Gravitaatioaallot ovat kosmologille niin isoja kaloja, että niitä kannattaa pyytää vaikkei saisikaan, hehkuttaa alan guru.


Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen



Gravitaatioaallot ovat kosmologille niin isoja kaloja,
että niitä kannattaa pyytää vaikkei saisikaan, hehkuttaa alan guru.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2004

Ligo-laitteisto on vihdoin valmis tositoimiin, joten tutkijoilla on nyt ensimmäistä kertaa mahdollisuus havaita gravitaatioaaltoja. Ne ovat Einsteinin ennustamaa avaruuden värinää, joka sisältää niin uudenlaista tietoa universumista, että käsityksemme maailmasta saattaa mullistua.

Kosmologeille painovoima-aaltojen tutkiminen on yhtä iso asia kuin ihmisen perimän lukeminen biologeille ja lääketieteilijöille. Elämme siis taas yhden tieteellisen vallankumouksen aattoa.

- Ligo saa minut hehkumaan onnesta, tunnustaa Kip Thorne, tiedeviikon nimekkäimpiin kuuluva luennoitsija, parituhatpäiselle yleisölle.

Minulla on hyvä paikka, sillä tulin saliin kolme varttia ennen esitelmää. Tarttuvan hyväntuulinen Thorne on tyylikkäästi harmaantunut herra, jonka hyvin leikattu puku ja ryhdikäs hoikkuus tuovat mieleen eläkkeelle jääneen upseerin.

Toisaalta muistan 1960- ja 1970-luvulta valokuvia, joissa hippiasuinen Thorne poseeraa yhdysvaltalaisten ja neuvostoliittolaisten huipputiedemiesten kanssa. Hippi on nyt 64-vuotias maailmankuulu tähtitieteilijä.

Thorne on yksi Ligo-hankkeen kolmesta alullepanijasta, ja hän iloitsee siksi, että lähes 30 vuotta tekeillä ollut laitteisto saatiin tammikuussa vihdoin niin herkäksi kuin se haluttiin.

Sitten seuraa yllätys. Thorne jatkaa tyytyväisenä: - Nyt meillä on mahdollisuus nähdä gravitaatioaalto, mutta havainto ei ole kovin todennäköinen.

Kaiken tämän panostuksen jälkeen? Ja Thorne vain hymyilee.




Avaruus keinuu

• Kun tähden kokoinen musta aukko tai neutronitähti liukuu jättiläismäiseen mus-taan aukkoon.

• Kun kaksi jättiläismäistä mustaa aukkoa tanssii toistensa ympäri.

• Kun neutronitähdistä tai tähtien kokoi-sista mustista aukoista muodostuneessa kaksoisjärjestelmässä kumppanukset liu-kuvat toistensa syleilyyn.

• Sen vaikutuksesta, että avaruus alku-räjähdyksen jälkeen äkillisesti laajeni.

Kukin näistä tapahtumista tuottaa gravi-taatioaaltoja omalla tavallaan. Kunhan aaltoja havaitaan, vielä eksoottisem-pienkin ilmiöiden olemassaoloa päästään testaamaan.


Vetovoima pistää avaruuden vellomaan

Kukaan ei varsinaisesti epäile painovoima-aaltojen olemassaoloa, vaikka ne onkin havaittu vain epäsuorasti. Voimakkaimpia gravitaatioaaltoja syntyy siellä, missä hurjat vetovoimat myllertävät. Esimerkiksi toistensa ympäri kieppuvat mustat aukot saavat ympäröivän aika-avaruuden vellomaan samaan tapaan kuin lampeen viskattu kivi veden.

Miksi gravitaatioaaltoja sitten pidetään niin kiinnostavina?

Edellisen kerran universumin kuva muuttui täydellisesti, kun avaruutta haravoitiin 1950-1970-luvulla radio- ja röntgenkaukoputkin. Aiemmilla, pääasiassa optisilla kaukoputkilla oli nähty vakaan rauhallinen universumi, mutta nyt havaittiin galaksien keskustojen, kaksoistähtien ja jopa nuorten tähtien räiskähtely. Rauhallisen seesteinen universumi muuttui hurjien tapahtumien näyttämöksi.

