Arkisto


Aika-avaruuden atomit

29.12.2017 klo 17.34, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

1800-luvun lopulla havaintojen tarkkuus ylitti klassisen fysiikan pätevyysalueen rajat. Perustavanlaatuisten lakien etsintä haarautui kvanttifysiikkaan ja suhteellisuusteoriaan. Edellinen on johtanut kvanttikenttäteoriaan, joka kuvaa ainetta, jälkimmäinen yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka kuvaa aika-avaruutta ja gravitaatiota. Niiden reittien pitäisi risteytyä, mutta toistaiseksi yhtymäkohtaa ei ole löydetty.

Kvanttikenttäteoria osataan kyllä (joten kuten) upottaa yleiseen suhteellisuusteoriaan, eli tiedetään miten käsitellä kvanttikenttiä kaarevassa aika-avaruudessa. Mutta vielä ei hahmoteta, miten aika-avaruutta itseään pitäisi kuvata kvanttifysikaalisesti, vuosikymmenten kiivaista yrityksistä huolimatta. (Kosminen inflaatio on poikkeus: se on fysiikan ainoa alue, missä aika-avaruutta on kuvattu kvanttikenttäteorian keinoin ja tehty ennusteita joita havainnot vastaavat. Mutta inflaatio rajoittuu hyvin yksinkertaiseen tapaukseen.) Toisin sanoen ei ole löydetty kvanttigravitaatioteoriaa, josta yleinen suhteellisuusteoria on approksimaatio, kuten Newtonin mekaniikka on approksimaatio kvanttimekaniikasta.

Muiden vuorovaikutusten tapauksessa kvanttiteorian löytäminen on helpompaa, koska niissä aika-avaruus on kiinnitetty, ajan kulku ja avaruuden muoto voidaan ottaa annettuna. Kvanttigravitaatiossa ei tulla valmiiseen pöytään, kaikki pitää tehdä alusta alkaen.

Yksinkertaisin tapa lähestyä tätä ongelmaa on tarkastella tilannetta, jossa gravitaatio on heikko eli aika-avaruuden kaarevuus on pieni. Näin on esimerkiksi silloin, kun tarkastellaan sitä, miten kappaleet näyttävät vetävän toisiaan puoleensa. (Esimerkkejä vastakkaisesta tapauksesta ovat mustat aukot ja maailmankaikkeuden laajeneminen.) Tällöin gravitaatiota voidaan käsitellä kuin kyseessä olisi kenttä annetussa aika-avaruudessa, ja siihen voidaan soveltaa samoja reseptejä kuin muihinkin kenttiin.

Ongelmaksi muodostuu kvanttikenttäteorian totalitaristinen periaate, jonka mukaan teoria sisältää kaikki mahdolliset tavat, millä kentät voivat vuorovaikuttaa. Yleensä näitä ei ole monta: esimerkiksi sähkömagnetismin kvanttikenttäversiossa, kvanttielektrodynamiikassa, fotonikenttä ja elektronikenttä voivat kytkeytyä toisiinsa vain yhdellä tavalla. Kun ei tarkastella kvanttifysiikkaa, yleisen suhteellisuusteorian rakenne on tarkkaan määrätty ja yksinkertainen. Kvanttiteoriaan siirryttäessä tämä kaunis yksinkertaisuus menee pilalle, ja teoriaan tunkee äärettömän monta erilaista tapaa, jolla gravitaatiokenttä vuorovaikuttaa itsensä ja muiden kenttien kanssa.

Mikä pahinta, tämä kvanttigravitaatioteoria ei kerro kuinka voimakas kukin näistä vuorovaikutuksista on, vaan se pitää määrittää kokeellisesti. Koska erilaisia vuorovaikutuksia on äärettömän monta, pitäisi tehdä äärettömän monta mittausta, jotta kaikkien voimakkuuden saisi selville, joten teoriasta ei voi ennustaa mitään, ja vaikuttaa siltä kuin sitä ei voisi käyttää mihinkään. On erilaisia ehdotuksia, miten päästä ulos tästä umpikujasta.

Kvanttiteorian vaatimien uusien vuorovaikutusten voimakkuus kasvaa aika-avaruuden kaarevuuden kasvaessa ja nykyään kaarevuus on pieni (muualla kuin mustien aukkojen lähistöllä), eikä niistä näy jälkeäkään. Niinpä jos teoria pitää paikkansa, uudet vuorovaikutukset ovat merkittäviä vain silloin kun kaarevuus on iso, esimerkiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa (kenties inflaation aikana) tai mustien aukkojen lähettyvillä. Tällöin uudet vuorovaikutukset voidaan unohtaa kaarevuuden ollessa pieni ja keskittyä tunnetun gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttikäyttäytymiseen.

Tällä tavalla voidaan laskea esimerkiksi kvanttigravitaatiokorjaus Newtonin painovoimalakiin. Muutos omenan putoamiseen Maan päällä on suuruudeltaan 10^(-83), mitättömän pieni jopa hiukkasfysiikan standardeilla. Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden toisella laidalla 50 miljardin valovuoden päässä asustelevan muurahaisen (jos siellä olisi muurahaisia) vaikutus Maassa putoavaan omenaan on sata kertaa isompi.

Lähestymistavan puute on se, että se ei anna mitään osviittaa siitä, mitä tapahtuu, kun gravitaatiokentät ovat vahvoja (jolloin koko rakennelman toimivuus on muutenkin kyseenalainen).

Hieman kunnianhimoisempi ehdotus on se, että vaikka uusia vuorovaikutuksia on äärettömän paljon, niiden voimakkuudet liittyvät toisiinsa siten, että vain muutama niistä on riippumaton, loput määräytyvät niistä. Ajatuksena on, että gravitaation voimakkuuden kasvaessa teoriasta paljastuu tiukempi rakenne, jota ei näe heikkoihin kenttiin pidättäydyttäessä. Tätä asymptoottisena turvallisuutena (engl. asymptotic safety) tunnettua ideaa on tutkittu toistaiseksi vain pienellä joukolla uusia vuorovaikutuksia, eikä sen yleistäminen äärettömän monen vuorovaikutuksen tapaukseen ole suoraviivaista. Se näyttää kuitenkin toimivan yllättävän hyvin: kolmen vuorovaikutuksen voimakkuus riittää määräämään kymmeniä muita, aivan kuten odottaisi, jos idea pitää paikkansa.

Useimmat alan tutkijat kuitenkin arvelevat kvanttigravitaation ongelmien ratkaisemisen vaativan perustavanlaatuisempia muutoksia. Ei ole selvää, että kvanttigravitaatiota pitäisi edes alkaa etsiä aika-avaruudesta lähtien.

Esimerkiksi vettä kuvataan klassisessa fysiikassa jatkuvana nesteenä, jonka ominaisuuksia ovat tiheys ja paine. Mutta jos yrittäisi kehittää veden kvanttiteoriaa tutkimalla tiheyden ja paineen kvanttikäyttäytymistä, niin menisi metsään. Sen sijaan pitää hahmottaa, että vesi ei ole jatkuvaa, vaan koostuu atomeista, ja ymmärtää niiden kvanttikäyttäytyminen. Jatkuva aika-avaruuskin saattaa olla vain approksimaatio, ei perustavanlaatuista, ja ensin pitää löytää oikea tapa kuvata sen alla olevaa rakennetta, selvittää mitkä ovat aika-avaruuden atomit.

Suosituin ehdokas tähän on säieteoria. Siinä aika-avaruutemme ei ole perustavanlaatuinen. Joskus säieteoriaa kuvaillaan sanomalla, että se on teoria säikeistä, joiden värähtelyt vastaavat alkeishiukkasia ja vuorovaikutuksia (myös gravitaatiota). Hieman oikeammin voi sanoa, että se on teoria kahdessa ulottuvuudessa elävistä kentistä, jotka näyttävät toisen aika-avaruuden ulottuvuuksilta – idea, joka vaatisi pidemmän selityksen auetakseen.

Säieteoria on hienostunut rakennelma, joka –kuten vaatimattomampi asymptoottinen turvallisuus– toimii yllättävän hyvin. Säieteoria lähtee liikkeelle seuduilta, joilla ei ole oikeastaan mitään tekemistä tuntemamme yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta päätyy suoraa reittiä näkemämme aika-avaruuden kaltaiseen rakenteeseen, antaapa vielä samaan hintaan suunnilleen oikeanlaisen hiukkasfysiikankin. Ongelmana ovat nuo sanat ”jokseenkin” ja ”suunnilleen”: ulottuvuuksia on kymmenen eikä neljä, aika-avaruuden kuvailuun liittyy yksi ylimääräinen kenttä, maailmankaikkeuden hiukkassisältö on pielessä ja niin edelleen. 80-luvulla monet odottivat, että säieteoriasta saataisiin muutamassa vuodessa johdettua kaikki tunnettu fysiikka ja kaiken teoria olisi valmis. Ongelmat osoittautuivat kuitenkin hyvin hankaliksi, eikä kukaan löytänyt kompassia, joka olisi osoittanut, mihin suuntaan pitää mennä. Jotkut ovat epätoivoissaan jopa julistaneet, että oikeaa ratkaisua ei ole olemassakaan.

Säieteorian tunnetuin kilpailija on silmukkakvanttigravitaatio (engl. loop quantum gravity). Se lähtee liikkeelle kotoisemmista maisemista. Yleisen suhteellisuusteorian aika-avaruutta voi kuvata eri tavoilla. Yksi niistä on Abtay Ashtekarin vuonna 1986 löytämät ja sittemmin hänen mukaansa nimetyt Ashtekarin muuttujat. Karkeasti sanottuna Einsteinin alkuperäisessä yleisen suhteellisuusteorian muotoilussa tutkitaan aika-avaruuden etäisyyksiä ja niiden muutosta ajassa, Ashtekarin muotoilussa keskitytään suuntiin ja kiertymiseen.

Yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa kyse on vain näkökulmaerosta, lopputulos on sama katsoopa asiaa kummalta kannalta tahansa. Silmukkakvanttigravitaation oivallus on se, että Ashtekarin muuttujia ei käytetäkään kuvaamaan yleisen suhteellisuusteorian jatkuvaa aika-avaruutta, vaan sen sijaan erillisiä pisteitä ja yhteyksiä niiden välillä.

Ajatuksena on, että aika-avaruus ei ole pohjimmiltaan jatkuva. Se näyttää meille jatkuvalta samasta syystä kuin vesi: osasten välinen etäisyys on paljon arkisia etäisyyksiä pienempi. Silmukkakvanttigravitaation tapauksessa tilanne on paljon monimutkaisempi kuin veden, koska aika-avaruuden ainesosien välissä ei ole mitään, missä mitata etäisyyksiä. Oikeammin voi sanoa, että ilmaisu ”aika-avaruuden ainesosien välissä” on merkityksetön, koska aika ja tila ovat olemassa vain aineosissa. Tämän takia on paljon vaikeampi osoittaa, että joukosta pisteitä saadaan approksimaationa kokonaisuus, joka näyttää jatkuvalta.

Siinä missä säieteoria kattaa luontevasti gravitaation lisäksi myös muita vuorovaikutuksia sekä hiukkaset, silmukkakvanttigravitaatio on rajoittunut aika-avaruuden ymmärtämiseen. Vaikka sitä voikin laajentaa hiukkasiin, ne eivät ole välttämätön osa pakettia, toisin kuin säieteoriassa. Silmukkakvanttigravitaatio ei siis lähtökohtaisesti ole kaiken teoria, eikä vielä ole varmuutta edes siitä, onko se oikea kvanttigravitaatioteoria.

Kenties suurin ongelma kvanttigravitaatioehdokkaiden kehittelyssä on se, että niihin liittyvät uudet ilmiöt ovat tyypillisesti kaukana nykyisten havaintojen ulottumattomissa. Kuten mainittua, inflaatio on poikkeus, mutta se on sen verta yksinkertainen tapaus, että se ei anna paljoa vihjeitä siitä, miten jatkaa eteenpäin. Inflaation synnyttämissä galaksien siemenissä ei näy yksityiskohtia taustalla oleva kvanttifysiikan yksityiskohdat ovat hautautuneet syvälle, mutta niitä voi kenties saada kaivettua näkyviin.

Muitakin mahdollisia kvanttigravitaation jälkiä on tutkittu, kuten Maapallolle miljoonien tai miljardien valovuosien päästä saapuvien korkeaenergisten hiukkasten matka-aikoja. Vaikka kvanttigravitaation vaikutus niihin on pieni, se saattaa kertyä matka-ajan myötä, ja miljardi vuotta on jo varsin pitkä aika koeaika. Toinen otollinen mahdollisuus on se, että mustien aukkojen horisontin läheisyydessä näkyisi kvanttigravitaation merkkejä. Pitkään tämä oli vain teoreettista pohdiskelua, mutta nykyään gravitaatioaallot tuovat viestejä mustien aukkojen horisonttien läheisyydestä harva se viikko. Monia muitakin ideoita on tutkittu, mutta mitään ei ole näkynyt; aiheesta kiinnostuneille voi suositella alan asiantuntijan Sabine Hossenfelderin blogia Backreaction.

Kvanttimekaniikkaa ei löydetty ennen kuin päästiin viime vuosisadan alun havainnoissa atomien mittakaavaan, missä kvantti-ilmiöt ovat tärkeitä. Kvanttifysiikan periaatteet ovat arkijärjelle niin vieraita, että kukaan tuskin olisikaan ehdottanut niiden kuvaavan todellisuutta, elleivät kokeet olisi siihen johdattaneet. Voi olla, että kvanttigravitaation periaatteiden löytäminen vaatii sekin mullistavia havaintoja, jotka pakottavat ajatukset uusille urille.

13 kommenttia “Aika-avaruuden atomit”

  1. Eusa sanoo:

    Nyt tuli hyvä kirjoitus! Ei heikkouksia, kiitos!

    Aihe eteni niin sujuvasti, että sain poimittua nyansseista uusia oivalluksiakin, ihanaa!

    Alkoi kiinnostaa kuinka voisi silmukkakvanttigravitaatiomaisesti hallita ”arki”realismista singulariteetit (mustat aukot) äärellisiksi, ei niinkään välttää big bang tms…

  2. Ei voi kuin ihmetellä sanoo:

    Kokoaa ja koostaa, vetää ja työntää, myötäpäivään ja vastapäivään. Tää on yhdestä mun runosta. Fysiikka on kiinnostavaa. Etsin yhtymäkohtia omaan ajatteluuni taitelijuuteni kautta. En vaan ymmärrä fysiikasta teoreettisesti paljoakaan.

    Fysiikka on taidettakin kauniimpaa.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden toisella laidalla 50 miljardin valovuoden päässä asustelevan muurahaisen (jos siellä olisi muurahaisia) vaikutus Maassa putoavaan omenaan on sata kertaa isompi.”

    Tyhmä kysymys: kuinka muurahainen voi olla 50 miljardin valovuoden päässä, jos maailman kaikkeuden ikä on 13.8 miljardia vuotta? Mutta jos alkuräjähdysteoria ei pidäkään paikkaansa, niin silloinhan muurhainen voisi olla vaikka 100 miljardin valovuoden päässä. Eräs kerettiläinen ajattelija onkin väittänyt, että koko Big Bang-teoria on vain kreationistinen huijaus.

    Kaiken kaikkiaan luulen, että jokin mystinen paradigma estää fyysikkoja löytämästä ulos tästä Räsäsen kuvaamasta labyrintista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei tiedetä onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön. Epätarkka ilmaus ”toisella laidalla” viittaa pisimpään etäisyyteen, jolta meille on ehtinyt tulla signaaleja. Jos maailmankaikkeus ei laajenisi, se olisi maailmankaikkeuden ikä kerrottuna valon nopeudella. Koska maailmankaikkeus laajenee, se on tätä isompi.

  4. Eusa sanoo:

    Voitko kuvailla silmukkakvanttigravitaation 2+1 -ulotteista AdS-yhteensopivaa ratkaisua ja kuinka se voisi olla sovitettavissa paikallisuuden konformaaliseen invarianssiin / suhteellisuuteen?

    Olisiko holografisesta periaatteesta yritettä ratkaisuksi?

    Tuntuisi, että ”avaruuden atomien” silmukoiden tulee olla ainerakenteeseen sitoutuneita silmukoita pitääkseen paikallisen fysikaalisen skaalan hallussa – onko jokaiselle liikekehykselle omanlainen suhteutettu solurakenteensa?

    Mittausten perusteella meillä kai ei ole mitään syytä ajatella jotain avaruuden hilaa erityisasemaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En. Ei ole mitään havaintoja, jotka tukisivat sitä (tai sulkisivat pois sen), että aika-avaruus ei ole jatkuva, joten ei myöskään ole mitään tietoa siitä, millainen sen rakenne on, jos se ei ole jatkuva.

  5. Varahannu sanoo:

    Onko mielekästä puhua luokkaa 10E-83 olevasta gravitaatiosta? Jos kaikki muu on kvantittunutta, eikö myös gravitaation voimakkuus? Silloin pienin mahdollinen gravitaatiovaikutus vaatisi toteutuakseen että tuo muurahainen olisi varmaan paljon lähempänä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei ole niin, että kvanttifysiikassa kaikki suureet muuttuisivat vain määräsuuruisissa erissä. (Silmukkakvanttigravitaatiossa niin tosin on.)

  6. Cargo sanoo:

    Pitäis varmaan ensin selvittää, mitä käsitteet aika ja avaruus perustavanlaatuisesti tarkoittavat. Mitä esim. lomittuneiden hiukkasten vuorovaikutus tarkoittaa ajan ja/tai avaruuden kannalta? Jos otetaan sileä ja lokaali approksimaatio aika-avaruudesta, niin päädytään Einsteinin yhtälöihin, mutta mitä kaikkea lakaistaan maton alle?

    Kuinka paljon on edes pohdittu, mitä aika on ja miksi se näyttää yksisuuntaiselta? Ajalle ja avaruudelle tarvitaan jotkin abstraktit ja epävisuualiset matemaattiset määritelmät, jotka johtavat oikeissa mittakavoissa suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Sen selvittäminen, mitä aika ja avaruus tarkoittavat on tutkimuksen kohde, ei lähtökohta. Säieteoria, silmukkakvanttigravitaatio ja muut kvanttigravitaatioteoriat perustuvat erilaisiin ideoihin siitä, millaisia ne pohjimmiltaan ovat.

      On pohdittu paljon sitä, miksi ajassa signaalit kulkevat vain yhteen suuntaan. Asiassa ei kuitenkaan ole tapahtunut mitään läpimurtoa.

      Hiukkasten lomittumisella ei tiettävästi ole sinällään tekemistä aika-avaruuden rakenteen kanssa.

      1. Eusa sanoo:

        ”Hiukkasten lomittumisella ei tiettävästi ole sinällään tekemistä aika-avaruuden rakenteen kanssa.”

        ’Tiettävästi’ on heikko argumentaatio. Asiaa on siis tutkittu – missä on tieto, ettei ole tekemistä?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Hiukkasten lomittuminen ja aika-avaruuden rakenne ovat aivan eri asioita, jotka eivät (sikäli kun tiedetään) liity mitenkään toisiinsa. Tämä riittäköön tästä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kolmen sukupolven kuuntelijoita

14.12.2017 klo 22.03, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGOn gravitaatioaaltolöydöistä annettiin viime sunnuntaina Nobelin palkinto Rainer Weissille, Barry C. Barishille ja Kip S. Thornelle. LIGO teki ihmiskunnan ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista 14. syyskuuta 2015 ja julkisti sen helmikuussa 2016. Kahdessa vuodessa mustien aukkojen gravitaatioaalloista on tullut niin arkipäiväisiä, että en viitsinyt kirjoittaa viimeisimmästä havainnosta, joka julkistettiin viime kuussa.

Gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo ovat päivitystauolla ja jatkavat entistä ehompina syksyllä 2018. Pian seuraan liittyy kaksi uutta tulokasta.

Intiaan on kaavailtu gravitaatioaaltodetektoria vuodesta 2009 lähtien. LIGOn menestys antoi suunnitelmille pontta: Intian hallitus hyväksyi INDIGO-projektin vain kuusi päivää sen jälkeen, kun LIGO ilmoitti ensimmäisestä havainnosta. INDIGOn on määrä aloittaa vuonna 2024. Siitä tulee tismalleen samanlainen kuin Yhdysvaltojen kahdesta LIGO-detektorista, ohjelmistoa myöten. Koska INDIGO on eri puolella Maapalloa ja osoittaa eri suuntaan, se helpottaa sekä gravitaatioaaltojen lähteen paikallistamista taivaalla että niiden polarisaation määrittämistä.

Japanilainen KAGRA on sikäli mielenkiintoisempi, että se on erilainen kuin muut havaintolaitteet. Idea on sama kuin muillakin: KAGRAssa on kaksi kolmen kilometrin pituista tunnelia, joissa kulkee valosignaali päästä toiseen ja heijastuu peilistä takaisin. Putkien signaalien eroa mittaamalla saadaan selville mahdollinen putkien pituuden muutos ja sitä kautta havaitaan, jos niiden läpi kulkee gravitaatioaalto. Rakentaminen alkoi vuonna 2012, KAGRA otti dataa ensimmäistä kertaa viime vuonna, ja nyt joulukuun alussa sen toiminnasta julkistettiin ensimmäinen artikkeli. Gravitaatioaaltoja ei vielä havaittu ja tarkoitus oli lähinnä testata järjestelmiä.

KAGRAssa on kaksi merkittävää eroa muihin detektoreihin nähden. Ensimmäinen on se, että sen tunnelien päässä olevat peilit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä häiriöiden vähentämiseksi. Jäähdytystä ei kuitenkaan vielä vuoden 2016 testissä käytetty.

Toinen ero on se, että koko valtava laite on rakennettu maan sisään, Kamiokan kaivokseen, kilometrin syvyyteen Ikenoyama-vuoren huipusta. Tämä on myös Super-Kamiokanden koti. Vuosituhannen vaihteessa Super-Kamiokande-koe havaitsi neutriinojen muuttumisen toisikseen, mistä annettiin Nobelin palkinto vuonna 2015.

Gravitaatioaaltodetektorien täytyy olla äärimmäisen herkkiä havaitakseen pituuden muutoksia, jotka ovat suuruusluokkaa 10^(-21): tunnelien pituus muuttuu protonin tuhannesosan verran gravitaatioaallon kulkiessa niiden läpi. Vuoren sisällä on tukeva istua, maa tärisee paljon vähemmän kuin maanpinnalla. Maan lisäksi ilma häiritsee detektoreita: kun ilma liikkuu, sen gravitaatiokenttä muuttuu, minkä detektorit havaitsevat. Tämä häiriö on KAGRAn kohdalla pienempi, koska se on muita detektoreita kauempana ilmasta. Vuoren sisällä lämpötila on myös tasaisempi ympäri vuorokauden ja vuoden, mikä helpottaa instrumenttien pitämistä oikeassa lämpötilassa. Toisaalta KAGRAa häiritsevät maanalaiset vesivirrat, etenkin lumen sulaessa keväällä.

Detektorin sijoittaminen vuoren sisään myös vaikeuttaa sen parissa työskentelemistä, ja tunneleissa saa työturvallisuuden takia olla vain päiväsaikaan. Talvella vuorelle ajaminen voi olla hankalaa lumen ja jään takia, syksyllä taas sepelkarhut saattavat hyökätä ulkona viipyilevien tutkijoiden kimppuun. Muilla detektoreilla on toki omat ongelmansa: kuuleman mukaan toisen LIGO-laitteen putkea ovat paikalliset asukkaat ampuneet tuliaseilla.

KAGRAn on määrä tehdä ensimmäiset havainnot jäähdytetyllä instrumentilla vuonna 2019 tai 2020 ja saavuttaa vuonna 2022 sama herkkyys kuin LIGOn ja Virgon päivitetyt versiot ja INDIGO. Näitä kutsutaan toisen sukupolven gravitaatioaaltokokeiksi. Ensimmäisen sukupolven kokeita olivat alkuperäinen LIGO ja Virgo sekä vuodesta 2002 alkaen toiminut saksalainen GEO600, joiden herkkyys ei riittänyt havaintoon.

Kolmannen sukupolven kokeista pisimmällä on LISA. Se on nykyisiä detektoreita huomattavasti kunnianhimoisempi: LISAssa on määrä olla kolme satelliittia, jotka kiertävät Aurinkoa Maapallon kanssa. Satelliittien etäisyys toisistaan on 2.5 miljoonaa kilometriä. Miljoonakertainen koko tekee LISAsta paljon Maassa olevia detektoreita herkemmän. Samasta syystä se myös kuulee pidempiä aallonpituuksia eli pienempiä taajuuksia.

Nykyiset laitteet havaitsevat romahtaneista tähdistä syntyneiden mustien aukkojen törmäyksiä, LISA kuulee, miten galaksien keskellä olevat valtavat mustat aukot sulautuivat yhteen yli kymmenen miljardia vuotta sitten. LISA myös kuulee nykyisten detektorien kohteita vuosia ennen kuin ne pystyvät siihen. Musta aukko –parin lähettämän gravitaatioaallon taajuus on samaa suuruusluokkaa kuin se taajuus, millä ne kiertävät toisiaan. Mitä kauempana aukot kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat, aivan kuten Aurinkokunnan planeetat. Kun aukot säteilevät gravitaatioaaltoja, ne lähestyvät toisiaan ja kiihdyttävät vauhtia. LISA pystyy näkemään suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot vuosia ennen niiden törmäämistä, siinä missä nykyiset laitteet havaitsevat ne vain sekunteja ennen. LISA voi siis ennustaa, missä ja koska pienet mustat aukot törmäävät.

LISAn tähtäimessä on myös tyystin erilainen kohde, nimittäin maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin miljardisosan sadasosan aikana tapahtunut Higgsin kentän olomuodon muutos. Siinä syntyneiden gravitaatioaaltojen aallonpituus oli hyvin pieni. Sen jälkeen maailmankaikkeus on kuitenkin laajentunut yli tekijällä miljoona miljardia ja aallot ovat venyneet, aivan kuten valo. Niinpä niiden nykyinen aallonpituus sattuu LISAn haarukkaan, vaikka ei olekaan varmaa, ovatko ne niin voimakkaita, että LISA pystyy niitä havaitsemaan. Helsingissä Mark Hindmarsh ja David Weir tutkivat näitä gravitaatioaaltoja, ja LISAn kosmologiatyöryhmän seuraava kokous on Helsingin yliopistolla ensi kesäkuussa.

Haastavalla hankkeella on ollut vaikeuksia. Budjettileikkausten takia NASA vetäytyi projektista vuonna 2011. LISAn toteutuminen oli vaakalaudalla, ja siitä kaavailtiin halvempaa versiota eLISA (e niin kuin eurooppalainen). LIGOn menestyksen jälkeen NASA kuitenkin ilmoitti haluavansa takaisin mukaan, ja nyt LISA on taas Euroopan avaruusjärjestö ESAn ja NASAn yhteinen hanke.

LIGOn lisäksi LISAn purjeisiin on puhaltanut tuulta pilottiprojekti LISA Pathfinderin onnistuminen yli odotusten. Satelliittien säätäminen tai korjaaminen on hankalaa silloin kun se ei ole mahdotonta, joten kaiken täytyy toimia ensi yrityksellä, ja LISAn vaatima herkkyys asettaa isot vaatimukset. Niinpä joulukuussa 2015 laukaistiin kiertoradalle LISA Pathfinder, jonka tarkoituksena oli vain testata teknologiaa. Kaikki sujui erinomaisesti, ja jos kaikki jatkuu samaa rataa, LISAn kolmikko kohoaa kiertämään Aurinkoa vuonna 2034.

Myös Maahan suunnitellaan isompia detektoreita. Einstein Telescopea kaavaillaan maan alle KAGRAn tapaan, kymmenen kilometrin tunneleilla. Cosmic Explorer olisi kenties maanpinnalla, mutta neljä kertaa pidemmillä tunneleilla. Kumpikin on vielä suunnitteluasteella, eikä niiden toteutumista tai aikataulua tiedetä vielä. Varmaa on kuitenkin se, että nyt on otettu vasta gravitaatioaaltotutkimuksen alkuaskeleet.

28 kommenttia “Kolmen sukupolven kuuntelijoita”

  1. Terhi Virjonen sanoo:

    Kiitos, Syksy, tästä(kin) kirjoituksestasi. Kirjoituksesi ovat erittäin mielenkiintoisia ja myös tarpeellisia lukion fysiikan opettajalle, joka yrittää pysyä kärryillä uusimman tutkimuksen suhteen. Kiitos!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla!

  2. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja tutkimus on tehtyjen ja suunniteltujen investointien sekä tutkijoiden palkitsemisen perusteella tarkasteltuna huikean merkittävää.

    Vaikka asiasta on jaettu paljon tietoa, tavalliselle tallaajalle sen ymmärtäminen on vaikeaa. Niinpä haluaisin saada selkokielisen vastauksen seuraaviin kysymyksiin:
    – Miksi gravitaatioaaltojen havaitseminen ja tutkimus on niin tärkeää?
    – Mitä tutkimuksen tuloksista pyritään oppimaan?
    – Mitä hyötyä gravitaatioaaltojen tutkimuksesta saadulla tiedolla pyritään saavuttamaan?

  3. PJ sanoo:

    Yksinkertaistetut esitykset LIGOn toimintaperiaatteesta (esim. wikipedia) sanovat, että ”Mittaus perustuu siihen, että molempiin sakaroihin ammutaan samanaikaisesti lasersäteet.Normaalitilanteessa molempien säteiden pitäisi palata täsmälleen samaan aikaan lähtöpisteeseensä.”.

    Tarkoittaako tämä, että peilien etäisyys signaalin jakopisteestä pitää olla protonin tuhannesosan tarkkuudella sama ja miten tämä on mahdollista rakenteellisesti toteuttaa?

    Jos taas niiden ei tarvitse olla yhtä pitkiä, niin millä tavalla laite havaitsee pituuden muuttumisen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      LIGO ja muut vastaavat laitteet eivät mittaa pituutta, vaan pituuden muutosta.

      Hyvin pieniä pituuden (eli matka-aikojen) muutoksia on mahdollista mitata valon interferenssin avulla, tarkemmin esim. täällä: https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Hyvä ja selkeä esitys. Missä vaiheessa tulevat esiin Heisenbergin epämääräisyysrajat? Nythän tarkkuus on jo aivan älytöntä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Heisenbergin epämääräisyysperiaate rajoittaa sitä, miten hyvin valoaaltojen vaihe ja amplitudi tunnetaan, mutta LIGOn interferenssikuvion kannalta tärkeää on vain vaihe. Amplitudille tietysti on jotain rajoituksia (esimerkiksi siitä paljonko peilit heiluvat ja lämpenevät), mutta en tiedä ollaanko lähellä epämääräisyysperiaatteen rajaa.

