Tässä blogikirjoituksessa tutkimme ihmiskunnan ensimmäisen suoran gravitaatioaaltojen havainnon tieteellistä merkitystä ja uusia mahdollisuuksia sekä sitä, miten se muutti modernia fysiikkaa ja tapaamme havainnoida maailmankaikkeutta.
Vuoden 2017 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin kolmelle amerikkalaiselle fyysikolle – Kip Thornelle, Rainer Weissille ja Barry Barishille – joilla oli ratkaiseva rooli gravitaatioaaltojen löytämisessä. Heidät tunnustettiin saavutuksestaan gravitaatioaaltojen havaitsemisessa ensimmäistä kertaa suoraan helmikuussa 2016 LIGOssa (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Mitä gravitaatioaallot tarkalleen ottaen ovat, ja miksi niiden olemassaolon vahvistaminen on niin merkittävää, että se oikeuttaisi Nobelin fysiikan palkinnon? Ymmärtääksemme tämän, tarkastellaan ensin gravitaatioaaltojen käsitettä.
'Gravitaatioaaltojen' käsite on ollut olemassa jo yli vuosisadan. Albert Einstein ennusti ne ensimmäisen kerran vuonna 1916 yleisessä suhteellisuusteoriassaan. Tämän teorian mukaan massaa sisältävät kappaleet vääristävät aika-avaruutta, ja painovoima on tästä vääristymisestä johtuva ilmiö. Lisäksi kiihtyvät kappaleet aiheuttavat tämän kaarevan aika-avaruuden väreilyä, ja nämä väreilyt etenevät ulospäin aaltoina valonnopeudella. Nämä ovat gravitaatioaaltoja. Kun gravitaatioaalto kulkee läpi, itse avaruus vääristyy, venyen yhteen suuntaan ja supistuen toiseen.
Gravitaatioaaltojen aiheuttama avaruuden vääristymä on kuitenkin erittäin pieni, minkä vuoksi niitä ei voida havaita normaaleissa olosuhteissa. Niitä syntyy merkittäviä määriä vain massiivisten kosmisten tapahtumien, kuten kahden mustan aukon törmäyksen tai supernovaräjähdyksen, aikana, mutta silloinkin signaali on erittäin heikko. Nykyiset gravitaatioaaltoilmaisimet mittaavat muutosta avaruuden venymisessä. LIGOn havaitseman gravitaatioaallon aiheuttama häiriö venytti ja supisti avaruutta tällä kertaa vain noin 10⁻²¹ kertaa. Tämän pienen muutoksen mittaamiseksi pituus on mitattava tarkkuudella, joka on pienempi kuin neutronin tuhannesosa säteestä noin 5 km pitkän ilmaisimen sisällä. Tämä oli käytännössä mahdotonta. Siksi ennen LIGOa oli mahdotonta havaita gravitaatioaaltoja suoraan; niiden olemassaolo voitiin päätellä vain epäsuorasti.
Kuinka LIGO sitten onnistui havaitsemaan suoraan nämä pienet pituusmuutokset? Toisin sanoen, miten gravitaatioaaltoja voitiin havaita? LIGO käyttää pohjimmiltaan interferometrin periaatetta. Interferometri on instrumentti, joka hyödyntää valointerferenssin ilmiötä etäisyyden muutosten mittaamiseen erittäin tarkasti. Ymmärtääksemme tämän, tarkastellaan ensin aaltointerferenssiä.
Aallot ovat kuin väreilyä. Kun kaksi samanmuotoista aaltoa kohtaavat, niiden amplitudi joko kasvaa (konstruktiivinen interferenssi) tai pienenee (tuhoava interferenssi) riippuen siitä, miten ne limittyvät. Jos molemmat aallot saapuvat samassa vaiheessa, tapahtuu konstruktiivista interferenssiä. Jos kuitenkin toinen aalto saapuu myöhemmin, jolloin yhdistetyt aallot ovat epätahdissa, tapahtuu tuhoavaa interferenssiä. Näin ollen kahden aallon saapumisaikaero aiheuttaa muutoksen yhdistetyn aallon amplitudissa, ja tätä kutsutaan interferenssi-ilmiöksi.
Koska valo on myös aalto, interferenssiä syntyy, kun kaksi valoaaltoa yhdistyy. Siksi yhdistetyn aallon amplitudin analysointi mahdollistaa kahden valoaallon saapumisajan eron laskemisen, mikä vastaa etäisyyseron laskemista. Tämä johtuu siitä, että jos kaksi valonsädettä lähtee samanaikaisesti, mitä suurempi etäisyys, sitä suurempi on saapumisajan ero.
