LIGO

Paljonko neutronitähti voi painaa?

Ke, 01/17/2018 - 14:27 Markus Hotakainen
Havainnollistus neutronitähdestä. Kuva: Goethe University Frankfurt

​Neutronitähdet, nuo jättiläistähtien vähän yli kymmenkilometriset jäänteet, löydettiin 1960-luvulla, mutta niiden massa laskettiin jo 1930-luvun lopulla. Tai tarkkaan ottaen massalle saatiin laskettua teoreettinen yläraja.

Maksimimassan suuruus tunnetaan Tolmanin–Oppenheimerin–Volkoffin rajana, sillä sen laskivat Robert "Atomipommi" Oppenheimer ja George Volkoff kollegansa Richard Tolmanin kvanttiteoreettisten tarkastelujen pohjalta. 

Oletuksena oli, että neutronitähden aine on niin sanottua Fermi-kaasua, joka koostuu pelkästään neutroneista. Todellisuudessa olosuhteet neutronitähtien sisuksissa tunnettiin kehnosti, joten alkujaan ylärajaksi saatiin vain noin 0,7 kertaa Auringon massa.

Jos neutronitähden massa kasvaa tätä raja-arvoa suuremmaksi – kuten voi tapahtua kaksoistähtijärjestelmässä, jossa toisesta tähdestä virtaa kaasua neutronitähteen – sen sisäinen paine ei enää kykene vastustamaan vetovoimaa, vaan neutronitähti luhistuu mustaksi aukoksi.  

Sittemmin arviota on korotettu puolestatoista peräti kolminkertaiseen Auringon massaan. Isohko vaihteluväli kertoo siitä, että neutronitähtien sisäistä rakennetta ei edelleenkään tunneta kovin hyvin.

Useimpien neutronitähtien massan on todettu olevan noin 1,4 Auringon massaa, mutta raskaampiakin on löydetty. Esimerkiksi pulsarin PSR J0348+0432 massa on 2,01 -kertainen Auringon massaan verrattuna.

Nyt ylärajalle on saatu uusi, entistä paljon tarkempi arvo. Göethe-yliopiston tutkijat Luciano RezzollaElias Most ja Lukas Weih ovat laskeneet uuden ylärajan muutaman prosentin tarkkuudella.

Menetelmä perustuu Cosima Breun samaisessa yliopistossa tekemään tutkimukseen, joka osoitti neutronitähtien tietyt piirteet universaaleiksi riippumatta aineen tilanyhtälön kuvaamista sisäisistä ominaisuuksista.

Kun tutkimuksen tulos yhdistettiin tuoreisiin gravitaatioaaltohavaintoihin kahden neutronitähden yhteentörmäyksestä (kuvassa tietokonemallinnus tapahtumasta), saatiin massan ylärajaksi noin 2,17 Auringon massaa.

Se pätee pyörimättömälle neutronitähdelle, mikä on tilanteena varsin teoreettinen, sillä kaikki tähdet pyörivät. Pyörivälle neutronitähdelle massan yläraja on hieman suurempi, sillä pyörimisliikkeen aiheuttama keskihakuvoima vastustaa osaltaan tähden taipumusta luhistua vetovoiman vaikutuksesta vielä tiheämmäksi kappaleeksi. 

Tulos on tutkijoiden mukaan hyvä esimerkki teorian ja havaintojen saumattomasta yhteispelistä. "Teoreettisen tutkimuksen kauneus on sen kyvyssä tehdä ennusteita. Teoria kaipaa kuitenkin kipeästi havaintoja, jotka asettavat rajat epävarmuustekijöille", toteaa Rezzolla.  

Kun gravitaatioaaltoja onnistuttiin havaitsemaan ensimmäisen kerran LIGO-observatorioiden huippuherkillä interferometreillä, tutkijat hehkuttivat, kuinka maailmankaikkeuteen avautui uusi ikkuna. Neutronitähden massan yläraja on ensimmäisiä uudesta ikkunasta avautuneita konkreettisia näkymiä. 

*

Uutinen perustuu Göethe-yliopiston tiedotteeseen.
Kuva: Goethe University Frankfurt

Kolmas paikka mukaan painovoima-aaltojen metsästykseen

Pe, 08/04/2017 - 10:41 Jari Mäkinen
Virgo

Painovoima-aaltojen havaitseminen tapahtuu toivottavasti helpommin ja tarkemmin tulevaisuudessa, kun tähän saakka ainoat varmat havainnot tehnyt amerikkalainen LIGO-observatorio saa mukaansa nyt eurooppalaisen Virgon.

Painovoima-aaltoja, eli gravitaatioaaltoja on havaittu tähän mennessä varmasti kolme kertaa. Tuorein löytö julkistettiin viime tammikuussa, ja tuo tapaus – kuten aiemmatkin – oli kahden massiivisen mustan aukon yhteentörmäys, joka lähetti avaruuden geometriaa ravistaneen aallon ympärilleen.

Aallot havaittiin kahdessa LIGO-havaintosysteemiin kuuluvassa observatoriossa Yhdysvalloissa, mutta mukana havaintojen käsittelyssä oli tutkijoita myös Euroopan puolella olevasta Euroopan gravitaatioaalto-observatoriosta EGO:sta.

Sen oma havaintolaite on Pisan luona Italiassa sijaitseva Virgo. Nyt Virgo on liittynyt myös mukaan aaltojen etsintään.

Virgo on hyvin samanlainen kuin kaksi LIGO-havaintolaitetta: siinä on kaksi kolme kilometriä pitkää tunnelia, joiden sisällä kulkee erittäin tarkasti suunnattu ja mitattu lasersäde. Säde jaetaan kahteen osaan, yksi kumpaankin tunneliin, joissa peilien avulla sädettä singautellaan edes takaisin niin monta kertaa, että valon mielestä se kulkee kolmen kilometrin sijaan sata kilometriä suuntaansa.  

Jos ja kun gravitaatioaalto kulkee observatorion läpi, se venyttää avaruuden geometriaa sen verran, että tämä äärimmäisen pieni pituuden muutos voidaan havaita, kun lasersäteitä verrataan interferometrisesti keskenään. 

