Meri ei ole tyyni
Eilen LIGO-tutkimusryhmä julisti havainneensa kahden mustan aukon törmäyksessä syntyneitä gravitaatioaaltoja, ja yksityiskohdat kertova tieteellinen artikkeli ilmestyi samaan aikaan lehdistötilaisuuden kanssa. Havainto on saanut ansaittua huomiota; mainitsen laajasta kirjosta vain Kari Enqvistin oodin tieteelle, Quantan kiinnostavan katsauksen LIGOn historiaan ja Naturen selkeän kuvauksen.
LIGO on etsinyt gravitaatioaaltoja vuodesta 2002 alkaen. Vuonna 2011 kirjoitin seuraavasti LIGOn uudesta vaiheesta, jonka oli määrä käynnistyä 2014 (se alkoi vasta 2015):
”lähiajan odotus keskittyy Advanced LIGOon, mutta silläkin saattaa kestää joitakin vuosia ennen saaliin nappaamista. Hyvä puoli gravitaatioaalloissa on se, että niitä on lähes varmasti olemassa ja niillä on meille kiinnostavaa kerrottavaa. Harmillista on se, että ei tarkkaan tiedetä paljonko lähteitä ympäristössä on, eli kuinka herkällä korvalla pitää kuunnella, että aaltojen äänen kuulee metelin seasta.”
Arviot Advanced LIGOn näköpiirissä olevien toisiinsa törmäävien mustien aukkojen, neutronitähtien ja muiden aika-avaruutta kovasti hölskyttelevien tapausten lukumäärästä vaihtelivat välillä ”kerran kahdessa vuodessa kolmeen törmäykseen päivässä”. Vuosien vesiperän jälkeen LIGOlla kävi tuuri, kun sen parannettu versio Advanced LIGO havaitsi kahden mustan aukon törmäyksen heti syyskuussa 2015, kun detektori oli vielä koeajossa.
LIGO näki kahden noin 30 kertaa Aurinkoa raskaamman mustan aukon kiertävän toisiaan, törmäävän ja sulautuvan yhdeksi noin 60 Auringon massan painoiseksi mustaksi aukoksi. Tämä aika-avaruutta repivä prosessi kesti noin puoli sekuntia, jona aikana mustat aukot lähettivät gravitaatioaaltoina energiaa kolmen Auringon massan verran. Tämä on noin 50 miljoonaa miljoonaa kertaa enemmän kuin Auringon yhdessä vuodessa valona säteilemä energia. Törmäys tapahtui noin miljardi vuotta sitten, jolloin Maapallolla tuskin oli vielä yksisoluisia olentoja monimutkaisempaa elämää. Gravitaatioaallot ovat miljardin valovuoden matkallaan heikentyneet niin paljon, että ne venyttävät aika-avaruutta vain 10^(-21) verran: LIGOn neljän kilometrin detektorin pituus muuttuu niiden kulkiessa sen läpi vain protonin halkaisijan tuhannesosan, mutta se on äärimmäisen tarkoille laitteille tarpeeksi. (En saa potensseja toimimaan blogialustalla, mutta tuossa on siis 21 nollaa: pituudet muuttuvat suhteellisella tekijällä 0.000000000000000000001.)
Gravitaatioaallot on epäsuorasti havaittu jo vuonna 1974, ja siitä myönnettiin Nobelin palkinto 1993. Tämä on kuitenkin ensimmäinen kerta, kun gravitaatioaaltoja on nähty suoraan. Tilannetta voi verrata Higgsin hiukkasen löytämiseen vuonna 2012. Se, että hiukkasten (erityisesti W- ja Z-bosonien) massat selittyvät Higgsin kentän avulla tiedettiin jo 1970-luvulla ja hiukkasfysiikan Standardimallia oli testattu tarkkaan, mutta Higgs saatiin suoraan haaviin myöhemmin. Myös yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu monin tavoin sen satavuotisen taivaleen varrella. Teoriaa olisi erittäin vaikea muuttaa siten, että gravitaatioaaltoja ei olisikaan, mutta sopu muiden havaintojen kanssa säilyisi.
Gravitaatioaaltojen etsinnällä on kompuroiva historia, alkaen Joseph Weberin 1960-70-luvulla väittämistä löydöistä, ja muistissa ovat BICEP2-koeryhmän vääriksi osoitteutuneet väitteet vuonna 2014 maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla syntyneiden gravitaatioaaltojen epäsuorasta havaitsemisesta. LIGO on kuitenkin vankemmalla pohjalla kuin aiemmat yrittäjät.
LIGOn havainto perustuu törmäävien mustien aukkojen yksityiskohtaiseen tutkimiseen tietokoneella. 2000-luvun alussa tapahtui läpimurto, kun yleisen suhteellisuusteorian monimutkaisille yhtälöille kehitettiin tietokoneilla ratkaistavaksi sopiva muoto. Tämän avulla saatettiin tutkia yksityiskohtaisesti, mitä mustien aukkojen törmäyksessä tapahtuu. LIGO-koeryhmällä on laskettuna 250 000 erilaista mustien aukkojen törmäystä, ja tiedetään tarkalleen, minkä näköinen gravitaatioaalto niistä tulee. Nyt tehty havainto vastaa kirjastosta löytyvää signaalia. Ainoa kysymysmerkki oli se, että ei tiedetty tarkalleen, paljonko mustia aukkoja lähipiirissä törmäilee.
Lisäksi LIGOlla on kaksi eri havaintolaitetta, jotka näkevät saman signaalin 7 millisekunnin viiveellä, mikä valonnopeudella matkaavilta aalloilta kestää kulkea detektorilta toiselle. Mahdolliset virhelähteet on myös tutkittu tarkemmin kuin BICEP2:n tapauksessa, ja LIGOn tutkimus on käynyt läpi vertaisarvioinnin (niin paljon kuin siitä hyötyä on) ennen lehdistötilaisuuden järjestämistä, toisin kuin BICEP2:n.
LIGOn havainto on helppo varmentaa toistamalla, koska sen odotetaan nyt näkevän paljon gravitaatioaaltoja. Löytö saattaakin antaa lisäpontta paljon kauemmas näkevien eLISA-gravitaatioaaltosatelliittien projektille. Yhdysvallat on lopettanut tuon hankkeen rahoittamisen, mikä on osaltaan voinut vaikuttaa siihen, että LIGO-ryhmä kehuu saamansa yhdysvaltalaisen rahoituksen kaukokatseisuutta ja maan johtoasemaa tiedon edistämisessä, varmaankin toivoen, että tämä muistetaan jatkossa.
Gravitaatioaaltoja merkittävämpi löytö onkin se, että nyt ollaan ensimmäistä kertaa nähty kahden mustan aukon törmäys ja yhteen sulautuminen. Kirjoittaessani mustista aukoista vuonna 2011 sanoin, että ne ovat ”tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta”. Tämä on varsin konservatiivinen näkemys, suurin osa tiedeyhteisöstä on pitänyt mustia aukkoja varmana asiana epäsuorien havaintojen perusteella. Gravitaatioaaltojen avulla on kuitenkin mahdollista luodata mustien aukkojen voimakkaita gravitaatiokenttiä suoraan, ja selvittää niiden käytöksen yksityiskohdat, mahdollisesti jopa nähdä yleisen suhteellisuusteorian tuolle puolen.
LIGOn löytö on vuosikymmenien teoreettisen, laskennallisen ja kokeellisen työn huipentuma, mutta se on vasta alkua. Gravitaatioaalto-astronomien aikakausi on avattu, ja nyt odotetaan sitä, mitä kaikkea niiden avulla saadaan selville. Ne ovat täysin uusi kanava maailmankaikkeuteen, ja saattaa löytyä jotain yllättävää. Yleisen suhteellisuusteorian vanha mestari Kip Thorne, eräs LIGOn keskeisistä hahmoista, kuvaili tilannetta näin:
”On kuin olisimme nähneet merenpinnan vain tyynenä päivänä, mutta emme olisi koskaan nähneet sitä myrskyssä, valtameren aaltojen tyrskytessä.”
Aiheesta lisää voi kuulla Kumpula NYT –tilaisuudessa ”Gravitaatioaallot ja mustat aukot” perjantaina 19.2. kello 14.15. Tilaisuus on Exactum-rakennuksen salissa A111. Kari Enqvist puhuu aiheesta ”Yleinen suhteellisuusteoria ja gravitaatioaallot”, Peter Johansson aiheesta ”Mustien aukkojen astrofysiikka” ja Esko Keski-Vakkuri aiheesta ”Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja LIGO”. He pitävät lyhyet esitykset, joiden jälkeen voi esittää kysymyksiä. (Enqvist ja Keski-Vakkuri olivat muuten väitöskirjani ohjaajia.) Tilaisuus on avoin, eikä siihen tarvitse ilmoittautua.
