Useiden sanansaattajien aikakausi

21.10.2017 klo 15.11, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGO/Virgo-tutkimusryhmällä pitää kiirettä. Syyskuun lopulla se ilmoitti uusimmasta havainnosta musta aukko –parin törmäyksestä syntyneistä gravitaatioaalloista. Kuusi päivää sen jälkeen Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia julisti Reiner Weissin, Barry C. Barishin ja Kip. S. Thornen saavan Nobelin palkinnon LIGOn havaintojen tiimoilta. Vajaa kaksi viikkoa myöhemmin, viime maanantaina, LIGO/Virgo tiedotti ensimmäisestä koskaan havaitusta neutronitähtien törmäyksestä. (Kommentoin asiaa tuoreeltaan Ylelle.)

Toisiaan kohti suistuvien tähtien synnyttämä gravitaatioaalto pyyhkäisi läpi Maan 17. elokuuta, vain kolme päivää syyskuussa ilmoitetun musta aukko –parin aikaansaaman aallon jälkeen. Tämä havainto neutronitähdistä on LIGOn toistaiseksi merkittävin löytö (LIGOn ensimmäistä gravitaatioaaltohavaintoa kenties lukuun ottamatta). Samalla se on paluu gravitaatioaaltohavaintojen juurille.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo osoitettiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa juuri toisiaan kiertävien neutronitähtien avulla. Vuonna 1974 Russell Hulse ja Joseph Taylor löysivät kaksoisneutronitähtijärjestelmän, joka on sittemmin nimetty heidän mukaansa. Seuraamalla näitä toistensa ympärillä vinhasti kieppuvia tähtiä huomattiin, että ne lähestyvät toisiaan, mistä voi päätellä niiden menettävän energiaa. Yleisestä suhteellisuusteoriasta voidaan laskea, millä tahdilla tähtien pitäisi lähettää energiaa mukanaan vieviä gravitaatioaaltoja, ja tulos vastaa havaintoja. Hulse ja Taylor saivatkin tästä Nobelin palkinnon.

Hulse-Taylorin neutronitähtiparin suhde on melko vakaa, ja kestää satoja miljoonia vuosia ennen kuin ne törmäävät. LIGO ja Virgo näki sen sijaan nyt havaitun parin elämän viimeiset 100 sekuntia, joiden lopussa ne tuhoavat toisensa väkivaltaisesti. Signaali oli voimakkain toistaiseksi nähty gravitaatioaalto, koska kohde oli kosmologisesti ottaen hyvin lähellä, vain 100 miljoonan valovuoden päässä.

Ei itse asiassa ole varmuutta siitä, olivatko molemmat parin jäsenet neutronitähtiä, mutta ainakin toinen luultavasti oli. Tämä on päätelty kahdesta seikasta.

Ensinnäkin molemmat kohteet olivat kevyitä: toisen massa oli noin yhden Auringon massan verran, toisen yhdestä kahteen. Tämä on oikea suuruusluokka neutronitähdille, kun taas tähtien romahduksesta syntyneiden mustien aukkojen odotetaan olevan raskaampia. Toisekseen, paljon tärkeämpää on se, että ensimmäistä kertaa nähtiin törmäykseen liittyvää sähkömagneettista säteilyä, niin näkyvää kuin näkymätöntäkin valoa.

Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).

Siinä, että LIGO löysi gravitaatioaallot toissavuonna ei ollut mitään yllättävää; olisi hämmästyttävää, jos niitä ei olisi olemassa. Kuten olen maininnut, gravitaatioaallot ovat merkittäviä siksi, että ne avaavat aivan uuden kanavan maailmankaikkeuteen. Nyt julkistettu neutronitähtihavainto on ensimmäinen esimerkki tutkimustavasta, joka on saanut muodikkaan nimen multimessenger astronomy, suomeksi siis ”useiden sanansaattajien tähtitiede”, mikä tarkoittaa saman ilmiön havaitsemista erilaisia riippumattomia reittejä pitkin.

Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.