Olennaista hyvin heikkojen gravitaatioaaltojen tulkinnassa on se, että yhden ainoan havaintolaitteen tulokseen ei voi luottaa. Paikallisia häiriöitä on niin paljon, että todeliset havainnot hautautuvat niiden alle.

Havainto on luotettava vain silloin, kun samanlainen havainto saadaan erikseen kahdessa paikassa siten, että havainnon tekoaika poikkeaa toisistaan täsmälleen sen verran mitä aallolta kestää kulkea paikkojen välisen matkan verran.

Kuvassa kolmas varmistettu painovoima-aaltohavainto. Sama, teoreettisiin laskelmiin täysin sopiva havainto tehtiin kahdessa paikassa siten, että havaintoajat vastaavat aallon kulkuaikaa havaintolaitteiden välissä.

Kun LIGO:n kahden havaintopaikan lisäksi mukaan saadaan nyt reaaliajassa niiden kanssa havaintoja tekevä kolmas observatorio, voidaan havaintoja tehdä aiempaa luotettavammin ja paremmin. Lisäksi kolmas, selvästi edellisistä erillään oleva paikka auttaa selvittämään paremmin mistä suunnasta taivaalla aalto on peräisin. 

LIGO aloitti nykyisen havaintokautensa huollon ja parannusten jälkeen viime marraskuussa. Tämä kausi päättyy nyt elokuun 25. päivänä, ja eurooppalainen Virgo on mukana tämän loppuajan elokuussa.

Tarkoituksena on tässä vaiheessa ennen kaikkea testata sitä, miten kolmikko pystyy toimimaan yhdessä ja kuinka vastaisuudessa havaintoja voitaisiin tehdä rutiininomaisesti kolmella havaintolaitteella samanaikaisesti.

Myös Intiaan on suunnitteilla samankaltainen painovoima-aaltoja havaitseva laite, mutta sen rakentaminen ei ole vielä alkanut.

Virgon toimintaa voi seurata reaaliajassa observatorion nettisivuilla.

Tässä se on: toinen gravitaatioaaltohavainto – heikko ja huima

Ke, 06/15/2016 - 22:48 Jari Mäkinen


Jos ensimmäisen gravitaatioaaltohavainnon julkistamisen jälkeen ilmassa leijui vielä pieni epävarmuus, ei nyt siihen ole enää aihetta: tänään julkistettu toinen havainto tarkoittaa sitä, että tähtitieteessä on alkanut uusi aika.


Aivan rutiinihavainnoista ei vielä ole kyse, sillä havaintojen käsittelyyn ja tarkistamiseen menee vielä kovasti aikaa. Eikä havaintojakaan saada jatkuvasti, sillä tämänkin havainnon tehnyt LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) on viritetty havaitsemaan juuri tämän kaltaisia tapahtumia.

Havainto oli ensimmäisen, helmikuussa julkistetun havainnon tapaan kahden massiivisen mustan aukon törmäys – tai tarkemmin sanottuna sulautuminen yhdeksi suuremmaksi mustaksi aukoksi. Tämä havainto on nimetty GW151226:ksi ja siitä kertonut signaali täräytti LIGOn havaintolaitteita 26. joulukuuta 2015 klo 5:38:53 Suomen aikaa. 

Jos siis viime tapaninpäivän aamun hetkinä jokin tuntui kummalliselta, niin se saattoi olla avaruuden halki kulkenut avaruuden geometrian aalto, joka sai LIGOn lisäksi myös sinut hieman tärähtämään. Todellisuudessa aistein ei tietenkään signaalia pysty huomaamaan, koska äärimmäisen herkkä LIGOkin on havaintokykynsä rajamailla.

Mustien aukkojen törmäys tapahtui 1,4 miljardia vuotta sitten, eli 1,4 miljardin valovuoden päässä. Signaalista tehtyjen analyysien perusteella näyttää todennäköiseltä, että mustat aukot olivat massoiltaan 14 ja 8 Auringon massaisia, ja että tuloksena syntynyt musta aukko oli 21 Auringon massaa. 

Massojen lisäksi signaalianalyysi kertoo mustien aukkojen pyörimisestä. Todennäköisesti aukoista massiivisempi pyöri samaan suuntaan kuin kevyempi kiersi sitä; tämä voidaan päätellä signaalin kestosta, sillä jos pyörimissuunta olisi päinvastainen kevyemmän komponentin kiertosuuntaan verrattuna, olisi signaali nyt havaittua lyhyempi. 

Nähtävästi lopputuloksena ollut musta aukko myös pyörii varsin vinhasti, jopa noin 70 % sen teoreettisesti suurimmasta mahdollisesti pyörimisnopeudesta.



Matematiikkaa!

Kaikki edellä olevat lukuarvot ja mustien aukkojen ominaisuudet on päätelty epäsuorasti saapuneesta signaalista.

LIGO ei pysty näkemään suoraan sitä, mitä on tapahtunut, vaan se havaitsee “ainoastaan” sitä miten avaruuden geometriassa oleva voimakas häiriö vaikuttaa havaintolaitteisiin. Kaksi samanlaista LIGO-teleskooppia mittaa moneen kertaan edes takaisin heijastuvien lasersäteiden avulla sitä kuinka paljon gravitaatioaallot lyhentävät ja pidentävät havaintolaitteita.

Ne tekevät koko ajan mittauksia ja saavat jatkuvasti erilaisia havaintoja, jotka johtuvat pääasiassa erilaisista maanpäällisistä kohteista. Kun esimerkiksi auto ajaa pihalla, se saa aikaan havaittavan tärähdyksen. Jopa vialliset jääkaapit ja kaukana olevat salamaniskut näkyvät LIGOn herkissä mittalaitteissa.

Jotta todelliset havainnot saataisiin esiin, on todennäköisiä signaaleita laskettu etukäteen useita ja LIGOn systeemit on viritetty havaitsemaan tällaisia mustien aukkojen törmäyksiä. Kun odotetun kaltainen signaali tulee, se otetaan tarkempaan syyniin. 

