Kuhinan kartta
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.
Hmm, kiinnostavaa. Onko niin että kosminen gravitaatiotausta on vielä päätelmien varassa, vai onko siitä mitään epäsuoria vihjeitä?
Ei ole mitään vihjeitä havainnoista.
Jos gravitaatioaaltotaustan ymmärtää vain joukoksi gravitaatioaaltoja, jotka ovat niin heikkoja ja lukuisia, että yksittäisiä kohteita ei voi erottaa, niin sellainen on varmasti olemassa, koska kaikki kappaleiden liikkeet saavat aikaan gravitaatioaaltoja.
Jos vähän mielekkäämmin vaatii myös, että kohinan pitää olla tarpeeksi voimakasta, että sen voi mitata, niin on odotettavissa, että (kuten kirjoitinkin) mustien aukkojen ja neutronitähtien parien muodostamien aaltojen tausta on tarpeeksi vahva mitattavaksi.
Kosmisen gravitaatioaaltokohinan voimakkuudesta ei sen sijaan ole mitään varmuutta. Inflaatio saa aikaan gravitaatioaaltotaustan, mutta sen voimakkuus vaihtelee valtavasti eri inflaatiomallien välillä.
Onko kukaan esittänyt konsistenttia hypoteesia kuinka gravitaatioaallot voisivat heijastua?
Gravitaatioaaltojen käyttäytyminen tunnetaan hyvin, ei tarvita hypoteeseja.
Gravitaatioaallot vaikuttavat aineen kanssa niin heikosti, että ne eivät heijastu. Tarpeeksi vahvassa gravitaatiokentässä, hyvin lähellä mustaa aukkoa, ne voisivat kyllä kiertyä takaisin tulosuuntaansa, kuten valo.
Tarkoitin juurikin spekulointia vastaavalla heijastumisella kuin dipolinen sähkömagneettinen aalto heijastuu ainerakenteesta. Onko kvadrupolinen ”keikahdus” periaatteessa mahdoton vaikka aine olisi kuinka eksoottista? Vai voisiko fotosfääriä pitää gravitaatioaalloille viritystilana?
Ks. vastaus yllä.
Mielenkiintoista jos gravitaatioaaltotausta havaitaan. Tämä avaisi suoria havaintoja ajalta ennen mikroaaltotaustaa. Millä tapaa aaltoilun energiataso olisi laskenut ajan tai universumin tiheyden suhteen?
Mustien aukkojen ja neutronitähtien gravitaatioaaltotausta on syntynyt myöhemmin. Kosmisten säikeiden gravitaatioaaltotausta on sekin voinut osittain syntyä myöhemmin, mutta muut kosmiset lähteet ovat varhaisempia. Tämä on tosiaan yksi syy siihen, miksi se on mielenkiintoinen.
Gravitaatioaaltojen energiatiheys laskee samalla tavalla kuin valon. Yksittäisen aallon energia laskee kuten 1/pituus, koska aalto venyy ja aallon energia on kääntäen verrannollinen aallonpituuten, kuten valolla. Toisaalta aaltojen määrä per tilavuus laskee kuten 1/pituus^3, koska tilavuus kasvaa. Eli kaikkiaan energiatiheys laskee kuten 1/pituus^4.
Tämä siis olettaen, että uusia aaltoja ei synny. Jos kosmisia säikeitä on olemassa vielä myöhäisessä maailmankaikkeudessa, niin ne voivat synnyttää aaltoja jatkuvasti. Samoin mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäykset synnyttävät aaltoja koko ajan.
Kiitos, tämä selvensi. Toivotaan, että inflaation jälkeisiä maininkeja on havaittavissa kaiken muun sen jälkeisen kohinan seasta