Kosmokseen kirjoitettua

Kulta-ajan neljäs kausi

25.5.2023 klo 21.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaalto-observatorioiden nelikko LIGO, Virgo ja KAGRA aloitti eilen neljännen kautensa. Se oli ollut poissa pelistä sen jälkeen kun kolmas havaintokausi loppui maalis-huhtikuussa 2020. Laitteita on kolmen vuoden aikana huollettu ja kehitetty.

Japanissa Ikenoyama-vuoren sisällä istuva KAGRA osallistuu tälle kaudelle entistä täysipainoisemmin. Laite otti ensimmäisen kerran dataa vuonna 2016, joskin lähinnä laitteiden testaamiseksi. KAGRA osallistui kolmannelle havaintokaudelle vain kaksi viimeistä viikkoa, ja nyt se on aluksi mukana vain kuukauden. Sen jälkeen laitetta parannellaan, ja se palaa myöhemmin mukaan. KAGRAssa on osittain kehittyneempää teknologiaa kuin LIGOssa, mutta ilmeisesti kestää odotettua kauemmin, että se saadaan toimimaan kunnolla. Italiassa oleva Virgo puolestaan aloittaa vasta myöhemmin tänä vuonna. Aluksi pääpaino on siis LIGOn kahdessa Yhdysvalloissa sijaitsevassa havaintolaitteessa, jotka tekivät myös ensimmäiset havainnot.

LIGOlla ja Virgolla on ollut onnea matkassa. Ensimmäisen kauden alussa syyskuussa 2015 LIGO näki kauniin musta aukko -parin törmäyksen ennen kuin laitteet olivat edes varsinaisesti aloittaneet tiedehavaintoja.

Toisella kaudella LIGO ja Virgo näkivät törmäyksen, jossa ainakin toinen osapuoli oli neutronitähti ja josta siksi nähtiin gravitaatioaaltojen lisäksi myös valosignaaleja monilla aallonpituuksilla. Tämä oli vastaansanomaton todiste siitä, että laitteet todella näkevät gravitaatioaaltoja, ja niiden yhdistäminen sähkömagneettisiin havaintoihin avasi uusia mahdollisuuksia. Toistaiseksi haaviin ei ole jäänyt muita tapauksia, joissa olisi nähty törmäys eri sanansaattajien kautta. Toisen kauden jälkeen lokakuussa 2017 LIGOn löydöistä myönnettiin Nobelin palkinto.

Kolmannen kauden merkittävin piirre oli laitteiden kehittymisestä seurannut havaintojen määrän kasvu. Ensimmäisellä ja toisella kaudella tehtiin yhteensä vain 11 havaintoa, kolmannella kaudella LIGO ja Virgo näkivät 79 gravitaatioaaltoa. Tämä teki mahdolliseksi yksittäisten tapausten lisäksi mustien aukkojen väestön ominaisuuksien tutkimisen. Jotkut havainnot olivat outoja, koska niissä näkyi kohteita, jotka vaikuttavat joko liian pieniltä mustaksi aukoksi mutta turhan raskaita neutronitähdiksi, tai liian keskiraskailta mustiksi aukoiksi, jotka ovat syntyneet tähden romahtaessa.

Alkuun jokainen havainto tuntui läpimurrolta, mutta kolmannella kaudella niistä tuli arkea, kun satoja miljoonia vuosia sitten törmänneiden mustien aukkojen synnyttämiä avaruuden värähtelyjä havaittiin kerran-pari viikossa. Applella on appi, jolla saa puhelimeen viestin kun gravitaatioaalto on kulkenut Maan läpi. Jos on kiinnostunut yksityiskohdista, niin LIGO-Virgo-KAGRA-ryhmällä on sivu, mistä löytyy dataa ja neuvoja.

Neljännen kauden on määrä kestää 20 kuukautta, joista 18 kuukautta on havaintoaikaa. Kolmannella kaudella tehtiin 11 kuukautta havaintoja. Lisäksi laitteet ovat nyt entistä 30% herkempiä, eli odotettavissa on yli 150 uutta havaintoa. Pitkä aika auttaa myös kaivamaan pitkäkestoisia mutta heikkoja signaaleja kohinan seasta, kuten pyörivien neutronitähtien pinnalla olevien vuorten jalanjälkiä.

Odotetaan erityisesti, että nähdään lisää neutronitähtien törmäyksiä sekä gravitaatioaaltojen että valon avulla. Koska neutronitähdet ovat kevyempiä kuin mustat aukot, niiden synnyttämät gravitaatioaallot ovat heikompia.

Tällä hetkellä LIGO näkee neutronitähtien törmäyksiä 520 miljoonan valovuoden päästä, KAGRA vain kolmen miljoonan. Virgo on siinä välissä, noin 150 miljoonalla valovuodella. Ennusteiden mukaan näillä etäisyyksillä tapahtuu yhdestä kymmeneen tällaista törmäystä vuodessa. Eri teleskoopit ja satelliitit ovat valmiina suuntaamaan katseensa sinne kohtaa taivasta mistä gravitaatioaaltoja tulee heti saatuaan LIGOlta ja kumppaneilta sanan. Mitä useampia havaintolaitteita on eri paikoissa, sitä tarkemmin saadaan määritettyä, mistä suunnasta gravitaatioaallot tulevat, ja sitä helpompi on etsiä tapahtuman lähettämää valoa.

Viime kuussa Intian hallitus antoi lopullisen luvan kolmannelle LIGO-observatoriolle, joka rakennetaan lähelle Aundhan kaupunkia Intiassa. Laite tunnetaan nimillä LIGO-India, IndIGO ja LIGO-Aundha. Alun perin puhuttiin, että se aloittaisi toiminnan jo 2024. Nyt näyttää siltä, että LIGO-India tulee mukaan vasta LIGOn ja kumppaneiden viidennelle kaudelle, jonka on määrä alkaa vuonna 2027. Tällöin myös Virgon ja KAGRAn on määrä saavuttaa lähes yhtä iso herkkyys kuin LIGOn.

Viidennen havaintokauden lopusta vuonna 2029 on alle vuosikymmen siihen, kun satelliittikolmikon LISA on määrä nousta Aurinkoa kiertävälle radalle mittaamaan törmäävien galaksien keskustojen jättimäisten mustien aukkojen lähettämiä gravitaatioaaltoja. Toistaiseksi niitä on nähty ainoastaan valolla. LISAn laukaisu on viivästynyt vielä pari vuotta sitten tavoitteena olleesta vuodesta 2034 vuoteen 2037. Tämä on isoille ja uutta teknologiaa käyttäville kokeille tavallista. Viive antaa nopeasti etenemään pyrkiville kiinalaisille satelliittihankkeille TianQin ja Taiji lisäaikaa kiriä ohi.

Jättimäisten mustien aukkojen gravitaatioaaltohavainnot saattaa kuitenkin korkata NANOGrav, joka mittaa häiriöitä pyörivien neutronitähtien lähettämissä radioaalloissa. Tästä julkaistiin kutkuttavia vihjeitä 2020, ja varmistusta odotettiin vuodelle 2021. Tänä keväänä on kuulunut huhuja siitä, että löytö julistettaisiin pian. Varmaa on se, että nyt on gravitaatioaaltojen ja mustien aukkojen kulta-aika, ja havainnot ja teoria kehittyvät koko ajan.