LISA Pathfinder

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

Liisa-satelliitti lähti painovoima-aaltojen ihmemaahan

To, 12/03/2015 - 10:06 Jari Mäkinen
LISA Pathfinder avaruudessa

Aikaisin aamulla klo 6:04 Suomen aikaa Vega-kantoraketti jyrisi matkaan Kouroun avaruuskeskuksesta ja kuljetti pienen Lisa Pathfinder -satelliitin avaruuteen.

Sen laukaisu sattuu sopivasti Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian satavuotisjuhlan aikaan, sillä kyseessä on teorian kuvaamia painovoima-aaltoja tutkiva laite.

Einsteinin mukaan painovoima saa aikaan avaruuden geometrian kaareutumista, ja samaan tapaan tässä avaruuden geometriassa voisi olla aaltoja. Erittäin suurienergiset tapahtumat ja hyvin massiiviset kappaleet voisivat synnyttää tällaisia aaltoja, jotka olisivat vähän kuin laineita veden pinnalla sen jälkeen, kun vaikkapa kivi on pudonnut veteen.

Näitä painovoima-aaltoja on etsitty jo pitkään, mutta niiden havaitseminen on vaikeaa. Suurin ongelma on se, että esimerkiksi kahden toisiaan kiertävän mustan aukon synnyttämät aallot saisivat aikaan sen, että miljoona kilometriä pitkän mitan pituus muuttuisi vain alle yhden ainoan atomin koon verran.

Tällaisen havaitseminen on hyvin hankalaa – mutta jos tässä onnistuttaisiin, avaisi se aivan uuden, kiinnostavan ikkunan maailmankaikkeuden tapahtumiin, sekä vahvistaisi edelleen ymmärrystämme fysiikan perustasta.

Pikku-Liisa ennen LISAa

Paras paikka havaita painovoima-aaltoja on avaruus, koska vain siellä voidaan saada aikaan helposti pitkiä mittaussuoria. 

Miljoona kilometriä pitkän mittanauhan sijaan ajatuksena on mitata kaukana toisistaan olevien satelliittien välisen etäisyyden muuttumista laserin avulla.

LISA, eli Laser Interferometer Space Antenna, on Euroopan avaruusjärjestön suunnitelma, missä on itse asiassa kolme satelliittia, jotka mittaisivat jatkuvasti välimatkoja keskenään ja voisivat havaita pienetkin muutokset siinä.

Niiden vaatima tekniikka osoittautui kuitenkin niin vaativaksi (ja kalliiksi), että ESA päätti tehdä periaatetta testaavan pienemmän luotaimen, tiennäyttäjän. Nimeksi tuli siksi LISA Pathfinder.

Sen 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.

Täydellisen painottomuuden aikaansaaminen on itse asiassa lennon eräs olennaisimpia temppuja, sillä esimerkiksi Maata kiertävällä avaruusasemalla oleva painottomuus on mikropainovoimaa. Suuri asema itsessään vetää kappaleita puoleensa ja Maata kiertävissä satelliiteissa on kiertoradan pienistä muutoksista johtuvia häiriöitä painottomuudessa. 

Niinpä LISA Pathfinder ohjataan 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta ns. Lagrangen pisteeseen 1 (missä yleistäen sanottuna Maan ja Auringon vetovoimat kumoavat toisensa). Tarkalleen ottaen pikkualus tulee kiertämään L1:n ympärillä soikealla, 500 000 km x 800 000 km olevalla radalla.

Sielläkin “Liisan” painovoiman täydellisyydestä täytyy pitää koko ajan keinotekoisesti huolta: sen tarkat kiihtyvyysmittarit seuraavat koko ajan tilannetta ja käyttävät pieniä ohjausrakettimoottoreita noin 10 kertaa sekunnissa, jotta kuutiot pysyvät tarkasti oikeilla paikoillaan ja vain avaruuden geometriassa tapahtuvat muutokset heiluttavat niitä.

Matka L1:n ympärille kestää noin 10 viikkoa. Ensin kahden viikon kuluessa rataa nostetaan vähitellen korkeammaksi viidellä ohjausrakettien poltolla ja kuudennella aloitetaan matka 1,5 miljoonan kilometrin päähän. 

Perillä Liisa on helmikuun puolivälissä ja tarkistusten sekä säätöjen jälkeen se aloittaa varsinaisen mittaamisen maaliskuun alussa. Tämänhetkisen suunnitelman mukaan mittauksia tehdään puolen vuoden ajan, mutta mikäli painovoima-aaltoja löydetään ja luotaimen ohjausrakettien polttoainetta riittää, jatkunee toiminta senkin jälkeen.

Laukaisu oli merkittävä myös siksi, että se oli ESAn uuden kevyen  Vega-kantoraketin kuudes lento. Samalla se oli viimeinen ns. koelento, joten tästä eteenpäin raketin operoinnista ja sen laukaisujen myynnistä vastaa Arianespace-yhtiö.

Alkuperäinen LISA

Kuva: Alkuperäinen LISA-suunnitelma koostui kolmesta satelliitista, joiden välisiä etäisyyksiä mitattiin tarkasti laserin avulla. Voi olla, että lopullinen LISA tulee olemaan erilainen.