Havaintoja maailmankaikkeudesta
Sähkömagneettinen säteily eri aallonpituusalueineen (näkyvä valo, radioaallot, röntgensäteily jne.) on pääasiallinen tapa saada suoria havaintoja vähintään 380 000 vuotta vanhasta maailmankaikkeudesta. Tuota hetkeä aikaisemmin fotonit eivät päässeet kulkemaan vapaasti, koska elektronit eivät olleet vielä sitoutuneina atomiytimiin, ja fotonit sirosivat jatkuvasti vapaana olevista varauksellisista hiukkasista. Havainnot varhaisesta maailmankaikkeudesta olisivat tärkeitä, koska tuolloin olosuhteet ovat olleet juuri sellaisia, joita nykyfysiikka ei kuvaa, ja joista haluttaisiin saada kokeellista tietoa.
Gravitaatioaaltojen havainnointi on uusi keino saada tietoa maailmankaikkeudesta. Ne ovat yksi yleisen suhteellisuusteorian ennusteista. Einstein ennusti niiden olemassaolon jo v. 1916. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tiheät massakeskittymät kaareuttavat aika-avaruutta voimakkaasti. Niiden liikkuessa kaarevuus muuttuu tietyssä pisteessä: se voimistuu lähellä massakeskittymää ja heikkenee siitä etäännyttäessä. Einstein havaitsi, että massakeskittymän liikkeen aiheuttama muutos etenee ympäröivään aika-avaruuteen aaltomaisesti ja matemaattisesti, aivan samoin kuin veden pinnalla etenevä aalto. Tämä painovoima-aalto voitaisiin havaita siten, että sen kulkiessa mittausaseman läpi aseman pituus hetkellisesti hieman muuttuu.
Painovoima-aallot onnistuttiin havaitsemaan ensimmäisen kerran v. 2015. Havainto tehtiin LIGO-mittausjärjestelmällä. Sen mittausasemassa on kaksi 90 asteen kulmassa olevaa 4 km pitkää putkea, joiden päissä on peilit. Kun kumpaankin putkeen lähetetään identtinen valopulssi samanaikaisesti, ne tulevat takaisin samassa vaiheessa, ja havaitaan vahvistava interferenssi. Jos gravitaatioaalto kulkee aseman läpi, jompikumpi putkista pitenee tai lyhenee, ja vahvistava interferenssi häviää. Laite kykenee havaitsemaan pituuden muutoksen, jos 4 km pitkä putki pitenee tai lyhenee edes 10-18 metriä. Eri puolille maapalloa on sijoitettu kolme LIGO-järjestelmän mittausasemaa, jotta voidaan päätellä aallon tulosuunta ja seurata sen etenemistä. Oikealla on kuva Yhdysvaltojen Hanfordissa sijaitsevasta asemasta. Asemia on tarkoitus rakentaa lisää. Mittausherkkyyttä voidaan kasvattaa perustamalla mitta-asema avaruuteen. Avaruuden mitta-asemassa putki korvattaisiin täsmälleen samalla etäisyydellä toisistaan pysyvillä satelliiteilla, joiden välillä valopulssit kulkisivat. Satelliitit voivat hyvin olla paljon kauempana toisistaan kuin 4 km, jolloin mittauksesta tulee yhä tarkempaa.
Video: LIGO:n havainto painovoima-aalloista (LIGO Lab Caltech)
Mittaustekniikan kehittyessä odotetaan gravitaatioaaltojen avulla saatavan paljon uutta tietoa maailmankaikkeudesta seuraavina vuosikymmeninä. Gravitaatioaallot pääsevät kulkemaan avaruudessa esteettömästi, ja siksi niiden ansiosta nähdään kauemmas menneisyyteen kuin sähkömagneettisen säteilyn avulla. Lisäksi niiden kautta odotetaan tietoa kohteista, jotka ovat muiden kohteiden takana tai sisällä. Tietoa odotetaan esim. galaksien keskustoissa sijaitsevista mustista aukoista.
Ensimmäiset havaitut painovoima-aallot olivat peräisin kahden mustan aukon törmäyksestä. Aukot kiersivät toisiaan ajautuen painovoiman vetäminä yhä lähemmäs, jolloin kierrosaika pieneni. Alla kuvassa sinisellä on LIGO:n havaitsema aalto ja sen taustalla punaisella yleisen suhteellisuusteorian perusteella ennustettu aalto. Erimassaiset aukot tuottavat hieman erilaisia aaltoja. Tutkimalla millainen aalto sopi parhaiten mittaustulokseen, voidaan päätellä yhteen sulautuvien mustien aukkojen massa. Pystyakselin yksikkö on havaintoputken pituuden suhteellinen muutos.
Alemmassa kuvaajassa on esitetty vihreällä aukkojen suhteellinen nopeus. Suhteellinen nopeus lähestyy valonnopeutta aukkojen lähestyessä toisiaan. Etäisyys on esitetty samassa kaaviossa mustalla värillä.
Maailmankaikkeudesta 95 % on meille tuntematonta, kun pimeän energian ja pimeän aineen luonnetta ei tunneta. Standardimallin rakentumisen jälkeen sen osasten kokeellinen todentaminen kesti vuosikymmeniä, ja gravitaatioaallot löydettiin vasta sata vuotta niiden ennustamisen jälkeen. Ehkä olemme tehneet vasta kurkistuksen maailmankaikkeuden moninaisuuteen. Tulevaisuuden fyysikoille riittää paljon pohdiskeltavaa, mitattavaa ja tutkittavaa ennen kuin pääsemme näkemään, millainen maailmankaikkeus todella on, ja miten se rakentuu.