Erilaisten signaalien mittaaminen samasta kohteesta edellyttää tehokasta koordinaatiota. Ensimmäiseksi Fermi-satelliitti havaitsi gammasäteet ja lähetti ilmoituksen siitä 14 sekuntia myöhemmin. LIGO/Virgo huomasi kuuden minuutin kuluttua, että yhdessä heidän kolmesta detektoristaan oli signaali 1.7 sekuntia ennen gammasäteitä. Koska aika oli hyvin lähellä gammasäteiden tuloaikaa eli gravitaatioaalloilla luultavasti oli sama alkuperä, LIGO/Virgo lähetti 34 minuutin kuluttua hälytyksen tapahtuneesta, jotta kymmenet tutkimusryhmät ympäri maailmaa osasivat suunnata teleskooppinsa maan päällä ja avaruudessa sinne mistä gammasäteet olivat tulleet. Neljän tunnin ja 33 minuutin kuluttua LIGO/Virgo oli saanut analysoitua kaikkien kolmen havaintolaitteensa datan ja vahvisti, että gravitaatioaaltosignaali tuli samasta paikasta kuin gammasädepurkaus, vahvistaen, että ne ovat osa samaa tapahtumaa.

Gravitaatioaaltojen ja valon lisäksi tapahtumaa yritettiin nähdä myös neutriinojen avulla: Etelänavan alla oleva IceCube-detektori, Välimeren syvyydessä oleva Antares ja 3 000 neliökilometriä Argentiinan pampaa yli kilometrin korkeudessa kattava Pierre Auger –observatorio yrittivät kukin nähdä törmäyksen jälkeen syntyneissä hiukkasvirroissa syntyneitä neutriinoja, mutta niitä ei ilmeisesti syntynyt tarpeeksi, koska mitään ei havaittu. Tämäkin on hyödyllistä tietoa, koska se rajoittaa sitä, mitä törmäyksen jälkeen voi tapahtua.

Usean sanansaattajan tähtitiede mahdollistaa uudenlaiset tarkkuustestit, joita ei voi tehdä pelkästään yhdenlaisella signaalilla.
Yksi esimerkki on sellaisten mallien tutkiminen, missä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista yritetään selittää muokkaamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa valoaallot ja gravitaatioaallot kulkevat samalla nopeudella. Kun gravitaatiopuoleen lisää kaikenlaista kommervenkkiä, niin tämä muuttaa gravitaatioaaltojen kulkua, mutta ei valon (tai ainakin ne muuttuvat eri tavalla). Se, että valoaallot ja gravitaatioaallot saapuivat Maahan 1.7 s päässä toisistaan kuljettuaan 100 miljoonaa valovuotta tarkoittaa sitä, että niiden nopeudet voivat erota toisistaan vain sen verran kuin pari sekuntia eroaa 100 miljoonasta vuodesta, eli miljardisosan miljoonasosan verran. Tämä on niin tiukka raja, että se osoittaa vääräksi tämän kokonaisen luokan malleja kiihtyvän laajenemisen syistä.

Saman tyyppistä ideaa voi soveltaa myös yrityksiin korvata pimeä aine gravitaatiolain muutoksella. Tällaisissa malleissa tehdään jossain mielessä vastakkaisesti kuin kiihtyvän laajenemisen selityksissä: niissä muutetaan gravitaatiota siten, että aine ja valo liikkuvat eri tavalla, mutta gravitaatioaallot käyttäytyvät kuten ennen. Jotta mallit sopivat havaintoihin, niiden ennusteiden pitää olla hyvin samanlaiset kuin pimeän aineen, eli aine ja valo tuntevat isomman gravitaation kuin mitä pelkästään tavallinen aine synnyttää. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä on, sitä hitaammin aika kulkee. Tällaisissa malleissa valo kulkee siis hitaammin kuin gravitaatioaallot. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan ne tuntevat saman gravitaatiokentän ja kulkevat siksi samalla nopeudella. Meidän ja neutronitähtiparin välissä oleva aine aiheuttaa kuukausien viiveen, mutta havaittu ero gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen kulkuun on vain 1.7 sekuntia. Tästä voi päätellä, että tällaiset pimeää ainetta korvaavat mallit ovat väärässä, ainakin nykymuodossaan. Jos ne haluaa pelastaa, niitä pitää muokata siten, että myös gravitaatioaallot hidastuvat kuin pimeää ainetta olisi olemassa, mikä ei ole aivan yksinkertaista.

