Gravitaatioaallot tuovat terveisiä maailmankaikkeuden lapsuudesta

Tutkijat suunnittelevat jättiläislaitteita, joilla pyydystetäänpa avaruudessa miljardeja vuosia velloneita gravitaatioaaltoja. Erityisesti tutkijoita kiinnostavat vanhimmat gravitaatioaallot, jotka lähtivät matkaan jo ennen kuin ensimmäiset tähdet syttyivät.

Tutkijat suunnittelevat jättiläislaitteita, joilla pyydystetäänpa avaruudessa miljardeja vuosia velloneita gravitaatioaaltoja. Erityisesti tutkijoita kiinnostavat vanhimmat gravitaatioaallot, jotka lähtivät matkaan jo ennen kuin ensimmäiset tähdet syttyivät.

Claus Lunau

Tähtitiede sai uuden suunnan, kun Galileo Galilei katsoi 7. tammikuuta 1610 kaukoputkellaan Jupiteria ja havaitsi sen kolme suurinta kuuta. Hänen havaintonsa oli mullistava sikälikin, että hänen työvälineensä oli nykysilmin tarkasteltuna käsittämättömän alkeellinen. Ero nykyaikaisten observatorioiden laitteisiin on kosmisen suuri. Niillä on kartoitettu koko näkyvä maailmankaikkeus, galaksien kehitys ja ensimmäisten tähtien synty.

Nyt tähtitiede on taas historiallisessa käännekohdassa. Ensimmäistä kertaa tutkijoilla on käytössään tekniikkaa, jolla voidaan tutkia maailmankaikkeuden pimeää puolta.

Tutkimuskohteena ovat niin sanotut gravitaatioaallot. Niitä syntyy, kun suuret, tiiviit massat, kuten mustat aukot ja neutronitähdet, törmäävät toisiinsa tai kieppuvat toistensa ympäri. Gravitaatioaallot kulkevät läpi avaruuden ja panevat maailmankaikkeuden keinumaan.

Ensimmäisen kerran gravitaatioaaltoja havaittiin vuonna 2015. Silloin ne osuivat kahteen ilmaisimeen Yhdysvalloissa. Aallot olivat lähtöisin kahden mustan aukon yhteen sulautumisesta Linnunradan läheisessä galaksissa.

Uusilla ilmaisimilla etsitään tietoa avaruuden pimeästä aineesta ja energiasta.

Gravitaatioaaltojen havaitseminen oli jymyuutinen ja iso saavutus yhdysvaltalaistutkijoiden ilmaisimille. Nykysilmin tarkasteltuna ilmaisimet ovat kuitenkin lähes yhtä alkeellisia kuin Galileon kaukoputki. Rakenteilla olevat uudet ilmaisimet ovat paljon herkempiä, ja ne pystyvät havainnoimaan paljon kaukaisempia ja vanhempia tapahtumia kuin vielä alle kymmenen vuotta sitten.

Uusilla ilmaisimilla aiotaan tutkia maailmankaikkeuden synkkää lapsuutta eli aikaa, jolloin ensimmäiset tähdet eivät olleet vielä syttyneet. Samalla niiden toivotaan valottavan kahta maailmankaikkeuden kehitystä ohjaavaa ilmiötä: pimeää ainetta ja pimeää energiaa. Pimeä aine on näkymätön aine, joka painovoimallaan pitää galaksien tavallisen aineen koossa. Pimeä energia puolestaan saa maailmankaikkeuden laajentumaan kiihtyvällä nopeudella.

Mustat aukot hytkyttävät Maata

Pimeän aineen ja energian jäljille yritetään päästä tutkimalla gravitaatioaaltoja, jotka lähtivät liikkeelle, kun mustat aukot törmäilivät maailmankaikkeuden lapsuudessa.

Mustat aukot

Kun kaksi mustaa aukkoa kiertää toisiaan ja lopulta sulautuu yhteen, ne lähettävät gravitaatioaaltoja, jotka vyöryvät avaruuden halki ja vääristävät sitä.

© Mark Garlick/Getty Images

Kun mustien aukkojen törmäyksissä syntyneet gravitaatioaallot kulkevat maapallon läpi, ne saavat Maan laajenemaan ja supistumaan tietyssä tahdissa. Liike on niin pientä, että sen havaitsemiseksi ilmaisimien on pystyttävä rekisteröimään nanometrin sadastuhannesosan suuruisia poikkeamia.

Gravitaatioaaltoilmaisin eli interferometri on L-kirjaimen muotoinen laite, jonka sakaroiden pituus on 3–4 kilometriä. Kunkin sakaran päässä on peili, johon lähetetään laservaloa sakaroiden alkupisteestä. Peilistä lasersäde heijastuu takaisin alkupisteeseen, missä lasersäteet kohtaavat.

Normaalisti lasersäteiden kohtaaminen tuottaa niin sanotun destruktiivisen interferenssin, jolloin säteet kumoavat toisensa eikä valonilmaisimeen tule valoa. Jos laitteen läpi kulkee gravitaatioaalto, se kutistaa tai venyttää sakaroita, jolloin peilit siirtyvät ja säteiden kulkema matka muuttuu. Silloin syntyy konstruktiivinen interferenssi, jossa lasersäteet voimistavat toisiaan ja ilmaisin havaitsee valon.

Gravitaatioaaltoja havainnoidaan L:n tai kolmion muotoisilla inferferometreilla. L:n sakaroiden päissä tai kolmion kulmissa on peilejä, joiden välillä kulkee lasersäteitä. Lasersäteiden käyttäytyminen paljastaa, onko ilmaisimen läpi kulkenut gravitaatioaalto.

Painovoima-aallot
© Nicolle R. Fuller/SPL

1. Lasersäde jaetaan kahtia

Ilmaisimesta lähtevä laservalo (punainen) jaetaan kahdeksi samanlaiseksi valonsäteeksi, jotka ammutaan sakaroiden päässä oleviin peileihin. Peileistä säteet heijastuvat takaisin kohti ilmaisinta.

Painovoima-aallot
© Nicolle R. Fuller/SPL

2. Lasersäteet sammuttavat toisensa

Lähtöasetelma on se, että lasersäteen aaltoliike on erivaiheista. Kun erivaiheiset valonsäteet kohtaavat, syntyy niin sanottu destruktiivinen interferenssi, eli ne kumoavat toisensa ja valo sammuu.

Painovoima-aallot
© Nicolle R. Fuller/SPL & Getty Images

3. Gravitaatioaalto sotkee säteet

Kun ilmaisimeen osuu gravitaatioaalto, toinen sakaroista venyy ja toinen kutistuu hitusen, mikä aiheuttaa siirtymän lasersäteiden aaltoliikkeeseen. Siksi ne eivät ole peileistä palatessaan enää samanlaisia.

Painovoima-aallot
© Nicolle R. Fuller/SPL & Getty Images

4. Gravitaatioaalto paljastuu

Jos gravitaatioaalto on kyllin voimakas, lasersäteet muuttuvat samanvaiheisiksi. Silloin peileistä heijastuvien säteiden kohdatessa syntyy konstruktiivinen interferenssi, eli ne vahvistavat toisiaan.

Vuoden 2015 gravitaatioaaltohavainnot tehtiin LIGO-ilmaisimella, joka koostuu kahdesta ilmaisinlaitteesta. Ne sijaitsevat kolmen tuhannen kilometrin päässä toisistaan. Näin varmistetaan, että havainto ei johdu paikallisista maankuoren värähtelyistä.

Vuonna 2017 otettiin käyttöön eurooppalainen Virgo-ilmaisin Italiassa, ja vuonna 2020 joukkueeseen liittyi japanilainen KAGRA. Nyt gravitaatioaaltoja metsästetään neljällä ilmaisimella, jotka sijaitsevat sopivasti eri puolilla maapalloa.

Ilmaisimet yhteistyössä

Kun gravitaatioaallot hytkyttävät maapalloa, se havaitaan samanaikaisesti kaikissa ilmaisimissa. Tällöin on mahdollista määrittää, mistä suunnasta aalto tulee, ja tutkijat voivat alkaa etsiä tähtitaivaalta sen alkuperää.

Painovoima-aallot

Japanilainen KAGRA on nykyilmaisimista viimeksi käyttöön otettu. Se on ensimmäinen, joka on rakennettu maan alle.

© KAGRA Observatory

Gravitaatioaaltotutkimuksen kuuden ensimmäisen vuoden aikana tutkijat ovat paikantaneet aaltojen lähteeksi 50 mustien aukkojen törmäystä ja kaksi neutronitähtien törmäystä. Nyt ilmaisimet on päivitetty, ja kun gravitaatioaaltojen havainnointi taas alkaa ensi vuoden alussa, tutkijat uskovat havaitsevansa uusia aaltoja noin kerran viikossa.

Nykyisillä ilmaisimilla havaitaan kuitenkin edelleen vain suhteellisen läheltä tulevia gravitaatioaaltoja. Jotta saadaan pyydystettyä kaukaa menneisyydestä tulevia aaltoja, tarvitaan uusia ilmaisimia.

Mitä kauempana ajassa ja tilassa mustien aukkojen törmäys on tapahtunut, sitä heikompi siinä syntynyt gravitaatioaalto on osuessaan Maahan.

Nykyisillä ilmaisimilla voidaan havaita viimeksi kuluneiden 8–9 miljardin vuoden aikana syntyneitä gravitaatioaaltoja. Tavoite on neljä miljardia vuotta kauempana. Jotta päästäisiin tutkimaan pian alkuräjähdyksen jälkeen eli 13,8 miljardia vuotta sitten matkaan lähteneitä aaltoja, tarvitaan kymmenen kertaa nykyilmaisimia herkemmät laitteet.

Sekä USA:ssa että Euroopassa tavoitteena on saada uudet ilmaisimet käyttöön 2030-luvun puolivälissä. Yhdysvaltalaisten suunnitelmissa on Cosmic Explorer, jonka on määrä olla kymmenen kertaa niin herkkä kuin nykylaitteet. Sen sakaroiden pituus on 40 kilometriä. Mitä pidemmät ilmaisimen sakarat ovat, sitä heikompia gravitaatioaaltoja sillä voidaan havaita.

Niin pitkien ilmaisinsakaroiden rakentaminen on pienoinen tekninen haaste. Sakaran pitää olla täydellisen suora, mutta Maan pinta on kaareva. Jotta kaarevuus voidaan tasata, sakaroiden loppupäiden pitäisi olla 30 metriä korkeiden pylväiden päällä. Tutkijat etsivät nyt allasmaista laaksoa, jossa sakaroita ei tarvitsisi rakentaa pylväiden päälle kilometrin matkalla.

Eurooppa valitsi kolmion

USA:n Cosmic Explorerin suunnittelu on vasta alkuvaiheissaan, mutta Euroopassa on jo hahmoteltu uuden Einstein-teleskoopin muotoa. Se poikkeaa teknisesti aikaisemmista gravitaatioaaltoilmaisimista. L:n sijaan siitä tulee tasakylkinen kolmio. Kunkin kyljen pituus on kymmenen kilometriä.

Einstein-teleskoopin odotetaan bongaavan miljoona mustien aukkojen törmäystä joka vuosi.

Kolmion jokaisesta kulmasta lähtee lasersäde kahteen suuntaan. Ilmaisimessa on siis yhden sijaan kolme interferometria. Itse asiassa interferometreja voi olla tulevaisuudessa viisi, sillä ilmaisimeen aiotaan lisätä vielä kaksi laseria, jotka lähettävät valoa eri aallonpituuksilla kuin kolme muuta.

Einstein-ilmaisin on tarkoitus rakentaa 200–300 metrin syvyyteen maan alle. Siellä maankuoren värähtelyistä aiheutuvien häiriöiden voimakkuus on vain sadasosa siitä, mitä ne ovat Maan pinnalla. Lisäksi ilmaisimen peilit jäähdytetään 10–20 asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä, jotta lämmönvaihtelujen aiheuttamat värähtelyt voidaan minimoida.

Häiriöiden vaimennus tekee Einsteinista herkemmän kuin Cosmic Explorer, vaikka sen sivut ovat lyhyemmät. Tutkijat arvioivat, että eurooppalainen ilmaisin havaitsee vuosittain jopa miljoona muinaista mustien aukkojen törmäystä maailmankaikkeuden elinkaaren eri vaiheista.

Painovoima-aallot

Einstein-teleskooppi rakennetaan 200–300 metrin syvyyteen maan alle joko Italian Sardiniaan tai Alankomaihin Vaalsin kaupungin lähelle.

© NIKHEF

Euroopan Einstein menee johtoon

Eurooppalaisesta Einstein-teleskoopista ei tule suurinta, mutta siitä aiotaan tehdä tarkempi, herkempi ja joustavampi kuin muut gravitaatioaaltoilmaisimet.

Painovoima-aallot
© Shutterstock/BiM

1. Kolmio näyttää aaltojen alkuperän

Einstein-teleskooppi on muodoltaan tasasivuinen kolmio, jonka joka kulmasta lähtee lasersäteitä kahteen suuntaan. Kun kaikkien kolmen kulman ilmaisimet havaitsevat saman gravitaatioaallon, voidaan laskea, mistä suunnasta se tuli.

Peili
© NIKHEF

2. Jäätävän kylmät peilit lisäävät herkkyyttä

Kolmion kulmissa olevat peilit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä. Silloin ulkopuoliset lämpötilanvaihtelut eivät juuri vaikuta niihin. Kylmien peilien ansiosta Einstein-teleskooppi on muita ilmaisimia herkempi.

Painovoima-aallot
© NIKHEF

3. Lisäilmaisimet laajentavat näkymiä

Einsteinin kolme pääilmaisinta havainnoivat tavallisten mustien aukkojen törmäysten tuottamia gravitaatioaaltoja. Lisäksi siinä on tilaa kahdelle ilmaisimelle (kuvassa sinisellä), jotka etsivät pian alkuräjähdyksen jälkeen liikkeelle lähteneitä pitkiä gravitaatioaaltoja.

Einstein-teleskoopin sijaintipaikka on vielä päättämättä. Yksi vaihtoehto on Vaalsin alue Maastrichtin ja Liègen välillä Alankomaiden ja Belgian rajaseudulla. Toinen on Sardiniassa. Sijaintipaikka päätetään vuonna 2024, ja tunnelin porausten pitäisi alkaa 2026. Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, gravitaatioaaltojen havainnointi voisi alkaa vuonna 2035.

Tähtäimessä ensimmäiset mustat aukot

Einstein-teleskoopilla voidaan havaita gravitaatioaaltoja, jotka syntyivät alle 100 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Silloin kaikkeus oli pilkkopimeä, sillä ensimmäiset tähdet eivät olleet vielä syttyneet.

Niin vanhojen gravitaatioaaltojen olemassaolo todistaisi, että mustat aukot törmäilivät toisiinsa jo silloin eli pian alkuräjähdyksen jälkeen syntyi valtavia määriä mustia aukkoja, kuten nykyteoriat esittävät. Se taas auttaisi löytämään vastauksen kahteen suureen kysymykseen.

Ensimmäinen suuri kysymys on se, miten ensimmäisten suurten galaksien ytimiin syntyi massiivisia mustia aukkoja niin varhain. Äskettäin löydettiin kaasupilven keskeltä musta aukko, jonka massa oli 800 miljoonaa kertaa niin suuri kuin Auringon.

Musta aukko on niin kaukana, että sitä ympäröivästä kaasupilvestä lähtenyt säteily on ollut matkalla yli 13 miljardia vuotta. Musta aukko on siis syntynyt vain 690 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Vakiintuneen supermassiivisten mustien aukkojen syntyä koskevan teorian mukaan se ei ole mahdollista

Vakiintuneen teorian mukaan ensimmäiset jättiläistähdet räjähtivät supernovina, kun maailmankaikkeus oli 250–350 miljoonaa vuotta vanha. Supernovien jäljiltä jäi mustia aukkoja, joiden massa oli enintään 100 Auringon massaa. Sittemmin mustat aukot törmäilivät, sulautuivat yhteen ja imivät itseensä ainetta ympäriltään niin, että ne kasvoivat supermassiivisiksi. Tällainen kehitys on kuitenkin niin hidasta, että se ei voisi selittää nyt löydettyä aukkoa.

Tilanne olisi toinen, jos maailmankaikkeudessa olisi alusta asti ollut massaltaan 1–10 000 kertaa Auringon kokoisia mustia aukkoja. Silloin ne olisivat ehtineet kasvaa sellaisiksi supermassiivisiksi jättiläisiksi, joita ensimmäisten galaksien ytimistä on löydetty. Se kuitenkin tarkoittaisi sitä, että ensimmäiset mustat aukot syntyivät ennen ensimmäisiä tähtiä.

Universumi

Hyvin kaukaisten galaksien supermassiiviset mustat aukot aiheuttavat tähtitieteilijöille päänvaivaa. Aukot vaikuttavat liian suurilta ikäänsä nähden.

© Shutterstock

Jos ensimmäiset mustat aukot syntyivät ennen tähtiä, on teoriassa mahdollista, että osa niistä on olemassa edelleen. Ehkä ne ovat se näkymätön pimeä aine, jota tutkijat ovat etsineet vuosikymmeniä.

Teoreettisten laskelmien mukaan maailmankaikkeudessa on 4–5 kertaa niin paljon enemmän pimeää ainetta kuin näkyvää ainetta eli tähtiä, planeettoja, kaasua ja pölyä. Pimeää ainetta ei voi havaita suoraan, koska se ei lähetä säteilyä, mutta sen painovoiman vaikutus näkyvään aineeseen on havaittavissa.

Ilman pimeää ainetta esimerkiksi galaksit eivät pysyisi koossa. Ne pyörivät niin vinhasti, että uloimmat tähdet sinkoutuisivat pois, jos pimeän aineen painovoima ei pitäisi niitä paikoillaan.

VIDEO: Tällainen Einstein-teleskooppi on sisältä

Jos saadaan selville, mistä pimeä aine muodostuu, päästään ehkä jyvälle myös siitä, miten galaksit syntyvät. Yhden teorian mukaan pimeä aine koostuu pienistä ja keskikokoisista mustista aukoista, joiden ympärille galaksit kerääntyivät. Jos teoria pitää paikkansa, Einstein-teleskoopin pitäisi havaita näiden mustien aukkojen törmäyksissä muinoin syntyneitä gravitaatioaaltoja.

Maapalloa suurempi LISA

Einstein-teleskoopillakin on rajoituksensa. Sekään ei pysty havaitsemaan gravitaatioaaltoja, jotka ovat lähtöisin miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen törmäyksistä. Niitä eivät huomaa muutkaan maapallolla toimivat ilmaisinlaitteet.

Syynä on se, että maailmankaikkeuden suurimmat kosmiset kolarit tuottavat gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on suurempi kuin maapallon halkaisija. Siksi niitä pitää tähyillä avaruudesta. Siksi Euroopan avaruusjärjestö Esa kaavailee avaruudessa kiertävää gravitaatioaaltoilmaisinta. Se on saanut nimekseen LISA eli Laser Interferometer Space Antenna

LISAn on määrä koostua kolmesta satelliitista, joiden välillä lasersäteet kulkevat. Siitä tulee Einstein-teleskoopin tavoin tasakylkinen kolmio. Kunkin kyljen pituus on viisi miljoonaa kilometriä. Suunnitelmien mukaan LISAn osat lähetetään avaruuteen vuonna 2034. Kun se saadaan toimintaan, tutkijoille avautuu näkymä aikaan, jolloin ensimmäiset supermassiiviset mustat aukot syntyivät. Gravitaatioaalloista voidaan sitten seurata niiden törmäilyjä näihin päiviin asti.

Gravitaatioaallot

Uusilla ilmaisimilla pyydystetään yhä vanhempia gravitaatioaaltoja. Einstein-teleskoopilla voidaan havaita aaltoja, jotka syntyivät alle 100 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

© NAOJ & Shutterstock

Tutkijoiden toiveissa on nähdä, miten syntyvässä galaksissa mustat aukot ensin kiertävät toisiaan ja sitten sulautuvat yhteen. Tavoitteena on päästä selville siitä, miten mustien aukkojen kolarit vaikuttavat tähtien syntyyn ja jakautumiseen galakseissa.

Einsteinilta ja LISAlta odotetaan siis tietoa galaksien synnystä ja kehityksestä. Se ei kuitenkaan riitä. Niiltä odotetaan myös vastausta kosmologian suurimpaan avoimeen kysymykseen: mitä on pimeä energia?

Aallot kertovat maailmankaikkeuden kasvusta

Vaikka tutkijat saisivat selville, mistä pimeä aine koostuu, yli kaksi kolmasosaa maailmankaikkeuden sisällöstä olisi edelleen hämärän peitossa. Pimeä ja tavallinen näkyvä aine muodostavat yhdessäkin vain 32 prosenttia kaikesta aineesta. Loput 68 prosenttia ovat pimeää energiaa, joka panee avaruuden laajenemaan.

Pimeä energia on kilpaillut koko maailmankaikkeuden olemassaolon ajan painovoiman kanssa. Painovoima vetää galakseja ja muita kappaleita kohti toisiaan ja pimeä energia kiskoo niitä erilleen. 5–6 miljardia vuotta sitten pimeä energia pääsi voitolle. Siitä lähtien maailmankaikkeus on laajentunut kovaa vauhtia ja galaksijoukot ovat ajautuneet yhä kauemmas toisistaan.

Painovoima-aallot kaavio

Vain viisi prosenttia universumin sisällöstä on näkyvää. Loppu on pimeää ainetta (27 prosenttia) ja pimeää energiaa (68 prosenttia).

© BiM

Tutkijat eivät tiedä, mistä pimeä energia muodostuu ja miksi se on ajan mittaan voimistunut. Jotta asiaan voitaisiin saada selkoa, on mitattava tarkasti maailmankaikkeuden laajenemisnopeus koko sen olemassaolon aikana. Tässäkin uudet gravitaatioaaltoilmaisimet ovat avuksi.

Gravitaatioaallot etenevät avaruudessa tarkalleen valon nopeudella, ja niiden voima heikkenee tasaisesti etäisyyden kasvaessa. Näiden ominaisuuksien ansiosta niiden perusteella voidaan mitata matka niiden alkupisteeseen.

Kun on saatu selville, missä galaksissa gravitaatioaallon synnyttänyt mustien aukkojen törmäys aikoinaan tapahtui, on helppo mitata galaksin valosta, miten paljon valoaallot ovat pidentyneet matkalla maailmankaikkeuden laajenemisen vaikutuksesta. Näistä luvuista voidaan laskea, miten paljon maailmankaikkeus on laajentunut sen jälkeen, kun kaksi mustaa aukkoa törmäsi galaksissa.

Kun tällaisia mittauksia on tehty tuhansia tai ehkä miljoonia, saadaan kokoon kuva maailmankaikkeuden kasvusta alkuräjähdyksestä tähän päivään. Sitten ehkä päästään jyvälle sitä, mitä pimeä energia voisi olla ja miten se vaikuttaa.

Jos gravitaatioaaltoilmaisimilla saadaan selvyys pimeästä aineesta ja energiasta, kyseessä on yhtä suuri tähtitieteen mullistus kuin se, jonka Galileo Galilei pani alulle 400 vuotta sitten.