Toisen kauden kuviot
Gravitaatioaaltoja tutkivat koeryhmät LIGO ja Virgo julkistivat uudet tuloksensa maanantaina. LIGOn ensimmäinen havaintokausi vuonna 2015 kesti neljä kuukautta, toinen alkoi marraskuussa 2016 ja loppui elokuussa 2017 (Virgo liittyi mukaan toisen kauden loppupuolella). Siitä pitäen laitteet ovat olleet huollettavana ja päivitettävänä.
LIGO sai gravitaatioaallon haaviin heti käynnistyttyään, ja ensimmäisen kauden aikana koe näki yhteensä kolme mustien aukkojen törmäyksessä syntynyttä aaltoa. LIGOn keskeiset toimijat Rainer Weiss, Barry C. Barish ja Kip S. Thorne palkittiin saavutuksesta viime vuonna fysiikan Nobelilla.
Toisella kaudella mustien aukkojen törmäyksissä syntyneiden gravitaatioaaltojen havaitsemisesta tuli rutiinia, niin hämmästyttävältä kuin se yhä kuulostaakin. Suurin löytö oli kahden neutronitähden törmäys, joka nähtiin gravitaatioaaltojen lisäksi gammasäteillä, röntgensäteillä ja radioaalloilla. Toiselta kaudelta jäi käteen seitsemän gravitaatioaaltoa, eli niitä näkyy suunnilleen kerran kuukaudessa –toisen kauden aalloista viisi tosin sattui saapumaan elokuussa 2017. Nyt julkistetussa analyysissä on käyty tarkemmin läpi myös ensimmäisen kauden data, ja yksi aiemmin epävarma tapaus on nostettu havainnoksi.
Uusien tapausten joukossa on raskain ja kaukaisin nähty mustien aukkojen törmäys: kolmesta viiteen miljardia vuotta sitten, ehkä ennen Auringon syntymää, yksi 30 ja toinen 50 kertaa nyky-Aurinkoa raskaampi musta aukko sulautuivat yhteen paikassa, joka on nykyään 4-8 miljardin valovuoden päässä meistä. (Etäisyys on pidempi kuin valon nopeus kertaa aika, koska maailmankaikkeus laajenee.)
Tämä oli yksi toisen kauden neljästä uudesta havainnosta, jotka julkistettiin nyt kaikki kerralla, siinä missä aiemmat havainnot on ilmoitettu yksitellen. Nyt siirrytään hiljalleen yksittäisten musta aukko -parien syynäämisestä niiden väestön tutkimiseen.
Usean systeemin tarkastelu mahdollistaa tarkemmat testit muun muassa siitä, kuinka paljon mustien aukkojen ja neutronitähtien vahva gravitaatiokenttä eroaa yleisen suhteellisuusteorian ennustuksista – tai saada rajoja sille, miten pieniä mahdollisten poikkeamien täytyy olla, että niitä ei olisi havaittu.
Yksittäisen systeemin havainnoista pitää päätellä sekä systeemin ominaisuudet (esimerkiksi se, missä kulmassa se sattui olemaan meihin nähden) että gravitaatioteorian piirteet. Jos yleistä suhteellisuusteoriaa vaikkapa muuttaa siten, että mustien aukkojen pyörteessä syntyy vahvempia aaltoja, tämän voi piilottaa sillä, että parin kiertotaso on lähempänä katseemme suuntaa, jolloin aallon meitä kohti tuleva osa on heikompi. Kun analysoidaan useita aaltoja samaan aikaan, päästään eroon yksittäisten tapausten mahdollisista sattumista.
Mustien aukkojen väestöstä voi myös päätellä sen, millaisissa olosuhteissa ne muodostuvat ja kehittyvät. Esimerkiksi mustien aukkojen oma pyörimisnopeus ja pyörimissuunnan suhde aukon kiertotasoon kertoo siitä, kehittyivätkö aukot erillään muusta aineesta vai tiukassa vuorovaikutuksessa sen kanssa, ja olivatko ne aiempien mustien aukkojen sulautumisen tulos vai ensi kertaa asialla.
Tämä auttaisi selvittämään sitäkin, ovatko nämä mustat aukot sittenkään syntyneet tähtien romahtaessa, vai ovatko ne muinaista perua ja muodostavat pimeän aineen, kuten jotkut esittävät. Jos näin on, mustien aukkojen ei pitäisi juuri pyöriä, koska ne ovat syntyneet varhaisina aikoina isoista alueista, joiden kokonaispyöriminen on mitättömän pieni. Toistaiseksi havaittujen aukkojen pyöriminen tosiaan on keskimäärin pieni, mutta tämä voi johtua myös tähdistä syntyneiden aukkojen historiasta. Nykyinen 10 aukkoparin otos on liian pieni vaihtoehtojen erottelemiseen. Jos nähtäisiin mustia aukkoja, joiden massa on alle kaksi Auringon massaa, ne olisivat varmasti muinaisia, koska niin kevyet kappaleet eivät voi romahtaa mustiksi aukoiksi, vaan jäävät korkeintaan neutronitähdiksi.
LIGOn ja Virgon taival jatkuu kolmannen kauden merkeissä vuoden 2019 keväällä, ja vuoden loppupuolella mukaan liittynee japanilainen KAGRA. Uuden analyysin mukaan Auringon massan suuruusluokkaa olevien mustien aukkojen törmäyksiä tapahtuu lähimmän 35 miljardin kuutiovalovuoden sisällä noin 10-100 kertaa vuodessa, neutronitähtien noin 100-4 000 kertaa vuodessa. LIGO, Virgo, KAGRA, ja muut toisen sukupolven gravitaatioaaltolaitteet näkevät ensi vuosina satoja mustien aukkojen ja tusinoittain neutronitähtien törmäyksistä syntyneitä aaltoja. Laitteiden herkkyys paranee joka kaudella, ja ne saattavat myös havaita jotain uudenlaista: supernovia, millimetrin korkuisia vuoria neutronitähtien pinnalla, tai jotain aivan odottamatonta.
Sattumoisin samana päivänä kun LIGO ja Virgo ilmoittivat toisen kauden tuloksistaan, kokeellisen hiukkasfysiikan lippulaiva LHC kertoi juuri lopettaneensa toisen havaintokauden. Ensimmäisellä kaudella LHC sai kiinni pitkään havaintoa välttäneen Higgsin hiukkasen, mistä myönnettiin vuonna 2013 Nobelin palkinto – hieman nurinkurisesti massojen mekanismin kehittäneille François Englertille ja Peter Higgsille, ei LHC:n väelle.
Toinen kausi oli teknologian puolesta menestys: kiihdytin toimi aiempaa korkeammalla energialla ja keräsi viisi kertaa enemmän dataa kuin ensimmäisellä kaudella.
Mutta vaikka LHC löysi uusia kvarkeista kasaantuneita hiukkasia, kuten pentakvarkin (mikä motivoi miettimään uudelleen sitä, että pimeä aine olisi heksakvarkkeja), odotukset olivat korkeammalla. LHC:n käynnistyessä monet ajattelivat, että se pian paljastaa uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, auttaa näkemään syvemmälle todellisuuden rakenteeseen. Toivelistan kärjessä oli supersymmetria, jäljessä tekniväri, ylimääräiset ulottuvuudet ja muut kummajaiset. Toisen kauden data-analyysejä ilmestynee keväällä ja kesällä, mutta on epätodennäköistä, että niissä on mitään löytöjä. LHC:n protoni-protoni-törmäykset, ja raskaampien ytimien törmäykset, ovat sotkuisia, ja signaali erottuu kohinan seasta vain hitaasti. Koska toistaiseksi ei ole näkynyt merkkiäkään uudesta fysiikasta, kasassa oleva data jota ei ole vielä ehditty käydä läpi tuskin riittää löytöön, korkeintaan vihjeeseen.
LHC aloittaa kolmannen kauden keväällä 2021. Törmäysenergia nostetaan viimein alkuperäiseen tavoitteeseen, törmäysten tahtia kohotetaan ja laitetta parannellaan kaikin tavoin. Mutta jatkoa ei odoteta toiveikkaana. Monet hiukkasfyysikot pelkäävät, että juonenkaari on samanlainen kuin toisella kaudella, eikä tarjolla ole mitään uutta tai yllättävää. Aika näyttää.
Terminologia-asia: Populaatio-sana käännetään ihmisistä puhuttaessa väestöksi ja biologiassa kannaksi, esimerkiksi karhukanta. Tuntuisi luonnolliselta jättää se fysiikassa joko kääntämättä (mustien aukkojen populaatio) tai käyttää kanta-sanaa (musta-aukkokanta).
Tuolta linkeistäsi koskien LHC/top-kvarkki:
https://home.cern/news/press-release/cern/higgs-boson-reveals-its-affinity-top-quark
New results from the ATLAS and CMS experiments at the LHC reveal how strongly the Higgs boson interacts with the heaviest known elementary particle, the top quark, corroborating our understanding of the Higgs and setting constraints on new physics.
Joskus aiemmin (en löytänyt koska) oli puhetta siitä, kuinka top-kvarkin tarkka massa (eli tarkka kytkeytyminen Higgsin kenttään) liittyy muihin perustavanlaatuisiin kosmologian hiukkaskysymyksiin (väärä tyhjö ja Standarditeorian ylittävä fysiikka?). Nämä LHC:n tulokset eivät liene tuoneet mitään uutta asiaan?
Topin ja Higgsin massan suhteen LHC on tosiaan antanut mielenkiintoista tietoa, kuten täällä kirjoitin:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vakauden-ja-tuhon-rajalla/
Tällä hetkellä on projekti (missä Helsingin yliopiston fysiikan laitokseltakin ollaan mukana) selvittää topin massa entistä tarkemmin, ja toisen kauden data on tässä tärkeää.
Tyhjön kohtalo ja Standardimallin pätevyysalueen raja riippuvat hyvin herkästi Higgsin ja topin massasta. Tällä hetkellä virherajojen puitteissa tyhjö voi olla stabiili tai olla olematta, ja Standardimallin pätevyysalue saattaa ulottua aina Planckin skaalaan asti.
Mikä gravitaatioaalloissa siirtyy valon nopeudella,avaruuden kaarevuusko vai gravitoniryppäät.Massaa kun siinä 14.9.2015 maan saavuttaneessa, rysäyksessäkin sentään irtosi n.3men maanmassan verran. Miten irronnneet alkuaineet nämä aallot liikkeeseen sysäävät?
Gravitaatioalloista, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/meri-ei-ole-tyyni/
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/nakymattomia_kuvia_vakivallasta
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/valolla_aaltojen_kuuntelemista
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maljan_jaljilla
Luin ne artikkelisi.Voisiko gravitaatioaaltoilu olla,sekä pitkittäis-,että poikittaissuuntaista aaltoliikettä,jolloin se muodostaisi spin-2-kentän (eli sillä olisi vapausasteet:-2,-1, 0,1,ja2).Näin se kuvaisi sekä venyttämistä että kutistumistamista, siinä yhä ”löytämättömät” gravitonit näyttäisivät samoilta 180-asteen välein?
Gravitaatioaalloilla on spin 2. Niillä on kuitenkin yleisessä suhteellisuusteoriassa vain kaksi vapausastetta. Gravitaatioaaltojen avulla on etsitty useampia mahdollisia polarisaatiovapausasteita, ja toisen kauden havainnot antavat entistä tarkemman rajan sille, miten pieni niiden osuus aallosta pitää olla, jotta niitä ei olisi nähty.
Hieman lisää täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/veikkauksia-piparmintun-tiimoilta/
Jo ensimmäisen gravitaatioaaltohavainnon datasta löysin kaikumuotoja. Myös jokainen tutkimusryhmä, joka niitä on hakenut, on melusta sellaisia erottanut 2…4,2 sigman luotettavuudella.
https://arxiv.org/pdf/1811.07431
Uusin tutkimus aiheesta perustuu ennaltamääräämättömään odotuskuvioon, mutta kuitenkin havaittuun signaaliin sitoen ehdottaen, että yli 5 sigman todennus kaiuista saadaan ja että kaiut ovat yhteensopivia mieluummin tapahtumahorisontittomien kohteiden kuin mustien aukkojen kanssa.
Ehkä toisella kaudella eräs päätutkintalinja olisi falsifioida musta aukko tai gravitaatiosignaalien yhdistymistapahtuman jälkeiset kaiut…?
Törmäävien kohteiden rakenteesta kertovat kaiut ovat tosiaan yksi tutkimuskohde. Sellaisia ei toistaiseksi ole löytynyt.
Tarkennettakoon tutkimuksen kuvioseulonnasta: kuviota (template) käytettiin, mutta ei mustan aukon odotusarvoin vaan bayesiläistä tilastotiedettä hyödyntävän data-analyysin kertyvällä interferoinnilla muodostettua kuviointia (mikäli ymmärsin kertalukemalla oikein). Menetelmän haaste on vähäisessä datassa yhdestä tapahtumasta ja luotettavuus parantuu toisaalta samankaltaisten tapahtumien lisääntyessä toisaalta useampien havaintolaitteiden tallentaessa dataa samasta tapahtumasta.
Räsänen: ”Tällä hetkellä on projekti (missä Helsingin yliopiston fysiikan laitokseltakin ollaan mukana) selvittää topin massa entistä tarkemmin, ja toisen kauden data on tässä tärkeää”.
OK kiitos vastauksesta.Eli onko muitakin tutkimusprojekteja kuin LHC data meneillään vai seulotaanko tässä(kin) vain LHC valtavaa (vanhaa) dataa. Eli mitä on tämä ” toisen kauden data” vastauksessasi?
Viittaan toisen kauden LHC-dataan.
LHC-kiihdyttimen parissa työskentelee seitsemän isoa tutkimusryhmää, joista jokaisessa on lukuisia eri tutkimusprojekteja.
Millä tavalla gravitaatioaaltohavainnoista pystytään päättelemään aaltoja lähettäneen kohteen tyyppi, vai vaatiiko se aina myös muita havaintoja ko. tapahtumasta? Viitaten tähän ”Jos nähtäisiin mustia aukkoja, joiden massa on alle kaksi Auringon massaa”, eli mistä tiedetään kyseessä olevan nimenomaan musta aukko?
Lähteiden rakenne vaikuttaa aaltojen muotoon, eli siihen, miten niiden korkeus ja taajuus muuttuu ajan myötä.
Esimerkiksi neutronitähdet venyvät viimeisillä kierroksilla enemmän kuin mustat aukot. Toisaalta isommat kappaleet törmäävät isommalla etäisyydellä kuin mustat aukot. Yhteensulautuneiden kohteiden muodostaman kappaleen värähtely on myös erilainen riippuen siitä, onko kyseessä musta aukko vai jokin muu kohde.
Toistaiseksi rajat mahdollisille poikkeamille mustien aukkojen käytöksestä ovat melko heikkoja, paitsi neutronitähtiparin tapauksessa.
Poikkeamien esiintyvyyttä ei luonnollisestikaan lisää se, että suodattimet on simuloitu enimmäkseen juuri mustien aukkojen perusteella. eLISA tuonee tunnistettavuuteen tasavertaisuutta kaikenlaisten gravitaatioaaltotapausten tallentamiseen ja niitä lieneekin sitten päivittäin useita…
Jos LHC on ehkä toistaiseksi alittanut ennakko-odotukset, gravitaatioaaltohavainnot tuntuvat ylittävän ne (subjektiivinen käsitys). Ensimmäinen havainto ei jäänyt irralliseksi, vaan nyt on jo pieni tilasto.
Olenko ymmärtänyt seuraavan oikein? Gravitaatioaaltomittaus ei mittaa aallon energiavuota, vaan metriikan variaation amplitudia suoraan. Energiavuo vaimenee kuten 1/r^2 ja amplitudi kuten 1/r. Siksi tapahtumien määrä kasvaa nopeasti kun mittarin raja-amplitudia pienennetään. Tapahtumien määrä per aikayksikkö kasvaa herkkyyden kolmanteen potenssiin.
Kyllä, juuri noin.
Sori, palaan vielä tuohon top/Higgs massoihin. Mistään en ole löytänyt selvitystä MIKSI Standardimallin pätevyysalue (ja tyhjön kohtalo) riippuu herkästi näiden massojen tarkasta arvosta. Eli MITÄ LHC tarkkaan on kertonut: ” Se onkin ainoa uusi maailmankaikkeutta kuvaava luku, jonka LHC on meille kertonut.” Tiedämme että kenttä antaa topille massan, mutta itse Higgsille kenttä ei anna massaa (ainakaan kaikkea). Ja lisäksi, yleensähän hiukkasten massojen suuruuksilla (niinkuin ei millään noin 20:llä perusparametrillä) ei ole mitään selitystä/mekanismia, ne ovat vain mittaustuloksia (joista hiukkasten massoista sitten lasketaan itse Higgsin kentän arvo). Vai onko tämä liian pitkä stoori tässä kuvattavaksi?
LHC on kertonut Higgsin massan.
Mainitsemasi Standardimallin vapaat parametrit määräävät, miten kentät käyttäytyvät sillä energialla, millä niitä on mitattu, eli nykyisten kiihdyttimien energialla. Kvanttikorjausten takia niiden vuorovaikutukset ovat erilaisia eri energioilla. Higgsin massa ja topin massa vaikuttavat kvanttikorjausten kautta siihen, miten voimakkaasti Higgs vuorovaikuttaa itsensä kanssa.
Top-kvarkki heikentää Higgsin itseisvuorovaikutusta. Se voi heikentää sitä niin paljon, että vuorovaikutus muuttuu attraktiivisesta repulsiiviseksi korkeilla energioilla. Jos näin käy, Standardimallin vakuumi ei ole stabiili. Top-kvarkin ja Higgsin vuorovaikutuksen voimakkuus on verrannollinen topin massaan.
Hiukkaskiihdyttimiähän on ollut jo vuosikymmeniä (1930 luvulta lähtien). Kuinka paljon/vähän nämä 20 parametriä ovat muuttuneet kiihdyttimien historiassa kun kirjoitat: ”Kvanttikorjausten takia niiden vuorovaikutukset ovat erilaisia eri energioilla”. Tietysti sekä top että Higgs ovat vasta viimeaikojen kiihdyttimien löytöjä (Tevatron ja LHC), mutta tarkoittaako lauseesi sitä, että nykyistenkin kiihdyttimien energia on naurettavan pieni teoreettiseen kattoon eli Planckin energiaan verrattuna. Ja että välissä on valtava tuntematon erämaa, joka voi periaatteessa tuottaa rajusti erilaista fysiikkaa (ja lisää niitä kvanttikorjauksia). Ja parametrit muuttua sen mukaisesti.
Eli voimmeko joskus kaukaisessa tulevaisuudessa kokeellisesti tietää elämmekö mahdollisesti väärässä tyhjössä?
Standardimallin parametrit, kuten hiukkasten massat ja vuorovaikutusten voimakkuudet, riippuvat energiasta. Niiden arvo yhdellä energiaskaalalla on mielivaltainen, mutta kun se on mitattu, teoria määrää sen arvon muilla skaaloilla.
Parametrit muuttuvat kuitenkin hitaasti energian funktiona. (Poikkeuksena vahvan vuorovaikutuksen voimakkuus, joka muuttuu voimakkaasti noin 100 MeV:n kohdalla.) Esimerkiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus muuttuu nollaenergian rajalta sähköheikolle energialle vain arvosta 1/137 arvoon 1/128.
Jos on uutta fysiikkaa, niin se toki myös vaikuttaa parametrien muutokseen. Niinpä esimerkiksi kysymykseen siitä, onko nykyinen tyhjö satabiili, ei voi vastata ellei tiedetä mitä kaikkea korkeilla energioilla on.
Kääntäen, jos tyhjö olisi liian epästabiili, tätä voisi periaatteessa käyttää osoittamaan että tarvitaan uutta fysiikkaa. Standardimallin kohdalla tämä ei toimi nykytyhjölle, koska tyhjön elinikä on joka tapauksessa paljon isompi kuin maailmankaikkeuden elinikä. Inflaation aikana tosin voidaan saada mielenkiintoisia rajoja, koska kenttä ei saa eksyä väärään tyhjään inflaation aikana eikä lopussa.
Tosiaan näyttää ”elävän” tuo topin massa:
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CombinedSummaryPlots/TOP/mtopSummary_TopLHC/mtopSummary_TopLHC_201809.png
Tällä hetkellä suurin virhelähde ei ole mittaustarkkuus, vaan vaikeudet mitatun arvon yhdistämisessä teoreettisissa laskuissa käytettyyn topin massaan, ne kun ovat eri suureita, joiden suhde on hyvin monimutkainen.
Vähän off-topic. Olisi mielenkiintoista kuulla Syksyn mielipide Farnesin yrityksestä selittää pimeä aine ja energia negatiivisen massan hiukkasilla, joita syntyy hitaasti lisää, https://arxiv.org/pdf/1712.07962.pdf . Ajatus näyttää toimivan ainakin jossain määrin koska simulaatio niin näyttää, mutta esimerkiksi sitä en osaa sanoa pystyisikö se selittämään rakenteiden synnyn yhtä hyvin kuin lambda-CDM.
Tuo artikkeli ei mielestäni ole mielenkiintoinen eikä varteenotettava.
Tuostahan on Sabine Hossenfelderin Backreaction -blogissa melko tuore kirjoitus ja vilkas keskustelu kommenteissa.
Sabine on Syksyn kanssa ilmeisen samaa mieltä, mutta olisi kiva jos Syksy pystyisit jonkinlaisen pienen yhteenvedon suomeksi tekemään aiheesta (negatiivinen massa) yleisemmin.
Kyseinen malli on teoreettisesti vailla motivaatiota ja räikeässä ristiriidassa havaintojen kanssa, joten en pidä järkevänä käyttää sen avaamiseen aikaa.
Mihin räikeään ristiriitaan viittaat? Hossenfelderin blogista asia ei tunnu selviävän, siellä viimeinen Sabinen kommentti on ”In summary, there’s a priori no obvious contradiction between Farnes’ idea and existing measurements.”
Maailmankaikkeuden laajeneminen ja siksi myös etäisyydet ovat täysin pielessä.
Ei tästä sen enempää.
Onko olemassa sellaista borderline-crackpottery-spekulaatiota, että törmäyksissä syntyneet hiukkaset voivat muuttua välittömästi energiaksi, joka ilmenee aika-avaruuden aaltoliikkeenä? Tällöin voisi olla sellaisia hiukkasia, joita ovat ehkä pysyvästi näkymättömiä.
Aika-avaruuden aaltoliike tunnetaan myös nimellä gravitaatioaallot. Hiukkastörmäyksissä toki syntyy gravitaatioaaltoja, mutta gravitaatio on niin heikko vuorovaikutus, että niiden osuus törmäysenergiasta on mitättömän pieni.
Kirjoitatko mieluummin aika-avaruus kuin avaruusaika siksi, että aikakoordinaatti tavataan esittää ennen avaruuskoordinaatteja? Englanninkielessä yleisempi ilmaus on spacetime kuin time-space…
Aika-avaruus kuulostaa suomeksi sujuvammalta.
Tuosta LIGO’sta tuli mieleen gravitaatioaaltojen kvalitatiivisia ominaisuuksia koskeva kysymys. Fysikaalisen aaltoliikkeen yleinen ominaisuus on se, että nopeuden muuttuessa tapahtuu liikkeen heijastumista, joten onko mahdollista, että myös gravitaatioaallot voivat heijastua, kun aaltoliike etenee esim. alueeseen, jossa on suurempi energiatiheys?
Gravitaatioaallot liikkuvat valon nopeudella riippumatta siitä, kulkevatko ne aineen läpi.
Jos SMG-kenttä heijastuu esim.vedestä ja aineaalto potentiaalista, niin luulisi kai jonkun yrittävän modifioida gravitaatioteoriaa sellaiseksi, että myös aika-avaruuden allot kokevat heijastumista?
Tosin silloin teorian pitäisi varmaankin perustua Huygenin periaatteeseen ja aaltoliikkeen intensiteettiin.
Gravitaatioteorioiden muokkaaminen pohjaa teorioiden rakenteeseen tai selitettäviin koetuloksiin, ei pyrkimykseen saada gravitaatioaallot heijastumaan.
Tämä riittäköön tästä.