Jos havaitsijat työskentelivät kuumeisesti kun gravitaatioaaltosignaali jäi haaviin, niin teoreetikot ovat kiivaasti kirjanneet johtopäätöksiään ylös havainnon julkistamisen aikoihin. Ensimmäiset teoreettiset artikkelit laitettiin nettiarkisto arXiviin samana päivänä kun havainnot julkistettiin (jotkut jopa ennen julkistamista), huhujen levittyä laajalle. Olen par’aikaa vierailulla Oxfordissa, ja täällä työskentelevä Pedro Ferreira ja hänen yhteistyökumppaninsa aloittivat muokatun gravitaatiolain mallit vääräksi osoittavan artikkelin tekemisen perjantaina ja saivat sen valmiiksi maanantaina, laittaen sen arXiviin kaksi tuntia ja kolme minuuttia LIGO/Virgon lehdistötilaisuuden alkamisen jälkeen. Samaa asiaa käsittelevät kahden muun ryhmän hyvin samanlaiset artikkelit laitettiin arXiviin 13 ja 53 minuuttia myöhemmin, ja ne kaikki ilmestyivät tiistaina.

LIGO/Virgo ja muut havaintoja tehneet ryhmät olivat sikäli ihailtavan hillittyjä, että ne julkistivat tuloksensa vasta niiden käytyä läpi vertaisarvioinnin, toisin kuin gravitaatioaaltoja löytäneensä luullut BICEP2-ryhmä vuonna 2014.

Näillä havainnoilla voi tehdä paljon muutakin, esimerkiksi mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta ja asettaa rajoja neutronitähtien mahdolliselle pimeästä aineesta muodostuvalle ytimelle. Data-analyysi jatkuu, ja päivitystauolla olevat LIGO/Virgo käynnistyvät ensi vuonna entistä ehompina. Perustavanlaatuista fysiikkaa luotaavien havaintojen kärki on siirtynyt maanalaisista hiukkaskiihdyttimistä taivaan katsomiseen. LIGO/Virgon artikkelin sanoin: ”Alle kaksi vuotta gravitaatioaaltotähtitieteen ensi-illasta [nyt havaittu aalto] GW170817 merkitsee uusien löytöjen aikakauden alkua.”

29 kommenttia “Useiden sanansaattajien aikakausi”

  1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Onko tässä gravitaatiotähtitieteessä mitään mainittavaa suomalaisen tiedeyhteisön edustusta ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gravitaatioaaltojen osalta ei. Gravitaatioaallot synnyttäneen tapahtuman havaitsemisessa sähkömagneettisen säteilyn avulla ollaan mukana Tuorlan observatoriosta.

  2. Eusa sanoo:

    Merkittävä falsfioituminen tuo, että massakenttä ja gravitaatio ovat ekvivalentteja ja muu teoreettinen lähtökohta voidaan unohtaa.

    Onko tiedossa muunnetun gravitaation teorioita, joissa massaa generoituu muuten kuin ainehiukkasin eli massakenttää muodostuu samalla kuin lisägravitaatiotakin, esim. hiukkasta laajempina resonaatioina?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En kirjoittanut, että ”massakenttä ja gravitaatio ovat ekvivalentteja”. En tiedä mitä tarkoitat massakentällä.

      1. Eusa sanoo:

        Tarkoitan massakentällä, että gravitaatiokenttä on vain hitaan energian eli massan manifestaatio, ei jonkin muun gravitaatiofunktion, esim f(R) tai f(T).

        Voitko vastata kysymykseeni?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En ymmärrä kysymystä. Niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin muokatuissa f(R)-gravitaatioteorioissa gravitaation lähteenä toimii energiatiheys, paine, energiavirta ja anisotrooppinen stressi, ei massa. Termi ”massakenttä” ei kuulu gravitaatioteorioiden sanavarastoon. Hitaudella ei ole asian kanssa mitään tekemistä.

          Nyt tehdyt havainnot eivät sulje pois f(R)-teorioita. Myös niissä teorioissa, jotka ne osoittivat vääriksi, gravitaation lähteenä toimivat yllä mainitsemani aineen ominaisuudet.

          1. Eusa sanoo:

            Olen joihinkin kuvailemiini eksoottisen massamekanismin ideoihin törmännyt, nyt löysin mm. tällaisen: https://arxiv.org/pdf/1605.05763

            Massakenttä on oma muistiinpanotermini muistuttamaan siitä, ettei suoraviivainen energiavirta nopeudella c gravitoi (vain emissio ja absorptio muuttavat gravitaatiota):

            https://arxiv.org/pdf/1511.01023

            Ekvivalenssiperiaatteen olen ymmärtänyt niin, että inertiaalisuus ja gravitoivuus ovat energiasisällön sama ominaisuus.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Tässä menee sekaisin monta eri asiaa. Tämä riittäköön tästä.

          3. Eusa sanoo:

            Tämän havainnon poissulkevuudesta ymmärsin niin, ettei kyse ole gravitaation lähteestä sinänsä vaan siitä, ettei gravitaation voimakkuus voi poiketa juurikaan siitä mitä yleisen suhteellisuusteorian aine-yhdistelmän eli jännitys-energia-liikemäärä-tensorin mukaan avaruusaika kaareutuu, ei esim. lineaariseen etäisyyteen perustuvia lusätermejä, vai?

            Siksi tarvitaan aitoa pimeää massaa, ei korjaustermejä tunnetuille massoille…

          4. Syksy Räsänen sanoo:

            Ei, havainto ei rajoita gravitaatiokentän ja massan suhdetta mainitsemallasi tavalla, vaan sitä miten gravitaatiokenttä vaikuttaa aineeseen ja gravitaatioaaltoihin.

  3. Eusa sanoo:

    Tulkitsin Baker, Bellini, Ferreira et al -paperista, että havainto poissulkee nimenomaan bigravitaation ja tukee GR-monogravitaatiota, mutta antaapa olla tästä sen enempää.

    Sen sijaan kiinnostaa näkemyksesi tuosta 1,7 sekunnin viiveestä – pidätkö todennäköisempänä viiveen syyksi gamma-aaltojen irtoamista neutronitähtien törmäysalueelta vapaaseen avaruuteen tuon verran myöhemmin vai eron syntymistä matkan aikana?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Bigravitaatio on taas eri asia.

      Gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen syntyajassa odotetaan olevan ainakin tuon suuruinen ero, joten ei ole mitään tarvettaa syyttää siitä matka-aikojen eroa. On tietysti periaatteessa mahdollista, että matka-ajoissakin on samansuuruinen ero, tai että syntyajoissa on isompi ero, jonka iso ero matka-ajoissa kumoaa, mutta se olisi melkoinen sattuma.

      1. Eusa sanoo:

        Täysin samoin arvelen, ettei matkalla synny eroja. Tästä saatanee lisää vertailudataa, kun havainnointi jälleen käynnistyy ensi vuoden puolella…

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).”

    Minusta tässä järjestyksessä ei kaikki natsaa? Röntgensäteet ovat energeettisempiä kuin näkyvä valo, mutta miksi ne saapuvat valon jälkeen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ks. vastaus Janne Karin kysymykseen alla.

  5. Janne Kari sanoo:

    Avaatko vielä Syksy hieman sitä, miksi näkyvän valon havaitsemiseen meni tunteja (ilmeisesti näkyvä valo syntyi ”hitaasti” tapahtuman seurauksena”)?

    Entä mikä selittää röntgensäteiden ja radioaaltojen päiviä kestäneen saapumisviiveen, kun maallikon mielestä ”kaikki” sähkömagneettisen spektrin jaksot liikkuvat samalla valonnopeudella?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kaikki sähkömagneettiset aallot tosiaan liikkuvat tyhjössä samalla nopeudella.

