilee ryppynsä pois ja asettuu aloilleen. Säteiltyjen gravitaatioaaltojen muoto riippuu yleisen suhteellisuusteorian yksityiskohdista, eikä sitä ole vielä saatu mitattua kovin tarkkaan. Törmäyksessä syntyneen mustan aukon rauhoittumisvaihe on lyhyempi ja vähemmän äänekäs kuin mustien aukkojen kiepunta toistensa ympärillä ennen yhtymistä, ja siksi vaikeampi havaita.
Joiden ehdotusten mukaan tapahtumahorisontin säteilyssä voisi nähdä kvanttigravitaation sormenjälkiä. Tämä on vielä spekulatiivisempi idea kuin muinaiset mustat aukot, mutta sen saa tarkistettua Einstein Telescopen muiden mittausten ohella. Toistaiseksi ainoastaan kosmisessa inflaatiossa on päästy kokeellisesti kiinni kvanttigravitaatioon, mutta mustat aukot ovat seuraavaksi lupaavin alue.
Osa Einstein Telescopen kohteista on samanlaisia kuin LISAlla, ja niiden käyttäminen samaan aikaan tehostaisi kummankin toimintaa. Einstein Telescopen kaavaillaan aloittavan vuoden 2035 tienoilla, samoihin aikoihin LISAn kanssa. Mutta LISA on jo hyväksytty, kun taas Einstein Telescope on vasta suunnitteluasteella. Yhdysvalloissa on myös suunnitelma isosta maanpäällisestä gravitaatioaaltoteleskoopista nimeltä Cosmic Explorer, ja molempia tuskin rakennetaan.
Mustien aukkojen ylistettyjen havaintojen ja gravitaatioaaltojen kunnianhimoisten suunnitelmien äärellä on hyvä pysähtyä toteamaan mitä todella on tehty ja mitä luvassa. Toistaiseksi gravitaatioaaltojen kautta ei ole nähty mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, eivätkä ne ole myöskään mullistaneet käsityksiä tähtien rakenteesta ja kehityksestä.
Hiukkaskiihdyttimiä rakennettiin vuosikymmeniä löytämään jotain uutta. 1970-luvulta alkaen hiukkasfysiikan Standardimalli ennusti kaikki kiihdytinhavainnot onnistuneesti, mutta silti jokaisen hiukkasen löytäminen kertoi jotain uutta maailmankaikkeudesta. Tämä voittokulku tuli tiensä päähän vuonna 2012, kun Higgsin hiukkanen jäi haaviin. Kiihdyttimien oli jo pitkään toivottu löytävän jotain Standardimallin tuolta puolen, ja oli syitä uskoa, että CERNin LHC-kiihdyttimen energioilla vastaan tulisi viimein supersymmetriaa, tekniväriä, ylimääräisiä ulottuvuuksia tai jotain muuta ennennäkemätöntä, vaikka kävikin toisin.
Gravitaatioaallot ovat uusi ikkuna maailmankaikkeuteen, ja ne voivat paljastaa jotain odottamatonta. Mutta toisin kuin LHC:n tapauksessa, ei ole mitään erityistä syytä ajatella, että nykyisten tai suunnitteilla olevien kokeiden ulottuvilla olisi uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, kuten muinaisia mustia aukkoja. Tiedämme vain, että Einstein Telescope tarkentaisi ymmärrystämme tähdistä, mustista aukoista ja gravitaatiosta, ei että se paljastaisi jotain täysin uutta – vaikka läpimurtoja nykyään pitäisikin rutiinilla luvata.
“To reduce gravity gradient noise and seismic noise, and therefore extend significantly the sensitivity toward low frequencies, ET will be built a few hundred meters underground. Two candidate sites remain and are currently under investigation: one in Sardinia, near the former Sos Enattos mine, and one at the three-border region of Belgium-Germany-Netherlands”
Ihmetyttää esim tuo Sardinia sijoituspaikkana (to reduce…seismic noice). Onkohan missään vaiheessa harkittu maapallon seismisesti vakainta kalliota eli Suomen peruskalliota? Olisi varmaan tuhat kertaa vakaampaa kuin Sardiniassa. Sen tähdenhän täällä esim. ensimmäisenä maailmassa käytetty ydinpolttoaine varastoidaan nimenomaan vakaaksi tunnettuun kallioperään. Muistelen että joskus harkittiin neutriinovastaanottolaboratorioiden sijoittamista Suomen kaivosluoliin.
