Mainitsin mustista aukoista kirjoittaessani, että eräs tapa selvittää niiden olemassaolo on mitata törmäyksissä syntyviä gravitaatioaaltoja. Ollessani Oxfordissa käymässä siellä piti puheen eräs yleisen suhteellisuusteorian vanhoista mestareista, Kip Thorne. Tuota luentoa ei liene vielä verkossa, mutta tässä Zürichissä pidetyssä luennossa vaikuttaa olevan paljon samaa.

Eräs Thornen merkittäviä tutkimuskohteita on gravitaatioaallot, ja hänen mielestään elämme niiden toista kulta-aikaa juuri nyt, vuodesta 2010 alkaen. Ensimmäisenä kulta-aikana 1960-luvulla muotoiltiin ymmärrys siitä, mistä gravitaatioaalloista on kyse, nykyaika taas tarjoaa mahdollisuuden seurata niitä yksityiskohtaisesti yhtäältä simulaatioissa ja toisaalta havainnoissa.

Gravitaatioaalto on gravitaatiokentässä etenevä pieni häiriö. Esimerkiksi käteni massa vetää Kuuta puoleensa. (Tai oikeammin, käsi kaareuttaa avaruutta jossa Kuu kulkee.) Kun liikutan kättäni, tieto asennon muutoksesta kulkee valonnopeudella (yhteen kirjoitettuna) eteenpäin ja saavuttaa Kuun noin sekunnin kuluttua. Tämä aika-avaruudessa matkaava häiriö on gravitaatioaalto. Gravitaatio on niin heikko vuorovaikutus, että käden heilautuksesta syntyvän signaalin havaitseminen on toivotonta. Huomattavien aaltojen synnyttämiseen tarvitaan järkyttäviä tapahtumia, sellaisia kuin mustien aukkojen törmäykset.

Mustan aukon törmätessä jopa 10% massasta voi muuttua gravitaatioaalloiksi. Hyötysuhde on valtava: ydinreaktioissakin vapautuu tyypillisesti vain suunnilleen prosentin verran energiaa. Kun törmäävien kappaleiden massa vielä on Auringon luokkaa, aika-avaruuden vääntö on hirvittävä. Mustaan aukkoon melkein törmääminen voi esimerkiksi rikkoa neutronitähden paloiksi. Kun gravitaatioaalto leviää kauas synnyinsijoiltaan, se heikkenee eikä enää kykene suistamaan kappaleita radaltaan.

Törmäyksissä syntyvien gravitaatioaaltojen laskeminen on tapahtuman väkivaltaisuuden vuoksi vaikeaa. Muutaman viime vuoden aikana on kuitenkin tapahtunut murros yleisen suhteellisuusteorian laskujen tekemisessä tietokoneella ja nyt supertietokoneilla voidaan pyörittää mustien aukkojen törmäyksiä jokseenkin rutiinilla. Kip Thorne on mukana ryhmässä, joka tekee par'aikaa tuhatta simulaatiota erilaisista törmäyksistä sen luetteloimiseksi, minkälaisia signaaleja taivaalla pitäisi olla.

Edistys laskentamenetelmissä osuu onnelliseen aikaan, koska gravitaatioaaltoja etsivien kokeiden pitäisi piakkoin saada jotain haaviinsa. Toisiaan kiertävien pulsaritähtien ratojen tarkoista mittauksista on voitu päätellä, että ne menettävät energiaa gravitaatioaaltoihin (tästä myönnettiin Nobelin palkinto 1993), mutta aaltoja ei ole koskaan suoraan havaittu. Erilaisia detektoreita on rakennettu ja käytetty vuosien varrella, mutta ne eivät ole nähneet mitään -- oletettavasti herkkyys ei ole riittänyt havainnon tekemiseen.

Tilanteen odotetaan muuttuvan pian. Vuonna 2014 aloittaa toimintansa detektori nimeltä Advanced LIGO. Kyseinen laite on paljon edeltäjiään tarkempi ja sen pitäisi nähdä mustien aukkojen välisiä törmäyksiä jotain väliltä kerran kahdessa vuodessa kolmeen törmäykseen päivässä. Epävarmuus havaintojen taajuudesta johtuu siitä, että ei oikein tiedetä kuinka paljon törmäilevia mustia aukkoja on.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo on yleisen suhteellisuusteorian yksinkertainen ennuste. Niiden tarkka muoto kuitenkin riippuu teorian yksityiskohdista, joten törmäykset toimivat gravitaation laboratoriona. Aallot kantavat törmäyksestä kirkasta muistoa, joten jos mustia aukkoja todella on olemassa, niiden avulla voi vaientaa viimeisetkin epäilykset asiasta.

Kiehtovin asia gravitaatioaalloissa on se, että ne avaavat tyystin uuden ikkunan maailmankaikkeuteen. Melkein kaikki havaintomme kosmoksesta aurinkokuntamme ulkopuolella perustuvat valon katsomiseen. Kun tähtitieteessä on siirrytty uusille aallonpituusalueille, näkyvästä valosta infrapunaan, radioaaltoihin tai röntgensäteisiin, on aina löytynyt uusia ilmiöitä. Gravitaatioaallot vievät pidemmälle: ne ovat kokonaan uusi tapa havainnoida maailmankaikkeutta. Gravitaatioaallot eivät himmene pölyn läpi mennessään tai törmäile esteisiin, vaan kulkevat aineen läpi sitä edes huomaamatta ja säilyttävät alkuperäisen muotonsa. Ne voivat tehdä näkyväksi maailmankaikkeuden salaisuuksia, jotka ovat valon ulottumattomissa. Jo nyt tiedämme, että valtaosa kosmoksen aineesta on sellaista, jota ei valolla näe. Tämän hetkisen käsityksen mukaan tuo pimeä aine ei osallistu sellaisiin toimiin, joista syntyisi merkittävästi gravitaatioaaltoja. Mutta pimeän aineen luonteesta ei ole vielä varmuutta, ja ennakkokäsityksemme näkymättömästä maailmankaikkeudesta saattavat olla väärässä.

Kommentit (0)

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto