Myöhästyneitä viestejä
Aikaa käsittelevän merkinnän kommenteissa kysyttiin siitä, miten massakeskittymät vaikuttavat valon kulkuaikaan ja valon perusteella pääteltyihin etäisyyksiin, joten kirjoitan sen tiimoilta jotain. (Olen aiemmin käsitellyt etäisyyksien mittaamista supernovien ja parallaksin avulla.)
Olen kirjoittanut siitä, miten gravitaatiolinssit taivuttavat valoa ja vääristävät niiden takana olevien kohteiden kuvia kehiksi tai kaariksi. Gravitaatiolinssejä listaavan CASTLES-tietokannan sivuilla on kuva siitä, miltä muutaman kymmenen metrin päässä oleva rakennus näyttäisi, jos välissä olisi musta aukko, jolla on sama massa kuin Saturnuksella.
Gravitaatiolinssit jakavat valonsäteitä, niin että samaan aikaan samasta paikasta lähteneet säteet matkaavat eri reittejä. Koska reitit ovat eri pituisia, valonsäteiden matka-aika on erilainen, eli osa valosta tulee myöhässä. Jos lähtevä valo on erilaista eri hetkinä, niin ero matka-ajassa voidaan mitata: eri reittejä matkanneet valonsäteet näyttävät samaa elokuvaa eri kohdista.
On varsin harvinaista, että sopivalla aikavälillä muuttuva tarpeeksi kirkas kohde sattuisi tarpeeksi massiivisen kohteen taakse niin että gravitaatiolinssin aikaviive olisi mahdollista mitata. Taivas on kuitenkin täynnä tavaraa, joten joskus käy tuuri. Toistaiseksi aikaviiveitä on mitattu luotettavasti noin kymmenestä tai kahdestakymmenestä kohteesta – lukumäärä riippuu siitä, kuinka tiukka on luotettavuuden suhteen.
Pisin mitattu aikaviive on noin kaksi vuotta ja lyhin on noin viikon. Valon matka-aika on kummassakin tapauksessa kymmenen miljardia vuotta, eli linssin aiheuttama muutos on isoimmillaan noin miljardisosan suuruinen.
Aikaviivettä voi käyttää maailmankaikkeuden tämänhetkisen laajenemisnopeuden mittaamiseen. Maailmankaikkeuden etäisyydet riippuvat siitä, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee, joten myös valon matka-aika riippuu siitä. Aikaviiveen suhde matka-aikaan puolestaan määräytyy siitä, miten massiivinen gravitaatiolinssi on ja miten sen massa on jakautunut (kirjoitin hieman tästä aiemmassa merkinnässä).
Jos linssin vääristämän kuvan muodosta pystytään päättelemään, millainen linssi on, niin voidaan laskea, kuinka suuri aikaviive on suhteessa matka-aikaan. Kun lisäksi mitataan viive, voidaan päätellä matka-aika ja siten linssin etäisyys ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. (Tässä selityksessä on yksinkertaistettu aika paljon. Itse asiassa päättelyssä tarvitaan muutakin tietoa etäisyyksistä, mutta ei mennä siihen.)
Toistaiseksi tulosten tarkkuus on jättänyt toivomisen varaa. Suurin ongelma on se, että aikaviive riippuu voimakkaasti linssien rakenteesta, ja linssien yksityiskohdista on melko paljon epävarmuutta.
Vuonna 2020 taivaalle nousevan Euclid-satelliitin odotetaan mittaavan noin satatuhatta voimakasta gravitaatiolinssiä. Euclidin lisäksi linssejä pitää mitata tarkasti Maan päältä käsin teleskoopeilla kaiken tarvittavan datan saamiseksi, mutta joka tapauksessa linssien suuren määrän odotetaan parantavan niiden avulla tehtävien mittausten tarkkuutta merkittävästi.
Gravitaatiolinssien tapauksessa valonsäteiden reiteissä on vain pieni ero. Entäpä jos tarkastellaan valonsäteitä, jotka ovat kulkeneet täysin eri reittejä, esimerkiksi sellaisia, jotka tulevat taivaan vastakkaisilta puolilta? Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkee, että maailmankaikkeus on hyvin samanlainen eri suunnissa, kunhan katsoo kosmologisille etäisyyksille satojen miljoonien valovuosien päähän. Niinpä ei ole suurta väliä, mistä suunnasta tulevaa valoa katselee. Ei ole ihan selvää, kuinka suuria pienet erot eri suuntien välillä ovat (eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni itse asiassa liittyy tähän), mutta luultavasti ne ovat korkeintaan prosentin luokkaa, jos sitäkään.
Yksi kommentti “Myöhästyneitä viestejä”