Gravitaatioaallot valaisevat Newtonin 1600-luvulta periytyvän klassisen gravitaatioteorian ja yleisen suhteellisuusteorian eroja ja havainnollistavat avaruuden kaarevuutta.

Newtonin teoriassa massat kohdistavat toisiinsa voiman, joka saattaa ne kiihtyvään liikkeeseen. Jos kappaleisiin ei kohdistu gravitaatiota (tai muita voimia), ne liikkuvat tasaisesti suoraan eteenpäin. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiossa on kyse aika-avaruuden kaarevuudesta. Kappaleet kulkevat rauhallisen suoraviivaisesti vaikka gravitaatio olisi kuinka voimakas, mutta sen sijaan aika-avaruus, johon viiva on piirretty, on kaartunut. Asiaa voi havainnollistaa ajattelemalla, että liikutaan pitkin ruutupaperin viivoja, mutta paperia voi venyttää ja vääntää. Yleisesti ottaen kaareva pinta voi olla hyvin monimutkainen, mutta silloin kun gravitaatio on heikko, vihossa on vain pieniä ryppyjä ja kappaleiden radat ovat melkein samoja kuin ilman gravitaatiota. Tällöin voi olla mielekästä ajatella aika-avaruus tasaiseksi ja sanoa, että gravitaatio sen sijaan kaareuttaa ratoja.

Esimerkiksi Auringon gravitaatiokenttä on varsin heikko, joten Maapallon rata poikkeaa vain vähän siitä mitä se olisi tyhjässä avaruudessa. Voi tuntua kummalta sanoa, että Maa matkaisi melkein samalla tavalla kuin ilman Aurinkoa, onhan ympyrärata kovin erilainen kuin suora viiva! Pitää kuitenkin ajatella reittiä aika-avaruudessa, ei avaruudessa: Maapallo ei vain kierrä ympyrärataa, se myös kulkee eteenpäin ajassa. Maan rata on ylöspäin nouseva kierre: siinä vaiheessa kun Maa on palannut samaan avaruuden pisteeseen, se on liikkunut vuoden ylöspäin aikaa. Maapallon etäisyys Auringosta on kahdeksan valominuuttia, vuodessa minuutteja taasen on puoli miljoonaa. Jos Maan radan säde olisi 80 cm, yhden kierroksen korkeus olisi 50 kilometriä: viiva on lähes suora.

Aika-avaruuden kaarevuudessa ei ole kyse vain erilaisesta tulkinnasta, vaan se antaa Newtonin teorian painovoimasta poikkeavia ennusteita. Muutokset Aurinkokunnassa ovat pieniä mutta mitattavia, mustien aukkojen törmäysten kohdalla valtavia (mutta kovin kaukana meistä). Gravitaation kuvaus aika-avaruuden kaarevuutena ennustaa myös kokonaan uusia ilmiöitä, kuten gravitaatioaallot.

Newtonin teoriassa gravitaatiokenttä kertoo, miten massat vetävät toisiaan puoleensa ja kun massat liikkuvat, kenttä muuttuu kaikkialla viipeettä vastaamaan uutta tilannetta. Kun kurkotan käsilläni kohti Kuuta ja lasken ne takaisin, niin Newtonin teoriassa Kuu tulee heti hiukan lähemmäs ja palaa sitten paikalleen.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa on toisin. Ensinnäkin tieto muutoksesta kulkee valonnopeudella, joten muutos Kuussa tapahtuu vasta sekunnin päästä vilkutuksestani. Toisekseen aaltojen vaikutus on pelkkää vetovoimaa monimutkaisempi. Avaruuden kaarevuuden muutoksen voi ymmärtää mitattujen etäisyyksien muuttumisena. Kulkiessaan ohi gravitaatioaalto tiivistää etäisyyksiä yhdessä suunnassa ja venyttää niitä toiseen suuntaan, molemmat kohtisuoraan kulkusuuntaa vastaan. Ilmiön kunnollinen ymmärtäminen edellyttäisi tarkempaa selitystä suhteellisuusteoriasta: klassisen fysiikan pohjalta odottaisi ehkä pituuksien muuttuvan menosuuntaan.

Gravitaatioaaltojen havaitseminen perustuu siihen, että ne muuttavat eri suuntien etäisyyksiä eri tavoin. Vuonna 2014 aloittava Advanced LIGO mittaa tätä efektiä samalla idealla kuin edeltäjänsä LIGO ja Virgo. Rakennetaan kaksi yhtä pitkää tyhjää käytävää joiden päässä on peili. Ammutaan molemmissa käytävissä valonsäde peiliin ja verrataan matka-aikoja. Jos avaruus on tasainen --tai kaartunut samalla tavalla molemmissa käytävissä-- niin matka-aika on sama. Jos avaruus on kaartunut eri tavalla eri suunnissa, niin matka-ajat ovet erilaiset.

Tämän yksinkertaisen periaatteen toteuttaminen on hyvin vaikeaa, koska gravitaatioaallot ovat kovin heikkoja. Kahden keskikokoisen mustan aukon törmäys odotetulla etäisyydellä meistä muuttaa etäisyyksiä Maapallolla tekijällä 10^(-21). LIGOn peilien etäisyys on 4 kilometriä, eli käytävän pituus muuttuu noin 10^(-18) m. Tämä etäisyys on sata miljoonaa kertaa pienempi kuin niiden atomien koko, joista peilit on rakennettu ja tuhat kertaa pienempi kuin protonin koko. Niin uskomattomalta kuin se tuntuukin, näin pieniä muutoksia matka-ajassa pystytään mittaamaan. On tietysti vaikka kuinka paljon häiriöitä jotka ovat huomattavasti isompia, joten on tärkeää, että signaalien tarkka taajuus ja muoto tiedetään tietokonesimulaatioista, jotta ne voidaan eristää kohinasta.

Kun signaali on heikko ja häiriöitä paljon, on hyvä olla riippumaton varmennus. Gravitaatioaaltokokeissa pyritäänkin siihen, että on useampi kuin yksi detektori eri puolilla Maapalloa. Jos molempien ryhmien data-analyysi antaa tulokseksi samaan suuntaan menevän samanlaisen aallon oikealla viipeellä (gravitaatioaallolla kestää 0.04 sekuntia kulkea Maan läpi), voidaan olla varmoja siitä, että kyseessä on todellinen havainto, eikä paikallisista häiriöistä johtuva virhetulkinta.

Kokeiden herkkyyttä rajoittaa Maassa muiden häiriöiden lisäksi se, että pallomme kaarevuuden takia on vaikea rakentaa kovin pitkiä suoria käytäviä. Advanced LIGOsta seuraavan sukupolven laitteeksi on kaavailtu Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-nimistä gravitaatio-observatoriota. LISA koostuisi kolmesta satelliitista Aurinkoa kiertävällä radalla, toisistaan viiden miljoonan kilometrin etäisyydellä. Satellitit pitäisivät tarkkaa lukua etäisyyksistään lähettämällä valoa toisilleen. LISAn tarkkuus olisi valtavan paljon maanpäällisia detektoreita suurempi ja se kuulisi gravitaatioaaltoja jokseenkin kaikkialta näkyvästä maailmankaikkeudesta. Tekninen toteutus olisi kuitenkin erittäin vaativa. NASA vetäytyi huhtikuussa hankkeesta budjettisyistä ja ESAssa mietitään nyt mitä tehtäisiin. Teknologiaa testaava LISA Pathfinder -satelliitti laukaistaan näillä näkymin 2013-2014 ja sen jälkeen nähdään miten LISAlle käy.

LISA on tulevaisuuden haave ja 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.

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