Mustat aukot kolaroivat – ja koko avaruus väreilee

Gravitaatioaaltojen havainnointi on äärimmäisen vaikeaa.
Tiede 16.7.2017 21:27

Voimakkaimmat gravitaatioaallot syntyvät mustien aukkojen törmäyksissä. Kuva tietokonesimulaatiosta. © Caltech / MIT / LIGO Lab

Musta aukko on massiivisen tähden jäänne. Nimensä mukaisesti se on musta, sillä edes valo ei pääse pakoon aukon valtaisaa vetovoimaa.

Kun kaksi mustaa aukkoa törmää, avaruus alkaa aaltoilla. Mustiin aukkoihin on pakkautunut useiden, jopa kymmenien Aurinkojen verran massaa, ja niiden sulautuessa yhteen vapautuu valtava määrä energiaa.

Se lähtee etenemään gravitaatioaaltoina: itse avaruus lainehtii. Mistään tsunamista ei kuitenkaan ole kyse, pikemminkin vähäisestä väreilystä.

Siksi gravitaatioaaltoja onnistuttiin ensimmäisen kerran havaitsemaan vasta syksyllä 2015.

Mistään uudesta keksinnöstä ei ole kyse. Albert Einsteinin kehittämä yleinen suhteellisuusteoria ennusti gravitaatioaaltojen esiintymisen jo yli sata vuotta sitten.

Teorian mukaan gravitaatioaaltoja syntyy aina kun jokin kappale on kiihtyvässä liikkeessä. Avaruuden rakenteessa etenevä aaltoilu on kuitenkin vähäistä eikä sitä onnistuttu yrityksistä huolimatta havaitsemaan.

Ainoastaan hyvin massiivisten kappaleiden, esimerkiksi neutronitähtien tai mustien aukkojen, kiertäessä lähellä toisiaan tai törmätessä yhteen, oli edes teoreettisesti mahdollista, että gravitaatioaallot olisivat riittävän voimakkaita kaikkein herkimpien instrumenttien rekisteröitäviksi.

Gravitaatioaaltoja arvellaan syntyneen myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheissa, nopeasti kiihtyneen laajenemisen eli inflaation aikana. Ne olisivat vielä paljon vaimeampia kuin tähden jäänteiden törmäyksistä kielivät aallot.

Toisaalta oli yhtä lailla mahdollista, että gravitaatioaaltoja ei olisi ollenkaan olemassa. Sitä olisi kuitenkin mahdoton todistaa, mutta yksi ainoa varma havainto riittäisi osoittamaan aallot todellisiksi.

Joseph Weber väitti havainneensa gravitaatioaaltoja jo 1960-luvun lopulla.

Joseph Weber väitti havainneensa gravitaatioaaltoja jo 1960-luvun lopulla.  © University of Maryland

 

Alan pioneeri oli yhdysvaltalainen Joseph Weber. Hän rakensi 1960-luvulla hieman öljytynnyriä suuremman sylinterin, jonka kylkeen kiinnitetyt mittalaitteet tarkkailivat sen värähtelyjä, mitättömän pieniä muodonmuutoksia.

Teorian mukaan sylinteriin osuvat gravitaatioaallot saisivat sen mitat muuttumaan. Hyvin vähän mutta silti havaittavissa määrin, jos mittaustarkkuus vain olisi riittävä.

Vuonna 1969 Weber ilmoitti muiden tutkijoiden yllätykseksi havainneensa gravitaatioaaltoja. Weberistä tuli hetkessä tieteen superjulkkis.

Ja melkein yhtä nopeasti hänestä tuli akateeminen hylkiö, joka tuntui olevan riidoissa kaikkien kanssa. Joissakin kokouksissa kiistely kärjistyi käsirysyn partaalle.

Samanlaisia sylintereitä rakennettiin useissa muissakin tutkimuslaitoksissa ympäri maailman, mutta niillä ei havaittu ensimmäistäkään gravitaatioaaltoa. Samaan aikaan Weberin sylinteri ”soi” yhtenään, parhaimmillaan jopa päivittäin.

Jos Weberin tiuhaan toistuvat havainnot olisivat todellisia, kaikki maailmankaikkeuden energia muuttuisi gravitaatioaalloiksi noin 50 miljoonassa vuodessa. Ja se olisi tapahtunut jo kauan sitten. Jossain täytyi olla virhe.

