Ligon observatorio Hanfordissa. (Wikimedia)
Einstein epäili itse aaltojensa todellisuutta, Weber väitti kuulleensa ne, ja LIGO lopulta todisti ne. Gravitaatioaaltojen historia on kertomus sinnikkyydestä, epäilyistä ja tieteellisistä läpimurroista.
Kymmenen vuotta sitten avautui uusi ikkuna maailmankaikkeuteen. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) havaitsi 14. syyskuuta 2015 ensimmäistä kertaa historiassa yleisen suhteellisuusteorian ennustamat gravitaatioaallot. Kaksi noin 30 Auringon massaista mustaa aukkoa yhdistyivät noin 1.3 miljardin valovuoden päässä. Tapahtuma sai itse aika-avaruuden värisemään ja sen synnyttämät mainingit kantautuivat tänne saakka. Äärimmäisen herkkä LIGO onnistui ne havaitsemaan.
Sittemmin on havaittu useita mustien aukkojen tai neutronitähtien yhteensulautumisia. Gravitaatioaaltoihin perustuvat havainnot ovat antaneet paremman kuvan mustien aukkojen kokojakaumasta. Mustien aukkojen yhdistymisistä saadaan selville niiden massa- ja pyörimisjakaumat. Erityisesti gravitaatioaaltojen avulla on saatu selville, että mustia aukkoja löytyy sellaisissakin kokoluokissa, jossa niitä ei odotettu.
Perinteisesti on ajateltu, että neutronitähdet ovat tyypillisesti 1.1–2.3 Auringon massaa ja mustat aukot taas yli 5 Auringon massaa. LIGOn havainnot ovat ravistelleet tätä käsitystä. Vuonna 2020 havaittiin tapahtuma, jossa toinen osapuoli oli noin 2.6 Auringon massaa. Todennäköisesti kyseessä oli harvinaisen raskas neutronitähti, mutta kyseessä saattoi olla myös kevyin tunnettu musta aukko.
Toisaalta LIGO on löytänyt myös harvinaisen raskaita mustia aukkoja. Jos tähti on kyllin suuri, sen uskotaan hajoavan niin täysin, että se ei jättäisi jälkeensä mustaa aukkoa. Kuitenkin gravitaatioaallot ovat kertoneet hyvin raskaidenkin mustien aukkojen törmäyksistä.
Gravitaatioaallot kiistettiin jo ennen suhteellisuusteoriaa
Gravitaatioaaltojen tie teoriasta kokeelliseen vahvistukseen ei ollut suora tahi lyhyt. Reitti kulki muutaman harhapolunkin kautta. Tarinan voi aloittaa jo ajasta ennen yleisen suhteellisuusteorian syntyä. Kuten Gunnar Nordströmistä kertovassa jutussa (MAL-lehti 3/2023) kerroin, oli kilpajuoksussa suhteellisuusteorian oikean muotoilun etsimisessä mukana Albert Einsteinin lisäksi muitakin kilpailijoita. Yksi heistä oli Max Abraham, jonka vuonna 1912 esittämää teoriaa Einstein kritisoi kovin sanoin. Paperissaan Abraham kuitenkin pohti myös gravitaatioaaltoja ja esitti, ettei sellaisia voi olla.
Säteilyä voi olla monen tyyppistä. Monopolisäteily on pallosymmetristä, esimerkiksi symmetrisesti sykkivän pallomaisen lähteen aiheuttamaa säteilyä. Sellaisella ei ole sijaa sähkömagnetismin tai painovoiman teorioissa, koska pallosymmetrinen varaus tai massa aiheuttaa samanlaisen kentän kuin pistemäinenkin.
Sähkömagnetismissa merkittävää on dipolisäteily, joka syntyy esimerkiksi varauksen liikkuessa edestakaisin suoraa viivaa pitkin. Tilanne ei ole pallosymmetrinen, mutta aksiaalinen symmetria löytyy. Akselilla on kaksi napaa ja siksi puhutaan dipolisäteilystä. Painovoiman kohdalla dipolisäteily ei tule kyseeseen liikemäärän säilymisen lain takia. Jos massaa liikkuu johonkin suuntaan, tulee vastakkaiseen suuntaan liikkua jotakin samalla liikemäärällä.