Valo sekä radio- ja röntgensäteily ovat kuitenkin kaikki samaa sähkömagneettista säteilyä. Sen sijaan gravitaatioaallot ovat täysin eri asia. Siksi ne avaavat meille aidosti uudenlaisen näkymän.

Ligo havaitsee miltei olemattomat pituuserot

Kip Thorne, joka on Kalifornian teknisen yliopiston professori, aloittaa Ligo-laitteiston kuvailun kysymällä: - Miten havaitsisit tavalliset vesiaallot, jos olisit sokea?

Todennäköisesti käyttäisit keppiä, jonka päässä olisi kelluva korkki. Aalto tuntuisi kepin liikkeenä.

Ligo (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) koostuu kahdesta laitteistosta, joissa kummassakin on kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraan asetettua "keppiä": käytännössä nelikilometristä putkea, jonka sisällä on tyhjiö. Toinen laitteistoista on Livingstonissa Louisianassa ja toinen 3 000 kilometrin päässä Hanfordissa Washingtonin osavaltiossa.

Kun kaksi mustaa aukkoa kohtaa, koko avaruus järisee. Järistyksestä lähtevät gravitaatioaallot leviävät ympäristöön valon nopeudella mutta eri tavalla kuin valo. Ne nimittäin puristavat ja laajentavat itse aika-avaruutta.






























  paikannetaan
Mittauslaite on sitä herkempi mitä pidemmät sakarat siinä on.
Laite/maa Tilanne
    0,3

Toiminnassa.  Rakennettiin lähinnä teknisten ratkaisujen löytämiseksi.


3
 0,6

4Testikäytössä.


4Suunnitteilla.

Kun matkalla vaimenneet aallot osuvat Ligon keppeihin, ne puristavat toisen putken päitä lähemmäs toisiaan ja venyttävät toista putkea. Näin putkien pituuseroksi tulee muutamia protonin tuhannesosia. Ero mitataan optisesti laservalon interferenssin avulla. (Toimintaperiaatteesta tarkemmin: ks. Tiede 2000 8/2000, s. 12-13.)

Laitteistoja rakennettiin kaksi juuri siksi, että aallon vaikutus mittalaitteeseen on lähes olematon. Oletetun havainnon todenperäisyys halutaan siis varmistaa tuplahavainnolla.

Tuhannen taalan paikka vain kerran vuodessa

Kip Thorne on kuuluisa muun muassa gravitaatioaaltoihin liittyvistä oivalluksistaan. 1970- ja 1980-luvulla hän kehitti matemaattiset yhtälöt, joilla analysoidaan, millaisia graviaatioaaltoja mikin tähtitieteellinen kohde säteilee. Ilman näitä yhtälöitä havaittuja gravitaatioaaltoja ei pystyttäisi mitenkään tulkitsemaan.

Tältä pohjalta Thorne, Rainer Weiss ja Ronald Drever alkoivat 1970-luvun lopulla ajaa Ligo-hanketta.

  Mutta mitä Thorne tarkoittaa sillä, ettei havainto vieläkään ole todennäköinen?

Ligon nykyisellä herkkyydellä havaittavissa oleva gravitaatioaalto osuu laitteistoon ehkä kerran vuodessa. - Tämä ei ole suuri todennäköisyys, ja siksi Ligon päivittäminen alkaa heti, Thorne kertoo.

- Se, että Ligoa aletaan uusia heti, kun se valmistuu, oli tietoinen valinta, Thorne selvittää. Ligo on niin monimutkainen laitteisto, ettei siihen tarvittavia teknisiä ratkaisuja olisi löydetty ilman täysikokoisen laitteen rakentamista. Lähtötiedoilla ei vielä pystytty parempaan.

Nyt ratkaisut on keksitty. Vuonna 2007 valmistuvien parannusten jälkeen Ligoon osuu todennäköisesti kaksi havaittavissa olevaa gravitaatioaaltoa kuukaudessa. Tämä tietää sitä, että havainto ennen pitkää tehdään ja kosmologian uusi vaihe pääsee alkamaan.

Sopiihan sitä kuitenkin toivoa, että se epätodennäköinen aalto iskisi Ligoon jo ensi viikolla - vaikka vain siksi, että Kip Thorne pysyisi onnellisena.

Palstan pitäjä Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Lisää ligosta: www.ligo.caltech.edu/

Sisältö jatkuu mainoksen alla