Useimmissa tapauksissa painovoiman vaikutusten havaitseminen ei ole niin vaikeaa. Pilvenpiirtäjät kiirehtiä kohti maata heti, kun ne nousevat pois lentokoneesta, ja avaruusteleskooppien ansiosta voit nähdä valon sulautuvan upeaan renkaaseen massiivisten galaksiryhmien avulla. Mutta on osoittautunut erityisen vaikeaksi havaita painovoima-aaltoja, aallon aallotuksia, jotka laukaisee voimakas kosminen tapahtuma.
Asiaan liittyvä sisältö
- Nämä tilavat herkut sisältävät galaktisen hymiön kasvot ja tähtienvälisen ruusun
- Ei, emme ole havainneet painovoima-aaltoja (vielä)
Suurimmassa osassa tähän mennessä tehtyjä yrityksiä on etsitty tapaa, jolla avaruus-ajan aallotuksen odotetaan vaikuttavan valoon ja aineeseen. Nyt Yhdysvaltojen ja Israelin tutkijat ajattelevat, että voisimme löytää aaltoja nopeammin ja halvemmin, jos etsimme niiden vaikutuksia ajoissa sijaan avaruuden.
Gravitaatioaaltojen metsästys on ollut käynnissä vuodesta 1916, jolloin Albert Einstein ennusti niiden olevan olemassa osana hänen suhteellisuusteoriaansa. Hän totesi, että avaruus-aika on kuin kangas, ja mitä me gravitaationa ymmärrämme, on kyseisen kankaan kaarevuus, jonka aiheuttavat massiiviset esineet. Kuten esimerkiksi huopaan ripustettua keilapalloa, massiivinen planeettamme Maan kiertää avaruus-aikaa ympärillään.
Teoria ehdottaa myös, että kun hyvin massiiviset esineet, kuten mustat aukot, sulautuvat yhteen, painovoimapuhallus lähettää aallon läpi ajan eteenpäin leviäviä väreilyjä. Niiden havaitseminen ei vain jatka Einsteinin teorian validointia, se avaa uuden ikkunan maailmankaikkeuteen, koska tutkijat voivat käyttää painovoima-aaltoja koettaa muuten näkymättömiä tapahtumia kosmossa. Mutta gravitaatioaallot eivät ole osoittaneet suurelta osin, koska aallot kasvavat heikommiksi, mitä kauempana ne kulkevat, ja monia gravitaatioaallon lähteitä löytyy maailmankaikkeuden reunalta, miljardeja valovuosia.
Viime vuonna BICEP2-nimisen kokeen väitettiin löytäneen heikot signaalit, jotka liittyvät ensisijaiseen gravitaatioaallotyyppiin, ja jotka syntyvät varhaisessa universumissa tapahtuvasta äkillisestä kasvupurusta. Väite oli ennenaikainen, koska myöhemmät analyysit vähensivät luottamusta siihen, että BICEP2-ryhmä näki enemmän kuin pyörittelevää pölyä Linnunradalla.
Euroopan avaruusjärjestön suunnittelema eLISA-observatorio, jonka on tarkoitus käynnistyä vuonna 2034, on suunniteltu havaitsemaan erityyppisiä aaltoja: millihertsialueen tai matalataajuisia gravitaatioaaltoja, jotka syntyvät supermassiivisten mustien reikäparien sulautumisen myötä. Tutkijat ovat löytäneet supermassiiviset mustat aukot monien suurten galaksien keskuksissa, myös omamme. Kahden sellaisen galaksin koalescenssin ennustetaan lähettävän painovoima-aaltoja, jotka voivat levitä maailmankaikkeuden läpi. Niiden löytämiseksi eLISA käyttää lasereita pienten muutosten mittaamiseen avaruusaluksen laivaston etäisyydessä, jotka tulisi tapahtua, kun painovoima-aalto ohittaa.
Uudessa lehdessä Avi Loeb Harvard-Smithsonian astrofysiikan keskuksessa ja Dani Maoz Tel Avivin yliopistossa huomauttavat, että viimeaikaiset edistykset ajankäytössä voivat antaa atomikelloille mahdollisuuden havaita gravitaatioaallot nopeammin ja halvemmin kuin eLISA. He hahmottavat ehdotuksen joukosta atomikelloja, jotka on sijoitettu eri puolille aurinkoa ja jotka voisivat havaita ilmiön, jota kutsutaan ajan dilaatioksi, kun painovoimavaikutukset voivat aiheuttaa ajan hidastumisen.
Samoin kuin eLISA, heidän suunnitelmansa vaatii myös avaruusaluksia, jotka lentävät muodostumisessa ja kommunikoivat laserien avulla. Mutta sen sijaan, että välittäisivät tietoja etäisyyden muutoksista, laserit seuraavat pieniä eroja aikataulussa synkronoitujen atomikellojen välillä, jotka on asennettu avaruusalukseen.
Ennustetut ajalliset muutokset ovat pieniä: "Puhumme miljoonan biljoonan osasta ajoituksen tarkkuutta", Loeb sanoo. "Tämän tyyppisen muutoksen havaitsemiseksi tarvitaan kello, joka ei saavuta eikä menetä vain sekunnin kymmenesosaa, vaikka sen olisi tarkoitus toimia 4, 5 miljardia vuotta tai koko maapallon ikää."
Viime aikoihin saakka tällainen tarkkuus ylitti cesium-elementtiä käyttävien atomikellojen kykyjen, jotka ovat nykyisen kansainvälisen ajankäytön perustan perustana. Mutta vuoden 2014 alkupuolella kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) fyysikot julkistivat kokeellisen ”optisen hilan” atomikello, joka asetti uudet maailmanennätykset sekä tarkkuudelle että vakaudelle. Nämä kellot toimivat optisilla taajuuksilla ja tarjoavat siten suuremman tarkkuuden kuin cesium-atomikellojen, jotka luottavat mikroaaltoihin pitääkseen aikaa.
Teoreettisesti optiset atomikellat voivat tarjota tarvittavan tarkkuuden gravitaatioaallon avulla ennustettujen pienten ajansiirtojen havaitsemiseksi. Loeb ja Maoz väittävät, että niiden suunnittelu olisi yksinkertaisempaa ja että ne voitaisiin saavuttaa halvemmalla, koska se vaatisi vähemmän tehokkaita lasereita kuin eLISA. Matalamman tarkkuuden atomikelloja käytetään jo GPS-satelliiteissa, joten Loebin mielestä pitäisi olla mahdollista lähettää uuden sukupolven atomikelloja myös avaruuteen.
Kaksi oikealle etäisyydelle toisistaan sijoitettua avaruusalusta voisi havaita sekä kulkevan painovoima-aallon huipun että kourun. (Loeb et ai., Arxiv.org) Paras asennus olisi pari atomikelloa, joka on asennettu kaksois-avaruusalukseen, jotka jakavat Maan kiertoradan auringon ympärillä. Pääavaruusalus olisi myös kiertoradalla kelloista tulevien signaalien koordinoimiseksi. Kellon kantavat veneet tulisi erottaa noin 93 miljoonalla maililla - suunnilleen maan ja auringon välinen etäisyys tai yksi tähtitieteellinen yksikkö (AU).
"Se on mukava sattuma, koska yksi AU sattuu olemaan suunnilleen yhtä suuri kuin puoli aallonpituutta [matataajuisen] painovoima-aallon kohdalla, kuten tutkijoiden mielestä supermassiivisten mustien reikien yhdistäminen säteilee", Loeb sanoo. Toisin sanoen, se olisi juuri oikea etäisyys havaita sekä aurinkokunnan läpi kulkevan painovoima-aallon huippu että koho, joten näihin kahteen pisteeseen sijoitetut atomikellojen kokemus olisi suurin ajan dilaatiovaikutukset.
Toistaiseksi tällaista tehtävää ei ole missään avaruusjärjestön työpöydässä tai budjettiehdotuksessa. Mutta Loeb toivoo, että idea käynnistää tarkemman tutkimuksen eLISA-vaihtoehdoista. ELISA-projekti "hyötyi vuosikymmenien keskusteluista, joten meidän pitäisi antaa tämän vaihtoehtoisen suunnittelun tutkia ainakin muutama kuukausi ennen sen hylkäämistä."
Loeb lisää, että avaruudessa tarkempien atomikellojen käytöstä on olemassa lukuisia käytännön sovelluksia, kuten parempi GPS-tarkkuus ja parempi tiedonsiirto. Hänen mielestään ensimmäiset optiset hilakellot voisivat ottaa kaupallisiin tarkoituksiin käyttöön eivätkä valtion virastot. "Jos näin tapahtuu, mikä tahansa tiede, jonka saamme siitä ulos, olisi sivutuote", hän sanoo.
Coloradon yliopiston fyysikko ja NIST-tutkija Jun Ye sanoo, että Loebin ja Maozin ehdotus "avaa uuden älyllisen eturintaman" optisten atomikellojen käytöstä fysiikan perusteiden testaamiseksi, mukaan lukien gravitaatioaaltojen etsiminen. "Suhtaudun optimistisesti optisten kellojen parantamiseen ja niiden lopulliseen käyttöön tällaisissa sovelluksissa", Ye sanoo.