Abraham päätteli, että koska sähkömagnetismissakin olennainen yksinkertaisin säteilylaji ei ole relevantti painovoimateorioissa, ei painovoiman säteilyä eli gravitaatioaaltoja voi olla olemassa. Abraham ei kuitenkaan harkinnut seuraavaa tapausta eli kvadrupolisäteilyä. Yksinkertainen tapa synnyttää kvadrupolisäteilyä on pyörittää akselin päissä olevia napoja. Poista akseli ja kyseessä onkin kaksoistähtijärjestelmä – tai kaksi toisiaan kiertävää mustaa aukkoa tai neutronitähteä.
Nordström huomauttaa virheestä
Einstein sai suhteellisuusteorian kenttäyhtälöt muotoiltua loppuvuodesta 1915. Seuraavana vuonna hän julkaisi artikkelin, jossa esitti aaltoyhtälöratkaisun. Kiihtyvässä liikkeessä olevat epäsymmetriset massasysteemit säteilevät gravitaatioaaltoja. Einsteinin laskuissa piili kuitenkin virhe. Eikä virhe jäänyt muilta fyysikoilta huomaamatta.
Tutustuttuaan suhteellisuusteoriaan Gunnar Nordström kävi läpi samoja laskuja kuin Einsteinkin, mutta päätyi eri tulokseen. Kirjeessään Einsteinille Nordström kertoi, että hänen laskujensa mukaan gravitaatioaallot eivät kuljettaisi energiaa toisin kuin Einstein esitti. Mikä aalto se semmoinen on, jolla ei ole havaittavia vaikutuksia?
Aluksi Einstein väitti vastaan, eikä myöntänyt tehneensä virhettä. Nordström toisti laskutoimitukset huolella uudestaan päätyen taas samaan tulokseen. Lopulta Einsteinin oli myönnettävä virheensä.
Ovatko gravitaatioaallot pelkkää matematiikkaa?
Einstein esitti korjatun version vuonna 1918. Uudessa julkaisussa hän näytti, että aika-avaruuden aaltoilu voi olla pitkittäistä tai poikittaista. Pitkittäinen aaltoilu on vain matemaattinen illuusio, mutta poikittaiset aallot kuljettavat todellakin energiaa, ja ovat siten periaatteessa havaittavissa.
Einstein laski vauhdin, jolla kaksi toisiaan kiertävää massiivista kappaletta menettävät energiaa gravitaatioaaltojen takia. Tässäkin kaavassa hän teki pienen virheen, jonka Arthur Stanley Eddington korjasi muutamaa vuotta myöhemmin.
Einsteinin gravitaatioaaltoja käsittelevät artikkelit ilmestyivät ennen kuin Eddington osoitti vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana valon taipuvan yleisen suhteellisuusteorian ennusteen mukaisesti. Vasta sen jälkeen suhteellisuusteoriasta tuli yleisesti hyväksytty. Varhaisina vuosina ei ollut selvää, mitkä kaikki suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisuista olisivat olennaisia. Esimerkiksi Schwarzschildin esittämää ratkaisua Einstein piti matemaattisena kuriositeettina. Ratkaisu kuvaa mustaa aukkoa, ja nyt tiedämme, että mustia aukkoja on olemassa. Vaikka gravitaatioaallot olisivatkin todellisia, ei ollut selvää, olisiko niitä mahdollista mitata.
Arthur Stanley Eddington oli kiistatta yksi niistä harvoista, jotka ymmärsivät yleisen suhteellisuusteorian hyvin. Vuonna 1922 ilmestyneessä artikkelissaan hän osoitti Einsteiniakin perusteellisemmin, että pitkittäiset gravitaatioaallot eivät ole todellinen ilmiö, mutta poikittaiset ovat ja ne kulkevat valon nopeudella. Eddington ei ollut gravitaatioaaltojen kieltäjä, mutta osoitti pientä varovaisuutta aihetta kohtaan. Hän muistutti, että suhteellisuusteorian kenttäyhtälöille ei tunnettu yhtään kahden kappaleen ratkaisua. Ehkä hän ei ollut halukas uskomaan kaksoistähtien ratojen hiljalleen rappeutuvan.
