Gravitaatioaallot — mitä ne ovat, miten syntyvät ja miten havaitaan

Gravitaatioaallot ovat avaruusajan aaltoilua, joka syntyy, kun massan omaavat kappaleet liikkuvat. Albert Einstein ennusti ne vuonna 1916 yleisen suhteellisuusteoriansa perusteella. Ne havaittiin ensimmäisen kerran suoraan 14. syyskuuta 2015.

Jotta gravitaatioaallot olisivat tarpeeksi voimakkaita havaittaviksi, jonkin hyvin massiivisen kappaleen on kiihtyvä hyvin nopeasti. Havaittavien gravitaatioaaltojen lähteitä ovat muun muassa valkoisista kääpiöistä, neutronitähdistä tai mustista aukoista koostuvat kaksoistähtijärjestelmät.

Mitä gravitaatioaallot ovat käytännössä?

Gravitaatioaallot ovat pieniä värähtelyjä avaruuden ja ajan geometriassa, jotka etenevät valon nopeudella. Ne eivät kuljeta ainetta kuten vesi-aallot, vaan muuttavat etäisyyksiä kahden pisteen välillä hyvin pienesti: etäisyydet venyvät ja lyhenevät vuorotellen, kun aalto kulkee ohi. Tyypillinen havaittava efekti on äärimmäisen pieni suhteellinen muutos pituudessa, niin kutsuttu venymä (strain), jonka suuruusluokka havaintolaitteilla on usein noin 10⁻²¹ tai pienempi.

Miten gravitaatioaallot syntyvät?

Gravitaatioaallot syntyvät, kun massajakauman epäsymmetriset kiihtyvyydet muuttuvat ajan funktiona. Tällaisia tilanteita esiintyy erityisesti:

Kaksoiskohteiden liike: kaksi mustaa aukkoa tai kaksi neutronitähteä kiertävät toisiaan ja lopulta sulautuvat; tämä on yleisin suoraan havaittu lähde.
Supernovaräjähdykset: tähti räjähtää ja sen sisäinen massa muuttuu nopeasti epämuodostuneeksi.
Pulsarien vuorovaikutukset ja äkilliset törmäykset: esimerkiksi valkoiset kääpiöt voivat tuottaa aaltoja sulautuessaan.
Varhaisen maailmankaikkeuden vaikutukset: kosmologinen taustahäly ja primordiaaliset aallot, jotka kertoisivat inflatsioon kaltaisista prosesseista.

Kun kaksi massiivista kohdetta lähestyy toisiaan, niiden kiertoaikojen taajuus ja aaltoteho kasvavat — erotellaan tyypillisesti inspiral (lähentyminen), merger (sulauma) ja ringdown (jälkivärähtely). Näitä vaiheita voidaan mallintaa suhteellisuusteorian yhtälöistä ja numeerisista simulaatioista.

Miten gravitaatioaallot havaitaan?

Suoran havainnan perinteisin tapa on laserinterferometrinen mittaus, jota käyttävät suurissa havaitsemisessa toimivat observatoriot kuten LIGO (Yhdysvalloissa), Virgo (Euroopassa) ja KAGRA (Japanissa). Perusperiaate:

Laserin säde jaetaan kahteen kohtisuoraan haaraan, jotka heijastuvat kaukana sijaitsevista peileistä takaisin. Gravitaatioaalto muuttaa näiden haarojen pituuksia eri tavoin, jolloin interferenssikuvio muuttuu.
Muuttuneet interferenssirakenteet mitataan ja analysoidaan hyvin herkällä fotodetektorilla.

Näissä instrumenteissa käytetään kilometrejä pitkää vaakatasoista kymmenien metrien sijaan, erittäin tarkasti eristettäviä peilejä ja edistyksellisiä tekniikoita, jotta voidaan suodattaa pois tärinä-, lämpö- ja valomereen liittyvä kohina. Gravitaatioaaltojen aiheuttamat pituusmuutokset ovat tyypillisesti pienempiä kuin protonin halkaisija suhteessa instrumentin pituuteen.

Muita havaintomenetelmiä ja tulevaisuus

Pulsar-timing -menetelmät: erittäin tarkkojen pulsareiden signaalien ajoituksessa voidaan havaita matalataajuisia gravitaatioaaltoja, jotka vaikuttavat pulsareilta saapuvien pulssien ajoitukseen.
Avaruudessa toimiva interferometria: tuleva LISA-missio (Laser Interferometer Space Antenna) mittaa matalampia taajuuksia käyttämällä miljoonien kilometrien mittaisia väljästi muodostettuja "haaroja".
Stokastinen tausta: monien heikkojen lähteiden yhteisvaikutus synnyttää taustasignaalin, jonka havaitseminen kertoo koko taivaan historian tapahtumista.

Miksi gravitaatioaaltojen havaitseminen on tärkeää?

Uusi ikkuna maailmankaikkeuteen: gravitaatioaallot paljastavat tapahtumia, jotka eivät välttämättä näy valossa tai muussa sähkömagneettisessa säteilyssä.
Testi suhteellisuusteorialle: aaltojen muoto, taajuuskehitys ja polarisaatio antavat tarkkoja testejä Einsteinin ennusteille.
Moniviestinen astronomia: yhdistetyt gravitaatio- ja sähkömagneettiset havainnot (esim. neutronitähden sulautuminen GW170817) ovat antaneet tietoa raskaiden alkuaineiden synteesistä, gamma-ray-purskeiden synnystä ja kosmologisista etäisyyksistä.
Kosmologiset mittaukset: gravitaatioaallot voivat auttaa määrittämään maailmankaikkeuden laajenemiskertoimen H0 ja paljastaa varhaisen universumin tilaa.

Lyhyt historiallinen yhteenveto

Einstein ennusti gravitaatioaallot teoreettisesti 1916. Indirektiivistä todistetta niiden olemassaolosta saatiin 1970-luvulla, kun kaksinkertainen pulsari Hulse–Taylor osoitti kiertoaikansa himmenemisen vastaavan energianmenetystä gravitaatioaaltoina. Ensimmäinen suora havainto tehtiin 14. syyskuuta 2015, kun LIGO havaitsi GW150914-signaalin, joka oli peräisin kahden mustan aukon sulautumisesta.

Mitä haasteita havaintoihin liittyy?

Havaintotyö on teknisesti erittäin haastavaa: laitteet on suojattava tärinältä, lämpöliikkeeltä ja valokvanttimuutoksilta. Lisäksi signaalit ovat usein heikkoja ja vaativat edistyneen signaalinkäsittelyn, kuten odotettuihin signaalimuotoihin perustuvaa matchausta (matched filtering), jotta todelliset tapahtumat erotetaan kohinasta.

Gravitaatioaaltojen tutkimus on nopeasti kehittyvä ala, joka yhdistää havainnollisen teknologian, numeerisen relativiteetin ja teoreettisen kosmologian. Se tarjoaa jatkuvasti uutta tietoa mustista aukoista, neutronitähdistä ja koko maailmankaikkeuden historiasta.

Neutronitähden törmäyksen jälkihehku NGC 4993:ssa

Gravitaatio ja suhteellisuusteoria

Fysiikassa gravitaatioaallot ovat avaruusajan kaarevuuden aaltoja, jotka etenevät lähteestä ulospäin. Albert Einstein ennusti ne vuonna 1916 yleisen suhteellisuusteoriansa perusteella. Teoriassa gravitaatioaallot kuljettavat energiaa gravitaatiosäteilynä.

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaallot eivät voi kulkea valonnopeutta nopeammin. Niitä ei ole olemassa Newtonin gravitaatioteoriassa, jossa fysikaaliset vuorovaikutukset etenevät äärettömällä nopeudella. Gravitaatioaaltojen havaitseminen todistaa kuitenkin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian viimeisen ennusteen.

Vuonna 1993 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Hulse-Taylorin kaksoistähtijärjestelmän mittauksista, jotka osoittavat, että gravitaatioaallot ovat muutakin kuin matemaattisia poikkeamia.

Neutronitähtien törmäys

Gravitaatioaaltoja on havaittu kahden neutronitähden törmäyksestä ja sulautumisesta. Ensimmäisen havainnon teki 17. elokuuta 2017 ryhmä Pasadenassa, Kaliforniassa.

Hanketta johtaa Caltechin LIGO-laboratorio. Ilmaisin sijaitsee valtavassa Livingstonin metsässä Louisianassa. Ilmaisin on kaksi kahden ja puolen mailin (~4 km) pituista täysin suoraa putkilinjaa, jotka ovat suorassa kulmassa. Kummankin putken sisällä on laser, joka mittaa kaikki pituuden muutokset. Kun gravitaatioaaltotapahtuma havaittiin, teleskoopit etsivät visuaalisia kuvia sen aiheuttajasta. Chilessä sijaitseva VISTA-teleskooppi sai kuvan.

Yhdistyminen tapahtui NGC 4993 -nimisessä galaksissa. Se sijaitsee noin 40 megaparsekin eli 130 megavalovuoden päässä Hydran tähdistön suunnassa. Vertailun vuoksi mainittakoon, että läheinen Andromedan galaksi on vain 2,5 miljoonan valovuoden päässä Maasta.

"Se tapahtui 130 miljoonaa vuotta sitten - kun dinosaurukset vaelsivat maapallolla. Se oli niin kaukana, että valo ja gravitaatioaallot ovat vasta nyt saavuttaneet meidät".

Tällaiset tapahtumat sekä supernovat ovat raskaampien alkuaineiden, kuten kullan ja platinan, lähteitä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä ovat gravitaatioaallot?

V: Gravitaatioaallot ovat aaltoja avaruusaikaan, jotka syntyvät massan omaavien kappaleiden liikkeistä.

K: Kuka ennusti gravitaatioaaltojen olemassaolon?

V: Albert Einstein ennusti gravitaatioaaltojen olemassaolon vuonna 1916 yleisen suhteellisuusteoriansa perusteella.

K: Milloin gravitaatioaallot havaittiin ensimmäisen kerran suoraan?

V: Gravitaatioaallot havaittiin ensimmäisen kerran suoraan 14. syyskuuta 2015.

K: Mitä vaaditaan, jotta gravitaatioaallot olisivat tarpeeksi voimakkaita havaittaviksi?

V: Jonkin hyvin massiivisen kappaleen on kiihtyvä hyvin nopeasti, jotta gravitaatioaallot olisivat tarpeeksi voimakkaita havaittaviksi.

K: Mitkä ovat havaittavien gravitaatioaaltojen lähteitä?

V: Valkoisista kääpiöistä, neutronitähdistä tai mustista aukoista koostuvat kaksoistähtijärjestelmät ovat havaittavien gravitaatioaaltojen lähteitä.

K: Voidaanko gravitaatioaaltoja havaita näkyvän valon teleskoopeilla?

V: Ei, gravitaatioaaltoja ei voida havaita näkyvän valon teleskoopeilla. Ne vaativat erityyppisiä ilmaisimia ja laitteita.

K: Miksi gravitaatioaaltojen havaitseminen on merkittävää?

V: Gravitaatioaaltojen havaitseminen antaa todisteita yleisen suhteellisuusteorian tueksi ja on avannut uuden tähtitieteen alan, jonka avulla voimme ymmärtää paremmin maailmankaikkeutta ja sen alkuperää.