”Gravitaatioaaltojen avulla .. mahdollista luodata mustien aukkojen voimakkaita gravitaa- tiokenttiä suoraa,ja ..”. – Joten ”ikkuna” myös ”Firewall – paradoksin” ratkaisemiseksi?
Onko LIGOn kaltaisessa instrumentissa merkitystä sillä, ovatko detektorin L-putket yhtä pitkiä?
Ymmärsin, että LIGOn tapauksessa havaintojen tulkinta perustuu siihen, että saatua signaalia verrataan aiemmin laskettuihin simulaatioihin ja niistä päätellään, minkälaisesta tapahtumasta signaali on peräisin. Onko tämä yleinen tapa tulkita eri instrumenttien signaaleja astrofysiikassa ja onko LIGOlla tai muilla gravitaatioaaltoilmaisimilla mahdollista tehdä muunlaisia havaintoja, jotka eivät riipu siitä mitä tutkijat ovat keksineet tai ehtineet mallintaa?
Mika Olsson:
Ken tietää. En ole juuri seurannut firewall-keskustelua, enkä osaa sanoa, kuinka paljon (vaiko ollenkaan) havainnoilla on merkitystä sen kannalta – tai toisin päin.
Kiitos! Munkin firewall-keskustelun tasoni on
täysin! ”harrastelun” asteella. MIT :n proffan Scott Aaronsonin (useimmiten ”hilseen yli menevää”) blogia seuraan. Hänellä on muuten tän
”aamuisessa” jutussaan mielenkiintoinen näkökulma tähän fantastiseen havaintoon.
Mika:
Kokeen herkkyys kasvaa putken pituuden myötä, joten ei liene järkeä rakentaa yhtä putkea toista pidemmäksi, koska lyhyempi kuitenkin rajoittaa herkkyyttä. En tosin tunne koejärjestelyn yksityiskohtia.
Simulaatioihin vertaaminen on kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa keskeinen väline. Niitä käytetään paljon astrofysiikassakin, mutta sitä alaa tunnen huonosti. Usein riittää, että on simulaatio tilanteesta, jossa ei ole tuntematonta signaalia, jotta voidaan havaintoihin vertaamalla todeta, onko havaittu jotain uutta vaiko ei.
Gravitaatioaaltojen tapauksessa signaali on niin heikko, että sen yksityiskohtien tunteminen on tärkeää. Se ei kuitenkaan ole välttämätöntä. LIGOn pääasiallinen analyysi perustuu heidän gravitaatioaaltokirjastossaan olevaan mallin vertaamiseen, mutta he etsivät myös mitä tahansa taustasta erottuvaa signaalia. LIGO havaitsi nyt nähdyn aallon myös ilman oletusta sen tarkasta muodosta, joskin sillä tapaa tehdyn havainnon tilastollinen merkitys on hieman pienempi: todennäköisyys sille, että kyseessä on kohinaa, on silloin noin 2*10^(-6) – 5*10^(-6). Analyysissä, missä verrataan malliin, tuo todennäköisyys on 2*10^(-7).
Kip Thorne compared the energy emitting when the two black holes merge to 50 times the total power of all the stars of the universe. Siis nuo viimeiset 20 millisenkuntia.
Räsänen: Tämä on noin 50 miljoonaa miljoonaa kertaa enemmän kuin Auringon yhdessä vuodessa valona säteilemä energia.
Ovatko nämä sama asia?
Ensimmäiset epäilykset väärästä hälytyksestä ja huijausmahdollisuuksista on nostettu ilmoille.
https://www.theguardian.com/science/across-the-universe/2016/jan/12/gravitational-wave-detection-could-be-a-false-alarm
Kuinka vaikeaa olisi yksittäisen ryhmän jäsenen saada aikaiseksi ”sopiva havainto”?
Olisiko joku voinut järjestää blindin uusinnan, vaikkapa muilta ryhmän jäseniltä salaa…
http://www.ligo.org/news/blind-injection.php
Lentotaidoton:
Samaa suuruusluokkaa, jos otetaan tähden keskikirkkaudeksi Auringon kirkkaus ja ajaksi jokunen millisekunti. En tosin tiedä, kuinka lähellä tähtien keskimääräinen kirkkaus on Auringon kirkkautta.