Havaintoaineistojen vertailu osoitti, että edes Weber ei ollut havainnut gravitaatioaaltoja. Hän oli tulkinnut mittauksiaan turhan toiveikkaasti ja ”nähnyt” haluamiaan tuloksia, vaikka kyse oli pelkästä kohinasta.

Weber piti sitkeästi kiinni tulkinnoistaan ja ajautui ankarien kiistojen saattelemana tieteen valtavirrasta puropahaseen, joka kuivui olemattomiin. Gravitaatioaaltojen olemassaolo oli edelleen pelkkää teoriaa.

 

Mutta ei pitkään. Vuonna 1974 Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät kaksi toisiaan kiertävää neutronitähteä, jättiläistähden jäännettä.

Havainnot osoittivat, että puolitoista kertaa Aurinkoa massiivisemmat, mutta läpimitaltaan vain hieman yli kymmenkilometriset kappaleet ovat keskimäärin alle kahden miljoonan kilometrin etäisyydellä toisistaan.

Yllätys oli, että ne lähestyvät kaiken aikaa toisiaan, noin 3,5 metriä vuodessa. Laskelmien mukaan neutronitähdet törmäisivät toisiinsa noin 300 miljoonan vuoden kuluttua.

Toistensa ympäri kieppuvien neutronitähtien muodostama järjestelmä menetti kiertoliikkeensä energiaa täsmälleen siihen tahtiin kuin oli oletettavissa, jos se synnyttää Einsteinin teorian ennustamia gravitaatioaaltoja.

Havaintoa pidettiin niin vakuuttavana todisteena aaltojen olemassaolosta, että Hulse ja Taylor saivat löydöstään Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1993.

Seuraavana vuonna alettiin rakentaa mittalaitetta, jolla gravitaatioaallot onnistuttiin lopulta havaitsemaan suoraan.

Peilit olisivat kilometrien päässä toisistaan.

Nobel-palkinnon ja rakennusprojektin ajallinen yhteys on silkkaa sattumaa. LIGO eli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory oli tuolloin kulkenut jo pitkän ja kivisen tien.

Samoihin aikoihin kun Weber teki mittauksiaan, hänen maanmiehensä Rainer Weiss oli alkanut kehitellä aparaattia, jossa kaukana toisistaan olevien peilien välistä etäisyyttä tarkkailtiin lasersäteiden avulla.

Kun Weberin instrumentti perustui sylinterin resonanssiin eli värähtelyyn tietyillä taajuuksilla, Weissin laite käytti hyväkseen valon interferenssiä. Kun kaksi lasersädettä yhdistetään, valon aaltoliike joko vahvistaa tai vaimentaa säteilyä riippuen siitä, ovatko säteet kulkeneet yhtä pitkän vai erimittaisen matkan.

Mitä pidempi peilien välinen etäisyys olisi, sitä herkempi havaintolaitteesta saataisiin. Weberin surullisten sylintereiden antamien negatiivisten tulosten perusteella herkkyyden pitäisi olla hyvin suuri.

Alkuun puolitoistametrisen ja myöhemmin 40-metrisen prototyypin pohjalta tutkijat kehittelivät konseptin, jossa peilit olisivat kilometrien päässä toisistaan.

Jos peilien etäisyyksissä tapahtuisi muutoksia, ne johtuisivat gravitaatioaalloista. Mikäli kaikki mahdolliset häiriötekijät olisi saatu eliminoitua.

Gravitaatioaaltojen etsijät Kip Thorne (vas.), Ronald Drever ja Rochus Vogt, joka johti LIGO-projektia 1986–1994.

Gravitaatioaaltojen etsijät Kip Thorne (vas.), Ronald Drever ja Rochus Vogt, joka johti LIGO-projektia 1986–1994.  © Caltech / MIT / LIGO Lab

 

Hyvin suunniteltu on kuitenkin vielä puoliksi tekemättä. Oli ilmiselvää, että moista instrumenttia ei rakennettaisi pikkurahalla.

Kaiken lisäksi tutkijoiden toiveissa oli kaksi identtistä kolossia. Vain sillä tavalla saataisiin varmistettua mahdollinen havainto todelliseksi.

Laitteiden olisi myös hyvä sijaita kaukana toisistaan, mielellään Pohjois-Amerikan mantereen eri laidoilla. Silloin saataisiin tietoa myös mahdollisten gravitaatioaaltojen saapumissuunnasta.

