Ensimmäisen suoran gravitaatioaaltojen havaitsemisen odotetaan tulevan Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) -tutkijoiden toimesta 11. helmikuuta. Käyttämällä kahta jättiläistä LIGO-ilmaisinta - yhtä Livingstonissa, Louisianassa ja toista Hanfordissa, Washingtonissa - tutkijat mittasivat aallon aikana tapahtuvia väreilyjä, jotka syntyvät kahden mustan aukon törmäyksessä, ja näyttää siltä, että he ovat lopulta löytäneet etsimänsä.
Tällainen lausunto vahvistaisi Albert Einsteinin ennustaman painovoima-aallon, jonka hän teki osaksi suhteellisuusteoriaansa 100 vuotta sitten, mutta seuraukset eivät lopu siihen. Aika-ajan kankaan värähtelynä gravitaatioaaltoja verrataan usein ääneen, muunnetaan jopa ääniraidoiksi. Gravitaatioaallon kaukoputket mahdollistaisivat tutkijoiden "kuulla" ilmiöt samalla tavalla kuin valoteleskoopit "näkevät" ne.
Kun LIGO kilpaili Yhdysvaltojen hallituksen rahoituksesta 1990-luvun alkupuolella, tähtitieteilijät olivat sen pääkilpailijoita kongressin kuulemistilaisuuksissa. "Tuolloin ajateltiin, että LIGOlla ei ollut mitään tekemistä tähtitieteen kanssa", sanoo Clifford Will, yleinen relatiivisuusteoreetikko Floridan yliopistossa Gainesvillessä ja yksi LIGOn varhaisista puolustajista. Mutta paljon on muuttunut siitä lähtien.
Tervetuloa painovoima-astronomian kenttään. Katsotaanpa niitä asioita ja ilmiöitä, jotka hän voisi paljastaa.
Onko mustia aukkoja todella olemassa?
LIGO-ilmoituksesta odotettavissa oleva signaali on saattanut tuottaa kaksi yhdistävää mustaa reikää. Tämän kaltaiset tapahtumat ovat tunnetuimpia; niiden lähettämien gravitaatioaaltojen voima voi hetkellisesti häivyttää kaikki havaitun universumin tähdet kokonaan. Yhdistäviä mustia aukkoja on myös melko helppo tulkita erittäin puhtaista painovoima-aalloista.
Mainosvideo:
LIGO-ilmoituksesta odotettavissa oleva signaali on saattanut tuottaa kaksi yhdistävää mustaa reikää. Tämän kaltaiset tapahtumat ovat tunnetuimpia; niiden lähettämien gravitaatioaaltojen voima voi hetkellisesti häivyttää kaikki havaitun universumin tähdet kokonaan. Yhdistäviä mustia aukkoja on myös melko helppo tulkita erittäin puhtaista painovoima-aalloista.
Mustien reikien yhdistäminen tapahtuu, kun kaksi mustaa reikää kiertyvät toistensa ympäri ja lähettävät energiaa painovoima-aaltojen muodossa. Näillä aalloilla on ominainen ääni (äänimerkki), jota voidaan käyttää näiden kahden esineen massan mittaamiseen. Sen jälkeen mustat aukot sulautuvat yleensä.
”Kuvittele kaksi saippuakuplia, jotka tulevat tarpeeksi lähelle muodostamaan yksi kupla. Suurempi kupla on muodoltaan epämuodostunut”, sanoo Pariisin lähellä sijaitsevan korkean tieteellisen tutkimuksen instituutin gravitaatioteoreetikko Tybalt Damour. Viimeinen musta reikä on täysin pallomainen, mutta sen on ensin emittoitava ennustettavan tyyppisiä gravitaatioaaltoja.
Yksi tärkeimmistä mustien reikien sulautumisten löytämisen tieteellisistä vaikutuksista on vahvistus mustien reikien olemassaolosta - ainakin täydellisesti pyöreät esineet, jotka koostuvat puhtaasta, tyhjästä, kaarevasta avaruusajasta, kuten yleinen suhteellisuusteoria ennustaa. Toinen seuraus on, että sulautuminen etenee kuten tutkijat ennustivat. Astronomeilla on paljon epäsuoraa vahvistusta tästä ilmiöstä, mutta toistaiseksi nämä ovat olleet tähtihavaintojen ja ylikuumennetun kaasun havaintoja mustien reikien kiertoradalla, eivät itse mustien reikien.
”Tiedeyhteisö, mukaan lukien minä, ei pidä mustista reikistä. Pidämme heitä itsestäänselvyytenä”, sanoo Frans Pretorius, erikoissuhteellisuussimulaatioiden asiantuntija Princetonin yliopistossa New Jerseyssä. "Mutta jos mietit, mikä hämmästyttävä ennuste tämä on, tarvitsemme todella uskomattomia todisteita."
Liukuvatko painovoimaallot valon nopeudella?
Kun tutkijat alkavat verrata LIGO-havaintoja muiden kaukoputkien havaintoihin, he tarkistavat ensin, saako signaali samaan aikaan. Fyysikot uskovat, että gravitaatiohiukkaset, fotonien gravitaatioanalogi, välittävät painovoiman. Jos näillä hiukkasilla, kuten fotoneilla, ei ole massaa, niin painovoima-aallot liikkuvat valon nopeudella yhdenmukaisesti painovoima-aaltojen nopeuden ennusteen kanssa klassisessa suhteellisuudessa. (Universumin kiihtyvä laajeneminen voi vaikuttaa niiden nopeuteen, mutta tämän tulisi ilmetä etäisyyksiltä, jotka ylittävät huomattavasti LIGOn kattamat etäisyydet).
On kuitenkin täysin mahdollista, että gravitoneilla on pieni massa, mikä tarkoittaa, että painovoima-aallot liikkuvat pienemmällä nopeudella kuin valo. Joten esimerkiksi jos LIGO ja Neitsyt havaitsevat gravitaatioaallot ja saavat selville, että aallot saapuivat maan päälle myöhemmin kuin liittyy gammasäteiden kosmiseen tapahtumaan, tällä voi olla kohtalokkaita seurauksia perustavanlaatuiselle fysiikalle.
Onko avaruuden aika tehty kosmisista jousista?
Vieläkin outo löytö voi tapahtua, jos havaitaan "kosmisista johdoista" lähteviä gravitaatioaaltojen purskeita. Näiden hypoteettisten avaruus-aika-kaarevuusvikojen, jotka saattavat liittyä tai olla liittymättä jousiteoriaihin, tulisi olla äärettömän ohut, mutta venytetty kosmisen etäisyyden yli. Tutkijat ennustavat, että kosmiset jouset, jos niitä on, voivat taipua vahingossa; jos merkkijono taipuu, se aiheuttaa painovoiman nousun, jonka LIGO: n tai Neitsyt kaltaiset ilmaisimet voisivat mitata.
Voivatko neutronitähdet olla sakkoja?
Neutronitähdet ovat suurten tähteiden jäännöksiä, jotka romahtivat oman painonsa alla ja tulivat niin tiheiksi, että elektronit ja protonit alkoivat sulaa neutroneiksi. Tutkijoilla on vain vähän ymmärrystä neutronireikien fysiikasta, mutta gravitaatioaallot voisivat kertoa niistä paljon. Esimerkiksi niiden pinnalla oleva voimakas painovoima saa neutronitähtiä melkein täysin pallomaisiksi. Mutta jotkut tutkijat ovat ehdottaneet, että heillä voi olla myös “muutaman millimetrin korkeita” vuoria, jotka tekevät näistä tiheistä esineistä, joiden halkaisija on 10 km, enempää, hieman epäsymmetrisiä. Neutronitähteillä on taipumus pyöriä erittäin nopeasti, joten epäsymmetrinen massajakauma vääristää avaruusaikaa ja tuottaa jatkuvan sinimuotoisen painovoima-signaalin, hidastaen tähden pyörimistä ja säteilevää energiaa.
Parit neutronitähtiä, jotka pyörivät toistensa ympärillä, tuottavat myös vakion signaalin. Kuten mustat aukot, nämä tähdet kiertyvät ja lopulta sulautuvat erottuvaan ääneen. Mutta sen spesifisyys eroaa mustien reikien äänen spesifisyydestä.
Miksi tähdet räjähtää?
Mustat reiät ja neutronitähdet muodostuvat, kun massiiviset tähdet lakkaavat loistamasta ja romahtavat itseensä. Astrofysiikien mielestä tämä prosessi on kaiken tyyppisten tyypin II supernoova-räjähdysten ytimessä. Tällaisten supernovien simulaatiot eivät ole vielä osoittaneet miksi ne syttyvät, mutta todellisen supernovan lähettämien painovoima-aaltopurskeiden kuuntelun uskotaan tarjoavan vastauksen. Riippuen siitä, miltä purskeaallot näyttävät, kuinka kovat ne ovat, kuinka usein ne esiintyvät ja kuinka ne korreloivat sähkömagneettisten kaukoputkien seuraamien supernoovien kanssa, nämä tiedot voivat auttaa sulkemaan pois joukon olemassa olevia malleja.
Kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee?
Universumin laajentuminen tarkoittaa, että galaksistamme poispäin siirtyvät kaukana olevat esineet näyttävät punaisemmilta kuin todellisuudessa ovat, koska niiden lähettämä valo venyy liikkuessaan. Kosmologit arvioivat maailmankaikkeuden laajentumisnopeuden vertaamalla galaksien punasiirtymää siihen, kuinka kaukana ne ovat meistä. Mutta tämä etäisyys arvioidaan yleensä tyypin Ia supernoovien kirkkaudesta, ja tämä tekniikka jättää paljon epävarmuustekijöitä.
Jos useat gravitaatioaaltoilmaisimet ympäri maailmaa havaitsevat signaalit samojen neutronitähteiden sulautumisesta, voivat ne yhdessä aivan oikein arvioida signaalin äänenvoimakkuuden sekä etäisyyden, jossa sulautuminen tapahtui. Hän osaa myös arvioida suunnan ja identifioida sen kanssa galaksin, jossa tapahtuma tapahtui. Vertaamalla tämän galaksin punasiirtymää etäisyyteen yhdistyviin tähtiin voidaan saada riippumaton kosmisen laajenemisnopeus, mahdollisesti tarkempi kuin nykyiset menetelmät sallivat.