Eusa:
Tuo juttu on ajalta ennen havainnon julkistamista. Asiaa on käsitelty linkittämässäni Quantan artikkelissa. Pidetään varmana, että kyseessä ei ole dataan injektoitu väärä signaali.
Kun jo omassa galaksissamme on tähtiä noin 500 miljardia (ja voi olla jopa 1000 miljardia ja suurimmat yli 100 kertaa tämän)? Ja galakseja on jo havaitsemassamme kosmoksessa noin 200 miljardia? OK, en lähde kinaamaan.
Lentotaidoton:
Gravitaatioaaltoina säteilty energia on noin E_g=5*10^(47) J. Auringon säteilemä energia on noin 4*10^(26) J/s.
Vuodessa on 3*10^7 sekuntia. Tämä kertaa 50*10^(12) kertaa Auringon säteilyteho on noin E_g.
Linnunradassa on noin 10^(12) tähteä, ja näkyvässä maailmankaikkeudessa on noin 10^(12) galaksia. Nämä kertaa millisekunti kertaa Auringon säteilyteho on noin E_g.
Uskallatko veikata jotain mihin tahtiin näitä havaintoja tulee jatkossa ?
Sunnuntaikosmologi:
Tekstissä sanoin, että sopivia törmäyksiä tapahtuu jotain väliltä ”kerran kahdessa vuodessa kolmeen törmäykseen päivässä”.
Se, että havainto tuli melkein heti kun LIGOn herkkyyttä oli nostettu nykyiseen tarkoittaa, että on todennäköistä, että törmäysten välinen aika ei ole tuon välin yläpäässä.
Huhujen mukaan LIGO on jo tehnyt lisää havaintoja, joita ei ole vielä kokonaan analysoitu.
Sen enempää en asiasta tiedä.
Jos käytetään tuota ”meri ei ole tyyni vertausta” ja ajatellaan aaltoja meressä. Niin ensimmäisen aallon jälkeen tulee toinen, kolmas, jne, kunnes taas tasaantuu. Eikö noita havaintoja pitäisi tulla useampia peräkkäin, kunnes tasaantuu, onko nyt havaittu vain ”yksi rengas” ? Vai riittääkö tarkkuus vain yhteen havaintoon?
Miguel:
Tarkemmin sanottuna yhdessä aallossa on monta aallonharjaa. LIGO toki useita aallonharjoja, aallon muodon voi katsastaa täältä:
https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211a
Aluksi aallon korkeus on pieni, koska mustat aukot eivät pyöri vielä toistensa ympäri tarpeeksi vinhaan. Se kasvaa aukkojen lähestyessä ja sulautuessa toisiinsa, ja laskee sitten yhdistyneen mustan aukon asettuessa aloilleen. Tämän takia LIGOlla havaitaan vain suhteellisen pieni määrä aallonharjoja.
Tiedätkö onko varmuudella suljettu häiriömahdollisuuksista pois Kaliforniassa juuri noilla hetkillä tuntunut Turkin maanjäristys, tapahtui n. 15 min. aikaisemmin?
Eusa:
Kyllä. Ks. linkki blogimerkinnän neljännessä sanassa.
Eipä ollut maanjäristyksen käsivarsien pituusmuutoksia aiheuttavia värinöitä käsitelty. Selvää olisi, kun voitaisiin osoittaa ajoitusristiriita vallinneen järistyksen suhteen. Voidaanko?
Eusa:
Ympäristötekijöitä ei ole tuossa tekstissä eritelty, mutta siinä kerrottu, että ne on tutkittu, eikä mikään niistä selitä signaalia. Yksityiskohtia löytyy sivulla linkitetyistä tieteellisistä artikkeleista.
Tässä vielä laajan data-aineiston sivusto:
https://losc.ligo.org/events/GW150914/
Selvitin itse ajoitusristiriidan; jos kyseinen maanjäristys olisi tuottanutkin sopivia värinöitä shokkiaallon yhteydessä, aikaero olisi ollut sekunteja, ei 7ms.
Toivottavasti pian kuullaan uusista gravitaatioaaltohavainnoista.
Tämä havainto siis vahvistaa useaa asiaa:
-gravitaatioaaltojen olemassaoloa
-mustien aukkojen olemassaoloa
-gravitaatioaaltojen valonnopeutta…
?
MrKAT:
Kyllä.