LIGO perustuu Michelsonin interferometriin, joka on yksi tämäntyyppisistä interferometreistä. Michelsonin interferometri on myös historiallisesti merkittävä kokeellinen laite, jota käytettiin erityisesti Michelson-Morley-kokeessa. Tämä koe paljasti, että valon nopeus on riippumaton suunnasta eikä valo tarvitse etenemiseen erillistä väliainetta.
Michelsonin interferometri toimii seuraavalla periaatteella. Yhdestä lähteestä tuleva valo jaetaan kahdeksi säteeksi keskellä sijaitsevalla säteenjakajalla (laite, joka päästää puolet valosta läpi ja heijastaa toisen puolen). Kaksi sädettä heijastuvat kiinteille etäisyyksille sijoitettujen peilien läpi ja yhdistyvät sitten uudelleen muodostaen interferenssikuvion. Jos valonnopeus muuttuisi suunnan mukaan, kahden jaetun säteen uudelleenyhdistymiseen kuluva aika eroaisi toisistaan, mikä johtaisi muutokseen interferenssikuviossa. Michelson-Morley-koe ennusti tällaisen muutoksen interferenssikuviossa, mutta muutosta ei havaittu, mikä johti johtopäätökseen, että valonnopeus on vakio. Tämä tosiasia antoi myöhemmin Einsteinille ratkaisevia vihjeitä suhteellisuusteoriansa muodostamiseen.
LIGO on pohjimmiltaan tämän Michelsonin interferometrin massiivinen laajennus. LIGOn säteenjakajan ja sen heijastavan peilin välinen etäisyys on noin 4 km. Tämä etäisyys yksinään ei kuitenkaan riittänyt gravitaatioaaltojen luotettavaan havaitsemiseen, joten LIGO sisällytti siihen Fabry-Pérot-putken. Tämä tekniikka heijastaa valoa noin 400 kertaa 4 kilometrin pituisessa putkessa, jolloin syntyy käytännössä 1 600 kilometrin pituinen reitti. Tämä mahdollistaa pienten etäisyysmuutosten tarkemman mittaamisen. Tämän hienostuneen teknologisen yhdistelmän ansiosta LIGO onnistui ensimmäistä kertaa havaitsemaan suoraan kahden mustan aukon törmäyksessä syntyviä gravitaatioaaltoja 14. syyskuuta 2015.
Miksi gravitaatioaaltojen löytäminen on sitten niin monumentaalinen tapahtuma? Ensinnäkin sen merkitys piilee siinä, että se vahvistaa jälleen kerran suoraan Einsteinin suhteellisuusteorian. Suhteellisuusteorian ennustama gravitaatioaaltojen olemassaolo on kokeellisesti todistettu. Mutta sen suurempi arvo on muualla. Se tarkoittaa, että ihmiskunta on saanut täysin uuden työkalun maailmankaikkeuden havainnointiin. Tämä muutos on verrattavissa hetkeen, jolloin ihmiskunta loi ensimmäisen kaukoputken. Tähän asti tähtitiede on luottanut yksinomaan valoon – eli sähkömagneettisiin aaltoihin – taivaankappaleiden havainnoinnissa. Mutta gravitaatioaaltojen vakiinnuttua uudeksi havaintovälineeksi, sähkömagneettisille aalloille aiemmin saavuttamaton alue on vihdoin avautunut.
Esimerkiksi supernovaräjähdysten tapauksessa emme ole koskaan pystyneet suoraan havaitsemaan, mitä niiden ytimissä tapahtuu. Tämä johtuu siitä, että supernovan ydintä ympäröivä valtava ainekerros estää valon läpäisyn. Painovoima-aallot kuitenkin kulkevat aineen läpi minimaalisella häiriöllä, minkä ansiosta voimme havaita taivaankappaleiden sisällä tapahtuvia ilmiöitä.
Ihmiskunta on nyt uuden aikakauden, gravitaatioaaltoastronomian, kynnyksellä. Gravitaatioaallot tarjoavat meille täysin uuden näkökulman maailmankaikkeuteen, mahdollistaen meille eri taivaankappaleiden salaisuuksien paljastamisen ja askeleen lähemmäksi maailmankaikkeuden alkuperän ymmärtämistä. Odotamme innolla, mihin löytöihin nämä havainnot johtavat, ja toivomme, että gravitaatioaaltotutkimus laajentaa entisestään ihmiskunnan ymmärrystä kosmoksesta.