Ensinnä katsotaan onko toinen LIGO-teleskooppi tehnyt samankaltaisen havainnon. Jos noin 3000 kilometrin päässä toisistaan (Washingtonin osavaltiossa ja Louisianassa) sijaitsevat teleskoopit havaitsevat samanlaisen signaalin siten, että havaintohetkessä on sen verran eroa mitä signaalin kulkeminen valon nopeudella paikkojen välillä vie aikaa, on kyseessä todennäköisesti todellinen havainto.

Tässä tapauksessa automaattiset signaalinkäsittelylaitteet hälyttivät jo 70 sekunnin kuluttua havainnosta ja laskivat vain minuutissa arvion signaalin lähteestä.

Sen jälkeen alkoi vasta suurempi työ, kun tutkijat kävivät signaalin kimppuun. Se paitsi tarkistettiin vielä perusteellisesti, niin signaalista tehtiin varsin monimutkaisia matemaattisia malleja. Näillä paitsi laskettiin sitä, millainen tapahtuma synnyttäisi saadun havainnon, niin myös tehtiin malleja muista tapahtumista, jotka voisivat synnyttää signaalin. Näin mahdolliset signaalikäsittelystä tulevat virhemahdollisuudetkin saatiin suljettua pois.

Kummatkin vahvistetut havainnot kuuluvat LIGOn ensimmäiseen havaintojaksoon, joka päättyi viime tammikuun lopussa. Näiden lisäksi on havaittu kolmas signaali, mutta se ei näytä tällä haavaa todelliselta tapahtumalta – tämä epävarmuus osoittaa osaltaan sen, että karsinta toimii. On myös mahdollista, että tämäkin samankaltainen havainto saadaan vielä varmistettua.


Matematiikka auttoi myös määrittämään suunnan, mistä signaali saapui: kahden havaintolaitteen signaalien avulla pystyttiin suunta määrittämään hieman kolmiomittaamisen tapaan. 

Kun myöhemmin saadaan mm. Italiassa ja Intiassa tekeillä olevat gravitaatioaaltoteleskoopit valmiiksi, pystytään tätä suuntamääritystäkin parantamaan olennaisesti.

Verrattuna ensimmäiseen gravitaatioaaltohavaintoon, 14. syyskuuta 2015 tehtyyn GW150914-havaintoon, oli tapaninpäivänä tullut GW151226 heikompi ja se kesti hieman pitempään. Kun ensimmäisen pituus oli 0,2 sekuntia, oli toisen kesto yhden sekunnin. Pitempi signaali on vähemmän selvä, koska se sotkeentuu helpommin havaintolaitteiden jatkuvasti saaviin häiriöhavaintoihin.



Ja nyt toisen kerran LIGOn ja gravitaatiotähtitieteen historiassa on havainto niin varma, että tutkijat ovat uskaltaneet kertoa siitä julkisesti sekä tehdä havainnosta tieteellisen artikkelin.

Kuten tieteessä yleensä, ei yksi havainto ole vielä aivan riittävä aivan uuden asian todistamiseen, mutta toisen havainnon jälkeen asia alkaa olla jo varma. Nyt Nobel-palkinto LIGO-ryhmälle alkaa olla jo varsin varma – ja gravitaatiotähtitiede alkaa olla kypsä tutkimusala.

Gravitaatioaallot tulivat täältä - tai tuolta

Pe, 02/19/2016 - 15:01 Markus Hotakainen
Gravitaatioaaltojen tulosuunta

Viime viikolla julkistettu LIGO-observatorioiden havainto gravitaatioaalloista kohautti sekä tiedemaailmaa että mediaa.

Päivän kuva

Tällä viikolla uutisoitiin, kuinka "samalla suunnalla" havaittiin vain 0,4 sekuntia myöhemmin voimakas gammapurkaus. Joidenkin arvioiden mukaan havainnot liittyisivät toisiinsa.

Kuvasta voi päätellä, kuinka tarkasti voidaan puhua "samalla suunnalla" esiintyneistä ilmiöistä. Gammapurkauksen havainnut Fermi-avaruusteleskooppi pystyy määrittämään säteilyn tulosuunnan parhaimmillaan asteen kymmenesosien tarkkuudella, mutta LIGO-laitteistoilla tilanne on toinen.

Koko taivasta esittävään kuvaan erivärisin viivoin merkityt alueet kuvastavat todennäköisyyksiä, joilla gravitaatioaallot ovat tulleet kultakin suunnalta. Pinkki viiva rajaa aluetta, jolta signaali on peräisin 90 prosentin todennäköisyydellä ja sisin eli vaaleankeltainen aluetta, jolla todennäköisyys on vain 10 prosenttia.

Gravitaatioaaltojen tulosuunnan määritys perustuu seitsemän millisekunnin aikaeroon, joka oli Louisianassa sijaisevan Livingstonin ja Washingtonissa sijaitsevan Hanfordin observatorioiden havaitsemien signaalien välillä.

Pelkän aikaeron perusteella saatiin laskettua koko taivaan kiertävä rengas, jonka kohdalta aallot tulivat. Kun lisäksi tarkasteltiin signaalien voimakkuuksia ja niissä esiintyneitä vaihteluita, voitiin osa renkaasta eliminoida, jolloin jäljelle jäivät kuvan esittämät alueet.

Jos käytössä olisi ollut kolmas tai mieluummin vielä useampi observatorio, suunta olisi saatu määritettyä huomattavasti tarkemmin. Onneksi uusia havaintolaitteita on jo valmisteilla.

Kuva: LIGO/Axel Mellinger

Onko gravitaatioaaltohavainto todellinen?

Su, 02/14/2016 - 10:13 Jari Mäkinen
Havainnollistus gravitaatioaalloista


Viime viikolla kerrottiin mullistava uutinen gravitaatioaaltojen löytymisestä Washington D.C.:ssä pidetyssä lehdistötilaisuudessa, mutta vastaava tilaisuus oli suunnitteilla jo vuonna 2011. Silloin se peruttiin.


Todisteet viime syyskuussa havaitusta gravitaatioaallosta ovat vakuuttavia: kahden mustan aukon sulautumisesta syntynyt gravitaatioaalto havaittiin erikseen kahdessa aaltoja havaitsevan LIGO-järjestelmän havaintopaikassa, aalto oli hyvin samanlainen molemmissa ja havaittujen aaltojen välinen aikaero oli juuri se, minkä ohi kiitäviltä gravitaatioaalloilta laskettaisiin kestävän kahden havaintopaikan välisen etäisyyden taittamiseen.

Lisäksi havaitut aallot olivat juuri sellaisia kuin odotettiin. Eipä parempaa ja täydellisempää havaintoa voisi toivoa!

Paitsi että LIGO teki yhtä lailla täydellisesti odotuksiin sopivan havainnon jo vuonna 2010.

Silloinkin tutkijat päättelivät, että kyseessä oli törmäävät mustat aukot. Havainto ja sen tekeminen käytiin tarkasti läpi, sen taustalla olevan törmäyksen fysiikka setvittiin ja lopulta havainnosta kirjoitettiin tieteellisiä artikkeleita, joista tärkein oli otsikoitu "Evidence for the Direct Detection of Gravitational Waves from a Black Hole Binary Coalescence", eli vähän kuin nyt julkaistu tutkimus: tässä oli ensimmäinen todiste suorasta gravitaatioaaltohavainnosta ja aalto oli peräisin kahden mustan aukon yhdistymisestä.

300 tutkijaa ympäri maailman kerääntyi maaliskuussa 2011 Kaliforniaan keskustelemaan löydön julkistamisesta ja satakunta muuta tutkijaa oli videoyhteyden päässä.

Ilmapiiri oli erinomainen ja iloinen aina siihen saakka kunnes LIGO-observatorion johto kertoi karvaan totuuden: he olivat syöttäneet havainnon laitteistoon nähdäkseen miten laaja, kansainvälinen tutkijatiimi reagoisi löytöön – ja huomattaisiinko havaintoa lainkaan.

Havainnosta kerrotaan myös LIGO:n nettisivuilla, tosin teknisenä testinä. Mukana testissä oli Italiassa sijaitseva yhteiseurooppalainen VIRGO-havaintolaite.

Tästä tapauksesta kertoo Stuart Clark blogissaan The Guardian -lehdessä viitaten maailmalla kiertäviin huhuihin siitä, että nyt tehty havainto olisikin itse asiassa vastaavanlainen koe.

Nyt toki havainnosta on julkistettu paljon lisätietoa, ja Science-lehdessä on erinomainen kuvaus havainnon tekemisestä. Tietoisesta huijauksesta ei siis tässä tapauksessa todennäköisesti ole kyse.

Gravitaatioaallot synnyttänyttä mustien aukkojen sulautumista on myös yritetty etsiä syyskuusta alkaen taivaalta esimerkiksi kaukoputkin, mutta turhaan. Näin voimakas tapahtuma periaatteessa olisi ollut näkyvissä myös perinteisin havaintolaittein.

LIGO:n havainto on vakuuttava, kenties jopa liian hyvin odotusten kaltainen, ja on olemassa edelleen koko joukko häiriötekijöitä, jotka olisivat voineet saada aikaan signaalin. Tutkijoiden kova halu saada gravitaatioaallot näkyviin saattavat myös vaikuttaa havainnon käsittelyyn.

Tämä ei olisi ensimmäinen kerta, kun innostus on vienyt tutkijatkin mukanaan, sillä gravitaatioaaltojen löytyminen on suuren luokan uutinen niin tieteelle yleensä kuin usean tutkijan urakehityksellekin. Edellisen kerran näin kävi kaksi vuotta sitten maaliskuussa, kun mekin kerroimme Tiedetuubissa BICEP2-kokeen "havaitsemista" painovoima-aalloista.

Mitä siis pitäisi ajatella nyt tehdystä löydöstä ja sen näyttävästä julkistuksesta? Kannattaa iloita, mutta pitää edelleen mielessä se, että kenties kyseessä oli jälleen väärä hälytys...

Lisätietoja odotellessa kannatta lukea uudelleen mainittu tiedote LIGO:n teknisestä testistä, sillä se kertoo paljon siitä mitä nytkin olisi pitänyt lisäksi havaita.

*

Juttuun on lisätty klo 10:45 linkki Harward-Smithsonianin uutiseen mustien aukkojen törmäyksen jälkihehkun etsimisestä optisella alueella. Klo 11:30 lisätty vielä Science-lehden linkki gravitaatioaallon havainnen henkilön tarinaan. Samalla otsikko vaihdettiin vähemmän skandaalinkäryiseen.

Miltä gravitaatioaalto kuulostaa? Tältä...

Pe, 02/12/2016 - 20:24 Jari Mäkinen


Ei, gravitaatioaaltoja ei voi kuulla, mutta ne voi muuttaa kuultavaan muotoon.


Ja näin ovat LIGO-kollaboraatiossa mukana olevat Caltechin tutkijat tehneet.

Alla olevassa videossa on visualisoituna gravitaatioaallot sellaisina kuin kaksi LIGOn havaintolaitetta ne havaitsivat. Tai siis kuvaaja siitä, miten laitteiden interferometrit reagoivat aaltoon, kun se heilutti avaruuden geometriaa havaintopaikoilla ohi mennessään.

Sitten taajuutta on muutettu siten, että se on helpommin ihmiskorvin kuultavissa. Lisäksi kummassakin tapauksessa ääntä on hidastettu, sillä signaali kesti oikeasti vain 20 millisekuntia.

On sinänsä huimaa, että näin voimme kuunnella sitä, kun kaksi mustaa aukkoa törmäsivät toisiinsa ja vapauttivat valtavan määrän energiaa avaruuteen.

Paremmin taivaallisesta ilotulituksesta voi nauttia Caltechin gravitaatioaaltoäänisivulla – sekä alla olevalla videolla.

Gravitaatioaallot: Hawkingilla oli oma lehmä ojassa - melkein

Pe, 02/12/2016 - 16:02 Markus Hotakainen
Stephen Hawking luennoimassa

Eilinen julkistettu uutinen gravitaatioaaltojen havaitsemisesta sai sekä median että tiedemaailman sekaisin. Eikä syyttä, sillä löytö oli hieno huipennus yli sata vuotta kestäneelle etsinnälle. Tai ei etsintä niin kauan ole kestänyt, mutta Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennusti aaltojen olemassaolon vuonna 1915.

Alan pioneeri Joseph Weber ilmoitti havainneensa gravitaatioaaltoja jo vuonna 1969. Hänen rakentamassaan ilmaisimessa oli kaksi tyhjiöön ripustettua alumiinitankoa. Ajatuksena oli, että ilmaisimen ohittava gravitaatioaalto venyttää ja kutistaa tankoja siten, että ne alkavat värähdellä tietyllä taajuudella. Ja mielestään Weber oli mitannut juuri oikeanlaista värähtelyä.

Signaali oli niin voimakas, että se olisi voinut syntyä ainoastaan hyvin massiivisen tähden luhistuessa mustaksi aukoksi tai kahden mustan aukon sulautuessa yhteen – juuri sellaisesta ilmiöstä olivat peräisin LIGO-observatorioiden havaitsemat aallot.

Seuraavana vuonna Stephen Hawking, mustien aukkojen asiantuntija, kävi tutustumassa Weberin laitteistoon, josta ei teoreetikkona ymmärtänyt juuri mitään. Havainnot eivät olleet jääneet yhteen yksittäiseen signaaliin, vaan Weber kertoi "näkevänsä" pari gravitaatioaaltopurkausta päivässä. Väite oli huima.

Hawking kiinnostui asiasta ja laati oppilaansa Gary Gibbonsin kanssa tieteellisen artikkelin, jossa ne tarkastelivat gravitaatioaaltojen havaitsemiseen liittyvää teoreettista puolta, mutta ehdottivat myös rakenteeltaan herkempää ilmaisinta. 

Kukaan ei kuitenkaan osoittanut mielenkiintoa moisen instrumentin rakentamiseen, joten Hawking ja Gibbons ottivat omien sanojensa mukaan "teoreetikoille uhkarohkean askeleen" ja anoivat Science Research Councililta apurahaa kahden ilmaisimen rakentamisteen.

Hanke oli jo niin pitkällä, että kaksikko etsi laitteiston rakentamiseen tarvittavia komponentteja ja pohti ilmaisimille sopivia sijoituspaikkoja. He eivät kuitenkaan olleet ainoat asiasta kiinnostuneet. Science Research Council oli saanut anomuksia muiltakin tutkimusryhmiltä ja päätti välttää päällekkäisyydet kutsumalla kaikki koolle keskustelemaan hankkeistaan.

Siinä vaiheessa Hawking ja Gibbons vetivät hakemuksensa takaisin. Kuten Hawking toteaa omaelämäkerrassaan: "Se liippasi likeltä!"

Hänen sairautensa paheni kaiken aikaa, joten kokeellisen tutkimuksen tekeminen olisi pian käynyt hyvin hankalaksi ja ennen pitkää mahdottomaksi. "Olen hyvin tyytyväinen, että pysyttelin teoreetikkona", Hawking päättää tästä vähemmän tunnetusta episodista kertovan kirjansa luvun.

Eilen Stephen Hawking onnitteli tuoreeltaan LIGO-observatorion väkeä heidän tekemästään havainnosta. Hän toteaa lähettämässään viestissä, että "on jännittävää nähdä, kuinka yli 40 vuotta sitten tekemäni ennusteet esimerkiksi mustan aukon pinta-alasta ja  hiuksettomuusteoreemasta tulevat todennetuiksi elinaikanani". 

Kuva: Alexandar Vujadinovic

Näillä laitteilla gravitaatioaaltoja metsästetään

To, 02/11/2016 - 20:21 Jari Mäkinen


Mitä teit viime syyskuussa, maanantaina 14. päivänä klo 12.51 Suomen aikaa? Silloin sinäkin muutit muotoasi hieman, koska 1,3 miljardia vuotta sitten toisiinsa törmänneiden mustien aukkojen lähettämä painovoima-aalto heilutti aika-avaruutta näillä kulmilla maailmankaikkeutta. Ja silloin tähtitieteilijöille avautui uusi ikkuna avaruuteen.


Kuten uutiset ovat tänään kertoneet kautta maailman (kuten mekin aiemmassa artikkelissammeennakkojutussamme ja ensimmäisessä uutisessamme tammikuussa), on painovoima-aaltoja viimeinkin todistetusti havaittu. Tuo viime syyskuinen tapaus havaittiin riippumattomasti LIGO-havaintoryhmän kahdessa mittalaitteessa ja havainto oli jopa hämmentävän tarkasti sellainen kuin osattiin jo ennalta odottaa.

Havainto on merkkipaalu tähtitieteen historiassa ja varmasti joku tai jotkut tulevat pokkaamaan siitä mitalin Tukholmassa kenties jo ensi joulukuussa.

Tätä löytöä on kuitenkin pohjustettu jo pitkään, sillä teoreettisen pohjan gravitaatioaalloille antoi itse Albert Einstein sata vuotta sitten.

Se on pääpiirteissään hyvin yksinkertainen: liikkuva massa ja/tai suuret energiat saavat aikaan värähtelyä avaruuden geometriassa samaan tapaan kuin veteen heitetty tiiliskivi saa aikaan aaltoja veden pinnalla. Jos kauempana veden pinnalla on pieni kelluva puunpala, se heilahtelee ylös ja alas aallon vaikutuksesta. Tai jos palasia on kaksi, niiden välinen etäisyys lyhenee ja pitenee sen mukaan kun aallot palasia liikuttavat.

Jos otat käsiisi kaksi klönttiä taikinaa ja paiskaat ne yhteen, syntyy tapauksesta painovoima-aalto, tosin äärettömän pieni sellainen. Kun kävelet, jätät jälkeesi gravitaatioaaltolaineita, ja kun maapallo kiertää Aurinkoa, syntyy siitäkin gravitaatioaaltoja. Mutta vaikka kyseessä olisi Aurinko ja Jupiter, on syntyvä aalto niin pieni, ettemme pystyisi edes hurjimmissa kuvitelmissamme sitä havaitsemaan.

Sen sijaan erittäin voimakkaat kosmiset kolarit ja muut suurienergiset tapahtumat synnyttävät sen verran voimakkaita gravitaatioaaltoja, että niiden havaitseminen on mahdollista – tosin hyvin vaikeaa.

Esimerkiksi nyt aaltohavainnon tehnyt LIGO pystyy mittaamaan alle protonin halkaisijan kymmenestuhannesosan mittaisia (10-19 metriä) hailahteluita noin neljä kilometriä pitässä mittausradassa.

Miten tähän on tultu?

Toden teolla aaltoja on pyritty havaitsemaan 1960-luvun lopulta alkaen, jolloin Marylandin yliopiston fyysikko Joseph Weber rakensi useita raskaita alumiinisylintereitä, joiden hän oletti resonoivan gravitaatioaaltojen vaikutuksesta. Sylinterit olivat kaksi metriä pitkiä ja metrin halkaisijaltaan, mutta hän ei havainnut niillä mitään muuta kuin kohinaa.

Paitsi vuonna 1987: Weber väittää havainneensa omituisen signaalin juuri samaan aikaan kun hyvin lähellä tapahtuneen, voimakkaan supernova SN1987A:n lähettämä painovoima-aalto olisi laskelmien mukaan kulkenut Maan ohitse. Havaintoon ei uskottu – osin siksi, että Weber oli väittänyt havainneensa kaikenlaista jo aiemmin – mutta nyttemmin tätä pidetään varsin todennäköisenä havaintoja. Tosin sitä ei voida mitenkään varmentaa, eikä pitää tieteellisesti pätevänä. 

Mutta kenties ensimmäinen gravitaatioaaltohavainto tehtiinkin viime syyskuun sijaan jo 23. helmikuuta 1987.

Weber kuoli vuonna 2000, joten hän ei ole enää puolustamassa havaintoaan, mutta yksi hänen sylintereistään on nyt esillä LIGO:n Hanfordin tiloissa muistuttamassa historiasta.

Toinen merkittävä historiallinen painovoima-aaltojen havaintokoe on tehty Leidenin yliopistossa Hollannissa. Sinne rakennettiin vuonna 2007 MiniGRAIL -niminen havaintolaite, joka on halkaisijaltaan 68 cm oleva kuparista ja alumiinista tehty pallo. Pallon massa on 1400 kg ja sen oletetaan resonoivan 2,9 kHz:n taajuudella, jos gravitaatioaalto iskeytyy siihen. Värähtelyä havaitseva laitteisto on jäähdytetty hyvin lähelle absoluuttista nollapistettä (20 mK) ja samankaltainen laitteisto on tarkoitus sijoittaa myös São Pauloon. Näin satunnaisten häiriöiden mahdollisuus saadaan suljettua, ja mittauksia voitaisiin tehdä riippumattomasti kahdessa paikassa, aivan kuten LIGO:lla.

Kuva: Weber ja hänen sylinterinsä (vasemmalla) sekä Mini GRAIL.

 

LIGO:n jälkeen tulee LIGO

LIGO-havaintoasemat rakennettiin vuosituhannen vaiheessa ja ne otettiin käyttöön vuonna 2002. Kyseessä on kaksi L-kirjaimen muotoon laitettua neljä kilometriä pitkää tunnelia, joiden sisällä on tarkasti pituutta mittaava laserlaitteisto, niin sanottu interferometri. Kun ja jos painovoima-aalto menee ohitse ja heiluttaa tunneleita, niiden pituudet muuttuvat sen verran, että periaatteessa mittaukset saisivat tämän selville.

Kahdeksan vuotta kestäneiden havaintojen aikana LIGO ei havainnut mitään, mutta sulkemisen sijaan sitä paranneltiin. Uusittu LIGO otettiin käyttöön viime syyskuussa ja heti havaintokauden aluksi havaittiin tänään julkistettu tapaus. On mahdollista, että tuonkin jälkeen on saatu lisää havaintoja, mutta tutkijat panttaavat niitä paitsi siksi, että niistä saa uusia julkaisuita myöhemmin, niin myös siksi, että havainnot pitää varmistaa todella huolellisesti.

Alkuperäisellä LIGOlla ei tätä nyt saatua havaintoa olisi voinut tehdä – sen herkkyys ei olisi riittänyt.

LIGOa ollaan edelleen parantamassa ja arvioiden mukaan vuonna 2019 se otetaan jälleen käyttöön viisi kertaa nykyistä herkempänä.

Lisäksi LIGO:sta on tarkoitus tehdä kopio Intiaan, jolloin uusi havaintopaikka toisella puolella maapalloa parantaisi edelleen olennaisesti tuloksia.

VIRGO

VIRGO ja KAGRA

Italiassa, Pisan luona sijaitsee eurooppalainen vastine LIGOlle. Kyseessä on VIRGO-havaintolaite (kuvassa yllä), joka on tyypiltään samanlainen ns. Michelsson-interferometri kuin LIGO, tosin sen L-kirjaimen sivut ovat "vain" kolme kilometriä pitkiä. Mukana hankkeessa ovat Italian lisäksi Ranska, Hollanti, Puola ja Unkari.

VIRGO on ollut käytössä jo vuodesta 2000 alkaen ja vuodesta 2011 se on toiminut modernisoituna, noin 10 kertaa alkuperäistä herkempänä. Silti sillä ei ole onnistuttu saamaan luotettavia havaintoja.

Nyt tänä vuonna VIRGO saa uudet, vieläkin tarkemmat havaintolaitteet ja sen käyttö alkaa uudelleen vuoden loppupuolella. Täydessä, parannetussa potkussaan havaintolaitteen toivotaan olevan vuonna 2018.

Samankaltainen havaintolaite on rakenteilla parhaillaan Japanissa. KAGRAssa (alla) on VIRGOn tapaan kaksi 3 km pitkää tunnelia, mutta näitä on kaksi kumpaakin suuntaan. Tunnelien kaivaminen Kamiokan kaivosalueelle saatiin valmiiksi vuonna 2014 ja laitoksen toivotaan olevan käytössä vuonna 2018. Sen tekijät toivovat saavansa silloin havaittua kaksi tai kolme gravitaatioaaltoa vuodessa.

Tänäisen ensimmäisen signaalin julkistamisen valossa pari uutta gravitaatioaaltohavaintoa vuodessa tuntuu jo hurjalta, tosin todennäköisesti havaintoja alkaa nyt tulla koko ajan lisää. Kenties seuraavat havainnot saadaan myös avaruudesta, missä LISA Pathfinder on aloittamassa juuri rutiinihavaintonsa.

”Hyvät naiset ja herrat! Olemme havainneet gravitaatioaaltoja.”

To, 02/11/2016 - 18:41 Markus Hotakainen
David Reitze

Näin aloitti LIGO-laboratorion johtaja David Reitze tämänpäiväisen tiedotustilaisuuden. Jännitystä ei siis pidetty yllä yhtään pidempään kuin oli tarvis: vuosikymmenten metsästys oli vihdoin tuottanut suuren saaliin.

Gravitaatioaallot ovat aika-avaruuden värähtelyjä, jotka Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennusti vuonna 1915, siis jo yli sata vuotta sitten. Äärimmäisen heikkoa ilmiötä on jahdattu kymmenien vuosien ajan, mutta havaintolaitteiden herkkyys ei ole riittänyt – tai sitten aaltoja ei ole olemassa.

Nyt on lopullisesti varmistunut, että gravitaatioaallot ovat todellisuutta. Kahden mustan aukon sulautuminen yhteen sai aikaan gravitaatioaaltojen pulssin, joka onnistuttiin havaitsemaan LIGO-laboratorion (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) mittalaitteilla Louisianan osavaltiossa sijaitsevassa Livingstonin observatoriossa ja Washingtonin osavaltiossa sijaitsevassa Hanfordin observatoriossa.

14. syyskuuta 2015 kello 11.51 Suomen aikaa havaittu pulssi kertoi, että 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä kaksi mustaa aukkoa, joiden massat olivat 29 ja 36 Auringon massaa, törmäsivät toisiinsa lähes puolella valon nopeudella. Kosmisessa kolarissa muuttui noin kolmen Auringon massan verran energiaa sekunnin murto-osassa gravitaatioaalloiksi. 

 

Piirroskuva gravitaatioaaltoja lähettäneistä mustista aukoista

 

Observatorioiden (tarkoituksella) suuri keskinäinen etäisyys mahdollisti gravitaatioaaltojen lähteen suunnan karkean määrittämisen. Livingstonissa havainto tehtiin seitsemän millisekuntia Hanfordia aikaisemmin, millä perusteella kohteen sijainti määritettiin eteläiselle tähtitaivaalle. 

Samalla varmistettiin, että kaksi toisiaan kiertävää mustaa aukkoa voi todella sulautua yhdeksi isommaksi mustaksi aukoksi. Sekin on ennustettu ilmiö, mutta aiemmin sellaista ei ole havaittu. 

Gravitaatioaalloista on saatu jo aikaisemminkin epäsuoria viitteitä. Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät vuonna 1974 kaksoisneutronitähden, jonka komponenttien todettiin muutamaa vuotta myöhemmin lähestyvän kaiken aikaa toisiaan. Systeemi menetti energiaa juuri siihen tahtiin kuin oli oletettavissa, jos se säteilee gravitaatioaaltoja. 

Hulse ja Taylor saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1993 eli harvinaisen pian löydön tekemisen jälkeen. Nyt kun LIGO-laboratoriossa onnistuttiin havaitsemaan gravitaatioaaltoja, aika-avaruuden pieniä värähtelyitä suoraan, voidaan melko turvallisesti ennustaa, että Nobel-palkinto on luvassa vielä pikaisemmalla aikataululla.

Mielenkiintoista tulee olemaan, miten palkinto jaetaan. LIGO-tutkimuksessa on mukana yli tuhat tutkijaa kaikkiaan 14 maasta ja liki sadasta yliopistosta ja tutkimuslaitoksesta. 

Joka tapauksessa, kuten LIGO-tutkimusyhteisön edustaja Gabriela González totesi: "Löytö on uuden aikakauden alku: gravitaatioaaltoastronomia on nyt todellisuutta."

Kuvat: NSF

Tästä on kyse tämän viikon huhutussa gravitaatioaaltouutisessa

Ma, 02/08/2016 - 10:30 Jari Mäkinen
Painovoima-aaltoja havainnollistettuna


Kuten kerroimme jo tammikuussa, julkistetaan huhujen mukaan tällä viikolla merkittävä uutinen: ensimmäiset gravitaatioaallot on havaittu. Nyt useat eri tahot ovat vahistaneet, että jotain jännää on todellakin havaittu. Mutta mitä ja mistä? Ainakin Nobelin palkinnosta.


Albert Einstein ennusti sata vuotta sitten suhteellisuusteoriassaan, että aine vaikuttaa avaruuden kaarevuuteen ja avaruuden kaarevuus puolestaan vaikuttaa aineeseen.

Siis voisi kuvitella, että avaruus on kuin joustavaa ainetta, ja kun jokin suurienerginen tapahtuma – esimerkiksi kahden mustan aukon törmääminen toisiinsa – täräyttää avaruutta, siitä lähtisi joka puolelle ympäristöön avaruudessa painovoima-aaltoja samaan tapaan kuin veden pintaan putoava kivi saa aikaan renkaan  muotoisia, laajenevia aaltoja pinnalla.

Kun aalto saavuttaa kappaleen kauempana avaruudessa, alkaa se liplattaa samaan tapaan kuin kelluva laituri järven rannassa veneen ajettua ohitse. Tosin avaruuden mittakaavassa aallot ovat hyvin heikkoja ja niitä on erittäin vaikeata havaita. Hyvin kaukana avaruudessa tapahtuvat valtavatkin tapahtumat heiluttavat täällä maapallon tienoilla avaruutta hyvin vähän, ja tuon heilumisen havaitseminen on todella hankalaa.

Itse asiassa havaitseminen on niin hankalaa, että jotkut ovat ennättäneet jo epäilemään Einsteinin ennustusta. Suhteellisuusteorian ennustamia painovoiman, aineen, valon ja energian ilmiöitä on havaittu hyvinkin paljon, ja niiden huomioiminen on nykyisin tärkeää jopa arkisissa sovelluksissamme, mutta gravitaatioaaltojen kanssa tilanne on toinen. 

Voisi sanoa, että teoreettisen pohdiskelun lisäksi ne ovat viimeisin ja äärimmäisin tapa tehdä tähtitieteellisiä havaintoja kaukana tapahtuvista ilmiöistä.

Eri tapoja havaita gravitaatioaaltoja

Painovoima-aaltoja on koetettu havaita vuosikymmenten kuluessa monin eri tavoin. Tyypillisin yritys on ollut tehdä suuri ja painava kappale, ja yrittää havaita sen tärähtelyjä siten, että kaikki muut kuin kosmista alkuperää olevat syyt voidaan sulkea pois havainnoista. Tai vielä paremmin: ottaa kaksi tällaista kappaletta, ja koettaa mitata niiden välistä etäisyyttä hyvin tarkasti: jos etäisyydessä tapahtuu pieni muutos, jota ei voida mitenkään maanpäällisesti selittää, voisi syynä olla ohi kulkenut painovoima-aalto.

Mitään ei ole havaittu, osin siksi, että laitteet eivät ole olleet tarpeeksi tarkkoja ja erilaisia häiriötekijöitä on ollut liikaa. Mahdolliset, heikot painovoima-aallot ovat jääneet kaikenlaisen kohinan alle piiloon.

Nyt viime aikoina on viimein tehty laitteita, jotka periaatteessa kykenevät tekemään ensimmäiset havainnot. Yksi on LIGO, mistä uutista nyt odotetaan, ja toinen on joulukuussa avaruuteen lähetetty LISA Pathfinder -satelliitti. 

Nyt julkistettava uutinen perustuukin osaltaan LIGOn ja LISAn väliseen kilpailuun: se, jolla on käsissään ensimmäiset tarpeeksi luotettavat havainnot, julkistavat ne mahdollisimman nopeasti. 

Ja LIGOlla näyttää nyt olevat voittajakortit käsissään.

Nyt 11. helmikuuta julkaistavassa Naturen numerossa kerrottaneen havainnosta, joka olisi havaittu niin LIGOlla painovoima-aaltoina, kuin muutenkin. Näin havainto on voitu varmentaa ja sen aiheuttaja olisi selvillä. Todennäköisesti kyseessä on kahden mustan aukon yhdistymisestä. Näistä toinen olisi ollut 36 Auringon massaa ja toinen 29. Tuloksena olisi ollut yksi musta aukko, jonka massa on 62 Auringon massaa.

Mikä LIGO?

LIGO-observatorio (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) sijaitsee Hanfordissa Washingtonin osavaltiossa ja Livingstonissa Louisianassa.

Kummassakin paikassa on L-kirjaimen muotoinen, yhdeltä sivultaan neljän kilometrin mittainen tyhjiöputki, jossa kulkee lasersäde peilien välillä. 

Interferometrian avulla pystytään mittaamaan hyvin tarkasti säteen kulkema matka. Jos ilmaisimen ohittaa gravitaatioaalto, matkan pituudessa tapahtuu minimaalinen muutos.

Kun ilmaisimet sijaitsevat noin 3 000 kilometrin etäisyydellä toisistaan, mahdollisen aallon saapumisajoissa havaitaan tulosuunnasta riippuen maksimissaan kymmenen millisekunnin ero. Siitä pystytään puolestaan laskemaan lähteen sijainti taivaalla.

Laitteiston tuorein, systeemin tarkkuutta parantaneiden viritysten jälkeen tehty 106 vuorokautta kestänyt tutkimuskausi päättyi juuri tammikuun puolivälissä, ja nyt julkaistava havainto olisi saatu tämän jakson aikana. Jakson aikana Hanfordin ja Livingstonin havaintolaitteet toimivat erikseen, mutta myös yhdessä simultaanisesti kaikkiaan 1100 tunnin ajan.

Kilpailija LISA

LISA Pathfinder on ESAn tiedesatelliitti, joka laukaistiin matkaan viime joulukuun 3. päivänä. Kerroimme siitä myös Tiedetuubissa.

Kyseessä on 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta ns. Lagrangen pisteessä 1 oleva pieni laite, jonka sisällä on kaksi täysin samanlaista 46 mm halkaisijaltaan olevaa kullasta ja platinasta tehtyä kuutiota, joiden välinen etäisyys on 38 cm. Kuutiot on sijoitettu suojarakenteiden sisään ja niiden välistä etäisyyttä mitataan monimutkaisella lasersysteemillä, joka pystyy erottamaan millimetrin miljardisosan muutokset välimatkassa.

Avaruuden painottomuudessa ja luotaimen sisällä ei mikään muu kuin avaruuden aallot muuta niiden välistä matkaa, joten "ylimääräisiä" heilahteluja ei siellä pitäisi tulla.

Täydellisen painottomuuden aikaansaaminen on itse asiassa lennon eräs olennaisimpia temppuja, ja siksi satelliitissa on tarkat kiihtyvyysmittarit, jotka seuraavat koko ajan tilannetta ja käyttävät pieniä ohjausrakettimoottoreita noin 10 kertaa sekunnissa. Näin kuutiot pysyvät tarkasti oikeilla paikoillaan ja vain avaruuden geometriassa tapahtuvat muutokset heiluttavat niitä.

LISA Pathfinder