Einstein epäili aaltoja itsekin
Einstein ei ollut tottunut siihen, että hänen artikkelinsa alistettiin vertaisarvioinnille. Kun Physical Review -lehden toimittaja lähetti Einsteinille vertaisarvioijan kritiikin, paloi Einsteinilta pinna. Vertaisarviointi ei ollut tuohon aikaan vielä vakiintunut käytäntö. Saksalaisissa lehdissä oli arviointi aika harvinaista. Amerikassa se oli vähän yleisempää, mutta myös Physical Review oli aiemmin julkaissut Einsteinin artikkeleja ilman arvioijan lausuntoa.
Einstein ja Nathan Rosen olivat lähettäneet kesällä 1936 lehteen artikkelin otsikolla ”Do Gravitational Waves Exist?” eli ”Onko gravitaatioaaltoja olemassa?”. Kun lehden toimittaja kehtasi vastata kritiikkiä sisältävällä vertaisarvioijan lausunnolla, kirjoitti Einstein hänelle lähettäneensä artikkelin julkaistavaksi, ei jaettavaksi kenellekään muulle. Einstein ei enää koskaan julkaissut artikkeleitaan Physical Review -lehdessä.
Rosen ja Einstein olivat tulleet siihen tulokseen, että suhteellisuusteorian aaltoratkaisuihin liittyi singulariteetteja. He tulkitsivat, että gravitaatioaallot eivät ole mahdollisia. Matemaattiset singulariteetit eivät kuitenkaan aina ole todellisia, vaan saattavat johtua koordinaattien valitsemisesta. Esimerkiksi pituuspiirin määrittäminen pohjoisnavalla ei onnistu, mutta pohjoisnapa on silti todellinen paikka.
Rosen oli ehtinyt palata Neuvostoliittoon, joten artikkelin julkaiseminen oli jäänyt Einsteinin kontolle. Ilman Rosenia Einstein muokkasi artikkelia ennen kuin lähetti sen vähemmän tunnettuun Journal of the Franklin Institute -lehteen. Julkaistu artikkeli ei enää kiistänyt gravitaatioaaltojen olemassaoloa. Kun Rosen jälkikäteen kuuli, miten artikkeli oli muuttunut, ei hän ollut iloinen. Hän esitti vielä pitkään kritiikkiä gravitaatioaaltoja kohtaan.
Ennen artikkelin julkaisua Einsteinin oli kertonut tuloksistaan yhteistyökumppanilleen, Leopold Infeldille, joka taas keskusteli sapattivuodeltaan Princetoniin palanneen Howard Percy Robertsonin kanssa. Robertson osasi esittää yllättävän tarkkanäköisiä huomioita. Infeld ei tiennyt, että Robertson oli Physical Reviewn käyttämä anonyymi vertaisarvioija. Kun Infeld keskusteli Robertsonin huomioista Einsteinin kanssa, kertoi tämä edellisiltana itsekin huomanneensa artikkelissa virheen.
Chapel Hillin konferenssi oli käännekohta
Vielä 1950-luvulla fyysikkojen keskuudessa esiintyi epävarmuutta sitä kohtaan, että ovatko gravitaatioaallot todellisia. Käännekohtana voidaan pitää Pohjois-Carolinassa vuonna 1957 pidettyä Chapel Hillin konferenssia. Konferenssiin osallistui sellaisia merkittäviä fyysikkoja kuin Freeman Dyson, John Archibald Wheeler ja Bryce DeWitt.
Konferenssiin osallistui myös Richard Feynman, joka kylläkin puhui painovoiman kvanttimekaanisesta kuvailusta. Feynmanin esitys sai Léon Rosenfeldin kommentoimaan, että koska elektrodynamiikassa koko kvantisoinnin idea tulee säteilykentästä, tulisi ensin ymmärtää, että onko painovoimalla säteilykenttää ollenkaan ennen kuin kannattaa pohtia sen kvantisointia.
Vastauksena Rosenfeldille Feynman esitti tahmeiden helmien ajatuskokeen. Tangon päälle on pujotettu kaksi tahmeaa eli kitkaista helmeä. Kun gravitaatioaalto kulkee ohi, se venyttää ja kutistaa tankoa sekä myös liikuttaa helmiä toisiinsa nähden. Koska tanko on jäykkä, vastustaa se venytystä ja kutistumista jonkin verran. Helmet liukuvat silloin tankoa pitkin. Helmien ja tangon välinen kitka tuottaa lämpöä. Tämä lämpöenergia on peräisin gravitaatioaallosta, joten niiden täytyy kuljettaa energiaa.
Feynman esitti argumentillaan asian yksinkertaisesti. Merkittäviä edistysaskeleita aaltojen matemaattisen tarkan kuvauksen kehittämisessä ottivat Hermann Bondi ja Felix Pirani, jotka hekin osallistuivat Chapel Hillin konferenssiin. Konferenssin jälkeen fyysikot pääsivät yksimielisyyteen siitä, että gravitaatioaallot ovat todellisia fysikaalisia ilmiöitä.
Weberin sylinterit värähtelivät
Chapel Hillin konferenssi teki suuren vaikutuksen yhteen osallistujista. Pian konferenssin jälkeen Joseph Weber ja Wheeler julkaisivat artikkelin, joka julisti gravitaatioaaltojen todellisuutta ja pohti, miten niitä voisi havaita.
Weber oli koulutukseltaan kokeellinen fyysikko ja entinen insinööriupseeri, jolla oli käytännön lahjakkuutta ja kokemusta sähkötekniikan ja fysiikan rajapinnasta. Hän oli jopa julkaissut vuonna 1952 artikkelin stimuloidusta mikroaaltosäteilystä – ideasta, joka ennakoi laserteknologiaa.
Weber ei siis ollut kuka tahansa kaheli, vaikka hänet helposti sellaisena nykyään nähdään. Weber nimittäin vei gravitaatioaaltojen havaitsemisen teoriasta käytäntöön. Itse hän uskoi kuolemaansa saakka havainneensa gravitaatioaallot.
1960-luvulla Weber ryhtyi rakentamaan ensimmäisiä gravitaatioaaltoilmaisimia: suuria alumiinisylintereitä, jotka oli ripustettu tyhjiökammioon. Kun aalto kulkisi sylinterin läpi, se värähtelisi, ja pietsosähköiset muuntimet muuttaisivat värähtelyn sähköiseksi signaaliksi. Weber käytti kahta ilmaisinta, toista Marylandin yliopistossa ja toista lähes tuhannen kilometrin päässä Argonnen laboratoriossa.
Vuonna 1969 Weber julkaisi havainneensa gravitaatioaallot. Molemmat ilmaisimet olivat nähneet yhtä aikaa jotakin, joka ylitti hänen satunnaiskohinalle asettamansa rajat. Seuraavana vuonna Weber osasi kertoa gravitaatioaaltojen tulevan Linnunradan keskustan suunnasta. Data viittasi siihen selvästi. Kun sylintereiden kyljet olivat galaksin keskustan suuntaan, tehtiin havaintoja enemmän kuin muina aikoina.
1970-luvun ensimmäinen puolisko oli täynnä innostusta Weberin havainnoista. Niihin suhtauduttiin kuitenkin pienellä varauksella. Weberin havaitsemat signaalit olivat monta kertaa suurempia kuin mitä oli odotettu. Weberin mittaustekniikatkin herättivät epäilyjä. Kyseessä oli kuitenkin merkittävä saavutus, joten useat tutkimusryhmät ympäri maailmaa pyrkivät toistamaan mittaukset. Vastaavia instrumentteja rakennettiin, mutta mitään ei havaittu. 1970-luvun lopussa kaikki paitsi Weber itse tulivat siihen tulokseen, että Weberin havainnot eivät olleet todellisia.
Joseph Weber ei antanut periksi. Vaikka hänen tuloksensa kiistettiin, hänen metodejaan kyseenalaistettiin ja kukaan muu ei vastaavilla laitteilla mitään havainnut, uskoi Weber löytäneensä gravitaatioaallot. Hän jatkoi työtään elämänsä loppuun asti.
Weber työskentelemässä ilmaisimensa parissa. (Special Collections and University Archives, University of Maryland Libraries)
Ensimmäinen epäsuora havainto
Samaan aikaan, kun pessimismi kasvoi ja Weberin tulokset hylättiin, oli gravitaatioaalloista tulossa totisinta totta. Vuonna 1974 Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät toista neutronitähteä kiertävän pulsarin. Pulsari on nopeasti pyörivä neutronitähti, joka lähettää napojensa kautta kapeita radiosäteilyn säteitä. Kun tähti pyörii, nämä säteet pyyhkäisevät avaruuden halki kuin majakan valokiila. Jos säde osuu Maahan, näemme säännöllisiä radiosignaaleja, kuin tarkasti sykkivän kellon tikitystä.
Taylorin ja Hulsen löytämää kaksoisneutronitähteä havainnoitiin usean vuoden ajan. Seuraamalla pulsarin pulssia voitiin todeta kiertoradan kutistuvan hitaasti. Kutistuminen vastasi juuri sitä, kuinka paljon järjestelmä menettää energiaa gravitaatioaaltoina. Hulselle ja Taylorille myönnettiin vuonna 1993 Nobelin palkinto gravitaatioaaltojen epäsuorasta havainnosta.
Pulsariverkko värisee
Samoihin aikoihin, kun Taylor ja Hulse julkaisivat mittauksensa, yhdysvaltalainen fyysikko Steven Detweiler esitti, että joukko pulsareita voisi muodostaa valtavan kelloverkon, jonka kautta avaruuden hienovaraiset värähtelyt voitaisiin mitata. Gravitaatioaallot muuttaisivat pulssien saapumisaikoja mitättömästi, mutta yhteinen signaali voitaisiin havaita, kun tarpeeksi monta pulsaria tarkkaillaan samanaikaisesti.
Vaati vuosikymmenien työn kehittää radioteleskooppeja ja atomikelloja kyllin tarkoiksi, mutta lopulta pulsarien verkostosta tuli koko galaksin laajuinen gravitaatioaaltodetektori. Kesällä 2023 kaikki pulsariverkostoja tarkkailevat tutkimusryhmät julkaisivat yhtäpitäviä tuloksia, jotka osoittivat gravitaatioaaltojen taustasäteilyn.
Havainnoista ei saada tietoa yksittäisistä tapahtumista, vaan ne ovat matalataajuisia maininkeja avaruuden kudoksessa. Aallonpituudet ovat valovuosien pituisia ja liittyvät todennäköisesti supermassiivisten mustien aukkojen kaksoisjärjestelmiin.
Pulsariverkkojen näkemät aallot voisivat olla myös kaikua varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumista. Inflaation, siis sekunnin murto-osan aikana tapahtuneen varhaisen maailmankaikkeuden eksponentiaalisen nopean laajenemisen, uskotaan venyttäneen kvanttimekaaniset fluktuaatiot makroskooppisiksi gravitaatioaalloiksi.
Väärä hälytys ennen läpimurtoa
Inflaation aikaiset gravitaatioaallot voisi nähdä myös kosmisesta mikroaaltotaustasta. Maaliskuussa 2014 hurmio valtasi maailmankaikkeuden alkuperän tutkijat. Etelänavalla toiminut BICEP2-teleskooppi oli havainnut kosmisessa mikroaaltotaustassa hienovaraisen kiertokuvion, niin sanotun B-moodin polarisaation. Se tulkittiin merkiksi inflaation aikaisista gravitaatioaalloista, maailmankaikkeuden ensimmäisten hetkien jäännöksestä. Löytöä pidettiin Nobel-tasoisena tuloksena.
Riemua kesti vain hetken. Toiset tutkijat alkoivat epäillä, että signaali saattoi syntyä galaksimme pölystä, jonka hiukkaset polarisoivat valoa lähes samalla tavalla. Syksyllä 2014 Planck-satelliitin tarkemmat mittaukset osoittivat pölyä olevan luultua enemmän. Lopulta vuonna 2015 yhteisanalyysi osoitti, että koko havainto voitiin selittää pelkällä pölyllä.
Yhtä aikaa BICEP2-mittausten kanssa LIGOa oli valmisteltu otettavaksi käyttöön. Viimeisimpien muutosten myötä sen toivottiin olevan tarpeeksi herkkä havaitsemaan gravitaatioaaltoja. Kuinka ollakaan, lähes välittömästi sen jälkeen, kun ilmaisimet kytkettiin päälle syyskuussa 2015, ne rekisteröivät selkeän gravitaatioaaltosignaalin. Universumin väreily oli vihdoin havaittu suoraan. •
Niklas Hietala