      Vähän tarkemmin täällä:

      http://ligo.org/science/Publication-SqueezedVacuum/index.php

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Kiitoksia. Tuossahan tuo tuli sanotuksi: However, by using a crystal with non-linear optical properties, it is possible to prepare a special state of light where most of the uncertainty is concentrated in only one of the two variables. Such a crystal can convert normal vacuum to ”squeezed vacuum”, which has phase fluctuations SMALLER than normal vacuum! At the same time, the amplitude fluctuations are larger, but phase noise is what really matters for LIGO.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tämä epämääräisyyden pienentäminen yhdelle muuttujalle ja kasvattaminen toiselle on muuten sattumoisin avain siihen, että inflaation aikaisista kvanttivärähtelyistä (jotka toimivat kaiken rakenteen siemeninä) tulee melkein klassisen näköisiä. (Tästä ehkä toiste enemmän!)

  5. Kimmo Metso sanoo:

    Kiitoksia, hieno yhteenveto erittäin mielenkiintoisesta asiasta.

    Onko jo saatujen havaintojen pohjalta syntynyt/nähtävillä ihan uusia tutkimusalueita, jotka eivät olleet ennustettavissa metsästettäessä itse gravitaatioaaltoja?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei, toistaiseksi kaikki suunnilleen vastaa odotuksia.

      Se, että LIGOn näkemät mustat aukot olivat vähän odotettua isompia on antanut piristysruiskeen sen tutkimiselle, että pimeä aine koostuisi noin kymmenen Auringon massaisista mustista aukoista, mutta idea ei ole uusi.

      1. Eusa sanoo:

        Entä jälkikaiut?
        https://arxiv.org/pdf/1704.07175v3.pdf

        Eikös varsinaiseen gravitaatiotutkimukseen avaudu tutkimusalueita, kun useita hypoteeseja saadaan poissuljettua?
        https://arxiv.org/pdf/1711.07403.pdf

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Jotain uutta spekulaatiota toki on, kuten nuo kaiut (joille ei ole havainnoista mitään tukea), mutta en sanoisi niitä tutkimusalueeksi.

          Jälkimmäisen julkaisun (ja muiden vastaavien) merkityksestä kirjoitin täällä:

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/useiden-sanansaattajien-aikakausi/

          1. Eusa sanoo:

            https://arxiv.org/pdf/1612.00266

            Jotain evidenssiä datasta on havaittavissa, mutta sigmat eivät vielä riitä.

            https://dcc-backup.ligo.org/LIGO-T1700322/public

            Tällä hetkellä parannetaan suodatustunnisteita, joilla kaiut voisivat tulla luotettavasti esiin jo olemassa olevasta datasta. Itse inspiraalille viritetyt mallit, kun eivät palvele kaikuerottelua…

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Tuo data-analyysi on kiistanalainen. Mutta vaikka se olisi oikein, sen tilastollinen merkitys on niin vähäinen, että sana ”evidenssi” ei voi käyttää.

  6. Eusa sanoo:

    https://arxiv.org/pdf/1712.06517

    Saatiinkin jo uutta analyysia. Luotettavuus sille, että kaikuja löytyy, alkaa olla riittävä.

    Nousiko mahdollisuus, että mustan aukon olemus ja tapahtumahorisontti asettuvat aikaisempaa käsitystä kyseenalaisemmiksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Artikkelin analyysi, kuten aiemmat väitteet korrelaatiosta kohinan ja signaalin välillä (ks. https://www.quantamagazine.org/strange-noise-in-gravitational-wave-data-sparks-debate-20170630/) on kiinnostava, mutta on ennenaikaista päätellä siitä mitään fysiikasta.

      Artikkelissa ei väitetä, että kaikuja olisi löydetty, eikä sellaista johtopäätöstä voi vetää heidän analyysistään, vaikka se olisi täysin oikein.

      On syytä odottaa jatkotutkimuksia, erityisesti signaalin, kohinan ja instrumentin parhaiten tuntevalta taholta, eli LIGO/Virgo-koeryhmältä.

      Löytöjen tekemisestä ja tilastollisesta merkittävyydestä, ks.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/nelja-vuosikymmenta-eramaassa/

      1. Eusa sanoo:

        Totta kai tulokset on mainittu alustavina ja tarvitaan useiden riippumattomien tutkimusryhmien tarkastelua, mutta evidenssi-sanaa paperissa viljeltiin koko lailla.

      2. Eusa sanoo:

        On hyvin inhimillistä, että on koodattu tunnistamaan juuri sellaisia signaaleja, joita on etukäteen simuloitu – jopa johdattelevaa karsimista suosien.

        Jos mustat aukot osoittautuvat ECOiksi, noille korrelaatiohälyille voi hyvinkin löytyä puolestaan tarkempi simulaatio…

  7. Eusa sanoo:

    Toinen linkkisi tuli leikepöydällesi väärästä kohdasta. 😉

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, korjasin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *