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.

26 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 käyttäjälle Eusa Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *