graviataatioaallot

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.

Video: Näin gravitaatioaallot havaittiin ensimmäisen kerran – tieto julkistettiin vuosi sitten

Jymyuutinen gravitaatioaaltojen löytämisestä kerrottiin tasan vuosi sitten, 11. helmikuuta 2016. 

LIGO-tutkimushanke (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tiedotti tuolloin havainneensa ensimmäisen kerran gravitaatioaltoja avaruudesta syyskuun 14. päivänä 2015.

Kaksi LIGO-systeemiin kuuluvaa havaintolaitetta nappasi täsmälleen samanlaisen signaalin, ja ne tekivät niin juuri siten, että aikaero havaintojen välillä oli se minkä gravitaatioaalloilta kuluu mittalaitteiden välillä kulkemiseen.

Saatu havainto täsmäsi kahden mustan aukon törmäyksessä syntyvään, teoreettisesti laskettuun signaaliin niin tarkasti, että monet – kuten Tiedetuubikin – olivat jopa hieman skeptisiä aluksi havainnon todenperäisyydestä.

Mutta todisteet olivat painavia, epäilykselle ei ollut aihetta.

Etenkin kun 15. kesäkuuta kerrottiin toisesta LIGOn taivaalta nappaamasta signaalista (havainto tehtiin 26. joulukuuta 2015), oli läpimurto varsin selvä: tähtitieteilijät ovat saaneet käyttöönsä uuden välineen maailmankaikkeuden salaisuuksien selvittämiseen. Nyt myös avaruuden geometriassa eteneviä gravitaatioaaltoja voidaan havaita.

LIGO on ollut remontissa suuren osan viime vuotta, mutta tutkimus on mennyt eteepäin. Tutkijaryhmällä on vielä paljon mahdollisia havaintoja käymättä läpi.

Huoltotauko tarjosi myös New Scientist -lehden kuvausryhmälle hyvän mahdollisuuden käydä tekemässä tämän upean dokumenttiohjelman gravitaatioaalloista. Se kannattaa katsoa kokonaan, ja mielusti vielä uudelleenkin.

Lisätietoja löydöstä ja videosta on New Scientistin sivuilla.

Suuri kiitos ja kumarrus New Scientistille tämän videon tekemisestä ja julkisesta jakamisesta!

Avainsanat

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.

Supermassiiviset mustat tupla-aukot kertovat gravitaatioaalloista — ehkä…

Ma, 09/21/2015 - 22:19 Markus Hotakainen
Radiogalakseja

Kun kaksi suurta galaksia törmää toisiinsa, niiden keskellä olevat supermassiiviset mustat aukot päätyvät kiertämään toisiaan, kunnes nekin törmäävät ja yhdistyvät. Tutkijoiden mukaan tällaiset ilmiöt ovat voimakkaimpia gravitaatioaaltojen lähteitä.

Radioastronomit ovat tutkineet VLA-teleskoopilla tehtyjä havaintoja "X-kirjaimen muotoisista radiogalakseista". Omituisen muodon on arveltu johtuvan siitä, että mustien aukkojen kertymäkiekoista lähtevät hiukkassuihkut ovat muuttaneet suuntaa. Syynä suunnanmuutoksen olisi törmäys toisen galaksin kanssa. 

Tutkijoilla oli käytössään 100 kiinnostavan kohteen luettelo, josta he valitsivat 52 tarkempaa analyysia varten. Arkistohavaintojen avulla niistä pystyttiin muodostamaan aiempaa yksityiskohtaisemmat kuvat.

Uusien kuvien perusteella näyttää siltä, että tutkituista galakseista ainoastaan yhdessätoista on tapahtunut törmäys ja sulautuminen, joka on muuttanut hiukkassuihkujen suuntaa. Kaikissa muissa galakseissa suunnanmuutoksen taustalla on jokin toinen syy. 

Yllä olevassa kuvassa vasemmanpuoleisen galaksin J0702+5002 muoto ei ole syntynyt sulautumisen seurauksena, mutta oikeanpuoleisen galaksin J1043+3131 todennäköisesti on.

Tulosten perusteella on arvioitu, että alle 1,3 prosentissa radioalueella voimakkaasti säteilevistä galakseista on tapahtunut sulautuminen. Se on vain viidesosa aiemmin arvioidusta yleisyydestä.

"Aikaisempiin arvioihin verrattuna tämä voi merkittävästi vähentää X-kirjaimen muotoisissa radiogalakseissa syntyneen pitkäaaltoisen gravitaatiosäteilyn määrää", tutkimusryhmää johtanut David Roberts sanoo. 

"On hyvin tärkeää kytkeä gravitaatioaallot kohteisiin, jotka havaitsemme sähkömagneettisen säteilyn, esimerkiksi radioaaltojen, avulla. Siten pystymme lisäämään tietämystämme perusfysiikasta."

Gravitaatioaallot ovat Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamia, mutta niitä ei ole vieläkään onnistuttu havaitsemaan suoraan. Välilliset havainnotkin on kuitenkin arvioitu Nobelin arvoisiksi. Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät vuonna 1974 kaksoistähden, jossa pulsari kiertää tähteä. 

Vuosien mittaan niiden kiertoratojen todettiin kutistuvan suhteellisuusteorian mukaisesti, kun gravitaatioaaltojen oletettiin vievän järjestelmästä energiaa. Taylor ja Hulse saivat löydöstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1993.

Uudesta tutkimuksesta kerrottiin NRAO:n (National Radio Astronomy Observatory) uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal Supplements -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Roberts et al., NRAO/AUI/NSF