En tiedä. Pyhäsalmen kaivokseen tosiaan haluttiin CERNistä tulevan neutriinosäteen detektori, mutta sitä ei saatu sinne. Joitakin pieniä fysiikan kokeita siellä on tehtykin.
Vaikuttaisikohan Einstein Telescopen tapauksessa sekin, kuinka vaikea on kaivaa satojen metrien syvyyteen?
Toisaalta oleellisia ovat vain ne seismisen kohinan taajuudet, jotka osuvat detektorin herkkyysalueelle, enkä tiedä miten paljon ne vaihtelevat kivilaadun ja alueen yleisen vakauden myötä,
”Vaikuttaisikohan Einstein Telescopen tapauksessa sekin, kuinka vaikea on kaivaa satojen metrien syvyyteen?”
Olkiluodon ydinjätteen loppusijoitussyvyys Onkalossa on 420 metriä, ja valmistuessaan sen suurin syvyys on 520 metriä.
Sinne vähän sivuonkaloita. Tiet, hissit ja muu infrastruktuuri jne on jo valmiina. Luulisi olevan hyvä tienestilähde Suomelle.
Paikan valintaan vaikuttaa sekin, mitkä instituutit ovat mukana projektissa. Suomesta ei olla mukana Einstein Telescopessa, joten eipä tänne instrumenttiakaan rakenneta. Gravitaatioaaltodetektorien saralla Suomessa osallistutaan vain LISAan.
Olen kuullut, että Lagunan väistymiseen Pyhäsalmen kaivokseen sijoittumisesta vaikutti merkittävästi suomalaisten tiederahoituksen nurkkakuntainen mustasukkaisuus. Ajateltiin, että valtio olisi voinut laittaa reilusti lisärahaa tieteelle, eikä se olisi ollut muualta pois. Noinhan rahoitus ei toimi – intressipiirien pitää pystyä uhraamaan ”omaa rahaa” merkittävästi, jotta kannattaisi kohdentaa yhteisiä verovaroja…
Mitä tarkoitat ”omalla rahalla”? Kaikki isot fysiikan projektit Suomessa ovat pääosin julkisesti rahoitettuja.
Tarkoitan jo tutkimukseen ja koulutukseen korvamerkittyä julkista resurssia.
http://www.et-gw.eu : “new quantum technologies to reduce the fluctuations of the light,”
Mitä nämä olisivat?
En ole varma. Einstein Telescopesta puhunut Michele Maggiore on teoreetikko, ja hän keskittyi siihen, mitä laitteella voisi nähdä, ja käsitteli teknologiaa vain lyhyesti. Mutta laitteessa on käsittääkseni tarkoitus parantaa valosignaalien puristamista (squeezing) ja sitä kautta tarkkuutta, kentias tuo viittaa siihen.
”Mustien aukkojen ylistettyjen havaintojen ja gravitaatioaaltojen kunnianhimoisten suunnitelmien äärellä on hyvä pysähtyä toteamaan mitä todella on tehty ja mitä luvassa.”
Paljon on tehty ja paljon resursseja käytetty ja löydetty se, mitä haettiin eli Higgsin hiukkanen v. 2012. Syksyn toiveet jonkin uuden ja mullistavan löytymisestä näyttävät melko vaatimattomilta, koska hiukkasfysiikan Standardimalli ei pysty enää ennustamaan uutta. Se tarkoittaa, että Standardimallista on luovuttava ja etsittävä parempaa selittäjää, koska selitettävää kyllä on. Tuo Einstein Telescope ja muut vielä isommat gravitaatioaaltodetektorit ovat kuin maakeskisen maailmankuvan korjausepisyklejä, jotka eivät ratkaise asiaa, koska itse malli on väärä.
Ongelmana ei ole se, että ei nähtäisi Hiukkasfysiikan Standardimallin tuolle puolen – sen laajennuksia on jo esitetty satoja, vuosikymmenien ajan.
Mitä Einstein Telescopeen ja muihin gravitaatioaaltokokeisiin tulee, Standardimalli ei kata gravitaatiota, joten nuo kokeet eivät suoraan liity siihen. (Vaikka epäsuorasti kyllä, esimerkiksi neutronitähtien käytös riippuu hiukkasfysiikasta.) Gravitaatioaallot ovat yleisen suhteellisuusteorian osa, ja yleisen suhteellisuusteorian ennusteet on todettu paikkansapitäviksi useissa kokeissa vuosikymmenien ajan. Samalla on esitetty siihenkin monia laajennuksia, joista osaa voidaan näillä kokeilla testata.