Hankkeen kanssa soudettiin ja huovattiin koko 1980-luvun ajan, kun kansallinen tiedesäätiö NSF (National Science Foundation) ja Yhdysvaltain kongressi komiteoineen setvivät projektin tieteellistä tolkullisuutta ja tolkutonta budjettia.

Kertaalleen alkurahoitus ehdittiin jo myöntää, mutta se peruttiin, kun projektille asetetut tekniset ja hallinnolliset vaatimukset eivät täyttyneet.

Tilannetta ei helpottanut se, että hankkeen johdossa oleva kolmikko – Weiss, Kip Thorne ja Ronald Drever – oli siunattu varsin persoonallisilla luonteenpiirteillä.

Etenkin Drever sai intuitiivisilla tutkimustavoillaan kollegansa, niin esimiehensä kuin alaisensakin, usein hermoromahduksen partaalle. Skottitutkija saattoi tulla tupsahtaa laboratorioon pää täynnä uusia, villejä ideoita, joiden toteuttaminen teki tyhjäksi edellisten päivien ja viikkojen ponnistelut.

Useiden henkilövaihdosten sekä tieteellisen ja poliittisen kädenväännön tuloksena projekti sai viimein rahoituksen. Lähes 400 miljoonan dollarin budjetilla kahdesta LIGO-observatoriosta tuli kansallisen tiedesäätiön kallein yksittäinen hanke.

Loppumetreillä ongelmia aiheutti jopa nimitys ”observatorio”. Epäilevästi hankkeeseen suhtautuvat tutkijat pohtivat, onko mielekästä rakentaa observatorio, jos edes havaintokohteesta ei ole varmuutta.

Toisaalta LIGO rinnastui tähtitieteellisiin observatorioihin, joiden budjetit olivat perinteisesti paljon pienempiä. Veisikö hypoteettinen hanke jatkossa niidenkin rahat?

Lasersäde suunnataan LIGOn kahteen toisiaan vastaan kohtisuoraan tyhjiöputkeen säteenjakajalla.

Lasersäde suunnataan LIGOn kahteen toisiaan vastaan kohtisuoraan tyhjiöputkeen säteenjakajalla.  © Caltech / MIT / LIGO Lab

 

Kun rakennustyöt viimein alkoivat – ensin vuonna 1994 Hanfordissa, Washingtonin osavaltiossa, ja seuraavana vuonna 3 000 kilometrin päässä Livingstonissa, Louisianassa – tuskin kukaan saattoi aavistaa, että ensimmäistä havaintoa gravitaatioaalloista jouduttaisiin odottamaan yli 20 vuotta.

Toisaalta tieteelliset, tekniset ja käytännölliset haasteet olivat melkoiset.

Kumpikin LIGO-observatorio rakentuu kahdesta toisiaan vastaan kohtisuorassa olevasta betonitunnelista. Niissä kulkevilla teräsputkilla on mittaa neljä kilometriä.

Jotta peilien väliä sahaavilla lasersäteillä olisi esteetön ja häiriötön kulku, putkissa on tyhjiö. Yhteensä noin 10 000 kuutiometrin tyhjä tila on toiseksi suurin maailmassa. Vain Euroopan ydintutkimuskeskus CERNin ympärysmitaltaan 27-kilometrisen LHC-kiihdyttimen tyhjiöputkella on enemmän tilavuutta.

Putkissa ei saa olla vähäisimpiäkään vuotoja. Tunneleista oli häädettävä hiiriä, käärmeitä ja myrkkyhämähäkkejä, kun niiden virtsan huomattiin syövyttävän ruostumattomasta teräksestä tehtyjä putkia.

LIGOn tyhjiöputkien päissä olevat peilit heijastavat 99,999 prosenttia niihin osuvasta valosta. Peilit on ripustettu vain tuplasti hiusta paksumpien lasikuitujen varaan niin, etteivät maankamaran tärinät saa niitä liikkumaan.

Kohtisuorissa tyhjiöputkissa kulkevat lasersäteet yhdistetään L-kirjaimen kulmauksessa. Jos peilien väliset etäisyydet ovat ennallaan ja yhtä suuret, säteet vahvistavat toisiaan. Jos niiden etäisyyksissä tapahtuu muutos, säteet vaimentavat toisiaan.

Kuulostaa periaatteessa yksinkertaiselta, mutta tarkkuusvaatimus on tuhannesosa protonin eli vetyatomin ytimen läpimitasta. Metreinä se on noin 0,000000000000000001.

Livingstonissa Louisianassa sijaitseva LIGO-observatorio.

Livingstonissa Louisianassa sijaitseva LIGO-observatorio. © Caltech / MIT / LIGO Lab

 

LIGOn ensimmäisen vaiheen tutkimusjaksoilla gravitaatioaaltoja ei onnistuttu havaitsemaan, mutta kun herkkyys saatiin syksyllä 2015 kasvatettua uusilla ilmaisimilla kymmenkertaiseksi, tärppäsi melkein heti.

11. helmikuuta 2016 LIGO-observatorioiden johtaja David Reitze pääsi aloittamaan pitkään ja hartaasti odotetun tiedotustilaisuuden.

”Hyvät naiset ja herrat! Olemme havainneet gravitaatioaaltoja.”

Reitze ei pitänyt jännitystä yllä yhtään pidempään kuin oli tarvis: vuosikymmenten metsästys oli vihdoin tuottanut saaliin.

14. syyskuuta 2015 kello 11.51 Suomen aikaa havaittu gravitaatioaalto kertoi kahden mustan aukon, joiden massat olivat 36 ja 29 Auringon massaa, iskeytyneen yhteen. Niillä oli hetki ennen törmäystä vauhtia lähes puolet valon nopeudesta eli noin 150 000 kilometriä sekunnissa, pyöreästi 540 miljoonaa kilometriä tunnissa.

Sillä nopeudella matka Maasta Plutoon taittuisi noin kymmenessä tunnissa. Kosmisessa kolarissa muuttui sekunnin murto-osassa noin kolmen Auringon massan verran energiaa gravitaatioaalloiksi. Tosin siitä on aikaa jo yli miljardi vuotta, sillä törmänneiden aukkojen etäisyydeksi määritettiin 1,3 miljardia valovuotta.

Gravitaatioaaltojen lähteen tarkkaa sijaintia taivaalla ei LIGOlla pystytä määrittämään, mutta signaalien aikaerosta saadaan karkea suunta. Livingstonissa havainto tehtiin seitsemän millisekuntia Hanfordia aikaisemmin, millä perusteella kohteen todettiin olevan eteläisellä tähtitaivaalla.

LIGOlla tehty ensihavainto gravitaatioaalloista vei lopullisesti pohjan Joseph Weberin mittaustuloksilta. Avaruuden väreiden rekisteröintiin vaadittiin kilometrien kokoluokkaa olevat instrumentit, kun Weberin sylinterillä oli pituutta vain pari metriä.

Toki havaintolaitteet ovat rakenteeltaan ja toimintaperiaatteiltaan erilaiset, mutta siitä huolimatta Weberillä ei ollut edes teoreettisia mahdollisuuksia tehdä ”vuosisadan löytöä”.

”Löytö on uuden aikakauden alku.”

Helmikuisessa tiedotustilaisuudessa LIGO-tutkimusorganisaation edustaja Gabriela González totesi: ”Löytö on uuden aikakauden alku: gravitaatioaaltoastronomia on nyt todellisuutta.”

Hän oli oikeassa.

Joulukuussa 2015 tehtiin toinen havainto gravitaatioaallosta, joka oli syntynyt kahden hieman pienemmän mustan aukon törmäyksessä. Massaltaan aukot olivat 14- ja seitsenkertaisia Aurinkoon verrattuna.

Kolmatta havaintoa tutkijat joutuivat odottelemaan reilun vuoden. Kolmas mustien aukkojen törmäys bongattiin tammikuussa 2017 ja havainto julkistettiin kesäkuun alussa. Tällä kertaa aukot olivat massoiltaan 31 ja 19 kertaa Aurinkoa suurempia.

Tähän saakka mustista aukoista on saatu tietoa ainoastaan epäsuorasti, niiden lähistölle joutuneen ja aukkoon syöksyvän aineen lähettämän säteilyn perusteella. Gravitaatioaallot kertovat suoraan mustista aukoista ja olosuhteista niiden valtaisassa vetovoimassa.

Näkymätön on muuttunut – ainakin osittain – näkyväksi. 

Gravitaatioaaltojen lähde on kapean sektorin sisällä.

Gravitaatioaaltojen lähde on kapean sektorin sisällä.  © Caltech / MIT / LIGO Lab