      Tekstistä:

      ”Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.”

  6. Lentotaidoton sanoo:

    ”Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.”

    Tämä selvää. Koska ja miten voimme tietää oliko tuloksena neutronitähti vai musta aukko? Vai meneekö siihen todennäköisesti vuosia/vuosikymmeniä? Mustan aukon neutriinojen mahdollista havaitsemista vaikeuttanee kohteen kaukaisuus allaolevaan verrattuna. Nythän itse kohde lienee selvä.

    Vaikka onkin eri asia niin eihän SN 1987A:stakaan tiedetä (vielä) mitä jäi jäljelle. Neutronitähti (pulsari) tai myöhemmän materiaaliputouksen ansiosta syntynyt musta aukko.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tässä nimenomaisessa tapauksessa lopputuloksen päätteleminen vaatisi nykyistä parempaa teoreettista ymmärrystä neutronitähtien törmäyksistä. (Tai sitä, että olisi saatu enemmän dataa: esimerkiksi mustat aukot ja neutritähdet lähettävät erilaisia gravitaatioaaltoja asettuessaan aloilleen törmäyksen jälkeen, mutta sellaisia aaltoja ei tällä kertaa havaittu.) Kun neutronitähtien törmäyksiä nähdään lisää, ymmärrys varmasti paranee. Kuinka nopeasti tämä tapahtuu, sitä en osaa sanoa, riippuu siitäkin, kuinka usein niitä nähdään.

  7. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Mainitsit että gravitaatiofysiikan tutkijat Oxfordissa kirjoittivat artikkelin heti viimeisimmän LIGO:n tuloksen jälkeen, ja laittoivat sen arXiv:iin mielettömällä kiireellä (normaaliin julkaisukäytäntöön nähden). Miksi tarkalleen moinen kiire ? Väistämättä kovin kova tahti syö laatua. Onko syynä sitaatiotilastot ja siis h-indeksistä huolehtiminen, vai miksi ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiire johtuu siitä, että kun tulee uutta sykähdyttävää dataa tai teoreettisia väitteitä, niin kaikki ryntäävät niiden kimppuun. Suunnilleen samaan aikaan ilmestyi samasta aiheesta kolme muutakin artikkelia. Ne kaikki käsittelivät asioita, jotka kirjoittajat jo tunsivat, mutta joista havaintojen avulla saattoi tehdä uusia johtopäätöksiä.

      Olen itsekin kerran tehnyt artikkelin neljässä päivässä (mitattuna siitä kun laitoin kynän paperiin laskuja varten siihen kun lähetin sen arXiviin).

      1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

        Joo, jos ilmestyy jotain sykähdyttävää niin siitä luonnollisesti seuraa että (melkein) kaikki alan tutkijat ryntäävät sen aiheen kimppuun.

        Mutta miksi tarkalleen tuo tunneissa laskettava kiire julkaista ? Onko syynä se, että on niin tärkeätä saada ensimmäisenä sanottua asiansa, vaikka aikaero seuraavaan joka sanoo suunnilleen saman asian on laskettavissa tunneissa tai päivissä ?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Se, joka ylittää maaliviivan ensimmäisenä on voittaja.

          arXiv laittaa artikkelit julki kerran päivässä (paitsi viikonloppuisin), samana päivänä laitettuja pidetään samanaikaisina, mutta seuraavana päivänä tullut artikkeli on jo myöhempi (siinähän voi käyttää julkitullutta artikkelia hyväksikin).

  8. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Syntyykö mahdollisesti havaittavia gravitaatioaaltoja supernovaräjähdysten yhteydessä ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, ei tosin ole varmaa ovatko ne tarpeeksi voimakkaita LIGO/Virgolle. Kirjoitin niistä ja muista mahdollisista tulevista kohteista hieman täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/isoja-aukkoja-nopeita-rajahdyksia-ja-pienia-vuoria/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *