Gravitaatioaallon havainnointi

[Zatal]

Tietääkseni suuret gravitaatiokeskittymät muuttavat punasiirtymää. Ideana on, että valon kulkiessa kohti suurempaa gravitaatiota siinä tapahtuu sinisiirtymää (eli fotoniin kertyy energiaa) ja heikompaa gravitaatiota kohti mentäessä sinisiirtymä palautuu punasiirtymänä.

Jos tuo edellä mainittu pitää paikkansa, niin gravitaatioaallon osuessa kohdalle on mahdollista havaita samantyyppinen sini- ja punasiirtymän muutos. Tässä kuitenkin on oletettava, että gravitaatioaalto kulkee alle valonnopeudella, jotta fotonit ehtisivät kulkea sen lävitse.

Jos tämä pitää paikkansa, niin tarvitaan vain muutama kaukoputki havainnoimaan mahdollisia lähiavaruuden gravitaatioaaltoja. Ongelmaksi voi muodostua se, ettei aurinkokunnassa syntyvät gravitaatioaallot ole kovin voimakkaita ja kauempaa tulevat aallot heikkenevät nopeasti.

Geometrisenä ongelmana voisi miettiä myös gravitaatiokenttien tasaisuutta. Jos kenttä on tasainen, niin systeemin ulkopuolella punasiirtymän muutosta ei ole havaittavissa. Jos kentässä on epätasaisuutta tai hiukkasen rata kaareutuu loppupäästään enemmän, niin seurauksena olisi punasiirtymää. Mitenkähän tuo vaikuittaisi miljardien vuosien päästä ja useiden gravitaatiokenttien takaa havainnoituihin kohteisiin? Onkohan Hubblen vakioita tarkistettu tältä kantilta? 

[Kaizu]

Suhteellisuusteorian ennustamat gravitaatioaallot etenevät valon nopeudella. Osittain siitä syystä pienten hitaaasti liikkuvien massojen säteilemien gravitaatioaaltojen teho on todella vähäinen.
Muistini mukaan Maa-Aurinko systeemi  säteilee gravitaatioaaltoja n. 30W:n teholla eli tämä ei ole havaittavissa nykymenetelmillä. Mitattavissa olevia gravitaatioaaltoja uskotaan muodostuvan kun suuruusluokkaa tähden massaiset kappalleet törmäilevät tai kieppuvat relativistisilla nopeuksilla. Tällaisia voisi muodostua supernovan yhteydessä, tähden ytimen romahtaessa mustaksi aukoksi, neutronitähtien tai mustien aukkojen kiertäessä toisiaan hyvin lähellä tai niiden törmäillessä. Toistaiseksi gravitaatioaaltoja ei ole suoraan havaittu. On havaittu kvasaariparin kiertoaikojen muutoksista että systeemistä poistuu energiaa suurin piirtei sen verran kuin teoria ennustaa sen säteilevän gravitaatioaaltoja.

Kaizu

[Zatal]

Sanomasi mukaan gravitaatioaalto kulkee valonnopeutta. Tästä voisi päätellä, että aallon mukana kulkeva valo on sinisiirtynyttä.

Maa-aurinkosysteemin teho on selvästi liian heikko havaittavaksi, eikä laitteita saada lähitulevaisuudessa siirrettyä mustan aukon tai neutronitähden viereen. Suora mittaus ei siis ole kovinkaan toteuttamiskelpoinen.

[Kalle]

Ei muutakun BOINC koneelle pyörimään ja Einstein@home pureskelemaan avaruuden datavirtoja gravitaatioaaltojen löytymisen toivossa! :)
BOINC:lle on myös muita mielenkiintoisia projekteja osallistuttaviksi!

http://boinc.berkeley.edu/

http://einstein.phys.uwm.edu/

[Kaizu]

Sanomasi mukaan gravitaatioaalto kulkee valonnopeutta. Tästä voisi päätellä, että aallon mukana kulkeva valo on sinisiirtynyttä.

Mitenkä sen voi päätellä?

Kaizu

[Zatal]

Voimakasta gravitaatiokeskittymää kohti menevä valo sinisiirtyy (eli saa energiaa) gravitaation vaikutuksesta. Tällöin myös gravitaatioaallon mukana kulkeva valo on aallon ulkopuolta suuremman gravitaation alaisena eli on sinisiirtynyt riippuen aallon voimakkuudesta ulkopuoleen verrattuna. Punasiirtymä (eli energian väheneminen) tapahtuu, kun valo jälleen kipuaa ylös gravitaatiokuopasta. Tämä on lähinnä oma tulkintani Sakari Nummilan vastauksesta kysymyksiini: Gravitaatio vaikuttaa valon aallonpituuteen.

Nähtävästi kymmenisen pulsaria on jo havaittu LIGO -järjestelmän avulla.

[jussi_k_kojootti]

Nähtävästi kymmenisen pulsaria on jo havaittu LIGO -järjestelmän avulla.

Referenssi?

[Zatal]

Taidan olla väärässä tuossa asiassa.  (Ajatus oli liian Newtonilainen.) Sillä tuli mieleen, että tapahtuman voisi kuvata tällä tavalla:
Piirretään aalto kumiselle alustalle. Gravitaatio venyttää alustaa. Tällöin myös havaitsija on samalla tavalla venynyt. Eli tämän seurauksena gravitaatioaaltoa ei voi havaita puna- tai sinisiirtymän avulla. Samoin myös gravitaation heiketessä tausta pienenee, joten (punasiirtymän?) vaikutus lakkaa tietyn matkan kuluttua.

Ts. Gravitaatio kaareuttaa avaruutta, jossa myös sähkömagneettinen säteily on. Kaareuma venyttää kaikkea sen sisällä olevaa. Gravitaation heiketessä avaruuden kaareuma vähenee, jolloin myös aallonpituuksien venymän määrä vähenee.

Tässä koko kysymyksiini saatu sähköposti:

Hei,

Gravitaatio vaikuttaa valon aallonpituuteen. Painovoiman vaikutus kuitenkin heikkenee hyvin nopeasti etäisyyden kasvaessa, ja siksi galaksiryppäiden painovoimalla tai matkan pituudella ei ole punasiirtymän kannalta merkitystä.

Jos valon taittaman matkan varrella on suurimassainen kohde, tämä voi hetkeksi muuttaa valon energiaa, mutta ohituksen jälkeen energia taas palaa samaksi. Massan takia valon suunta voi kuitenkin muuttua, ja näin galaksiryppäät saattavat vaikuttaa avaruuden karttaan.

Terveisin Sakari Nummila

> Kysymys: Vaikuttaako avaruuden alati muuttuva kaareutuminen   
> (gravitaation vaikutuksesta) valonnopeudella kulkevan hiukkasen   
> energiaan ja sitä kautta punasiirtymään pitkillä matkoilla? Onko   
> avaruuden kaareutumista otettu huomioon avaruuden galaksiryppäiden,   
> sekä etäisyyksien kartoituksissa? Miltä näyttäisi avaruuden kartta   
> ilman kaareutumisia?
>



****
Sakari Nummila
Tahdet ja avaruus -journal
Ursa Astronomical Association
...

[mistral]

Tarkoitatko että sinisiirtymällä voitaisiin löytää gravitaatioaalto? Eli gravitaatioaaltolähteen taustalla olisi jokin tasaisesti säteilevä tähti ja kun gr.aalto tulee meidän mittalaitteisiin, se huomattaisiin tausta tähden sinisiirtymästä?

Mahtaisiko aallon energia täällä meidän päässämme enää olla niin suuri että sinisiirtymä olisi mitenkään mitattavissa?

[Lithos]

Eikös tämän projektin pitänyt auttaa asiaa (jos se oikeasti rakennetaan):

http://news.sciencemag.org/scienceinsider/2011/05/european-scientists-launch-desig.html

[Zatal]

No niin. Alustava ajatukseni on nyt todistettu.   Galaksien gravitaatio aiheuttaa punasiirtymää.
Tässä linkki aiheesta:
http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110928131758.htm

Juttu löytynee myös Nature lehdestä. (Koko tutkimus on maksullinen Naturen sivuilla...)

Kuitenkin gravitaatiovaikutus on niin pieni, ettei siitä taida olla apua gravitaatioaaltojen havainnoinnissa. (Aurinkokunnassa!)

Ajattelin asiaa vielä uudelleen ja tajusin, että ongelma on erityyppinen suurilla etäisyyksillä. Gravitaatioaalto muuttaa hetkellisesti takana olevan tähden punasiirtymää (vrt. galaksin punasiirtymän muutos). Jos aalto kulkee 90 asteen kulmassa havaitsijaan nähden, niin muutosta ei pysty havainnoimaan samalla tavoin kuin galaksin aihettamaan punasiirtymän muutosta, koska valotusajankin tulisi olla hyvin pieni (tai aallon tulisi olla hyyyyvin pitkä). Jos kuitenkin havainnoitaisiin kahden massiivisen mustan aukon törmäyksessä tulevien gravitaatioaaltojen punasiirtymämuutoksia, niin ne voisivat olla havaittavissa. Erityisesti, jos havainnoitava aalto kulkisi lähes suoraan poispäin meistä, niin tällöin havaintoaikaa voitaisiin pidentää, koska aalto ylittäisi takana olevan tähden valoa pidemmän aikaa. (Kohti tuleva gravitaatioaalto kulkisi lähellä kohti tulevan sm-säteilyn nopeutta, joten sen havainnointi olisi vaikeaa.) Gravitaatioaallon tulisi myös poikkeuttaa valoa hieman sen normaalista tulosuunnasta, koska gravitaatio kaareuttaa avaruutta.

Huomattavaa on myös gravitaation nopeasti heikkenevä vaikutus. Galaksin alueella gravitaatio on levittäytyneenä laajalle alueelle, mutta supermassiivisten mustien aukkojen tapauksessa päästään tutkimaan gravitaatiota, joka on yhdessä pisteessä ja siksi hyvin voimakas. Toinen tärkeä elementti on havaintoihin käytettävissä oleva aika. Galaksi ei muutu merkittävästi päivässä, joten valostusajat voivat olla pitkiä. Gravitaatioaallon nopeus on valonnopeus, joten havaintoihin jää vain lyhyitä hetkiä, ellei havainnot ole sopivassa kulmassa meihin nähden.

Toisaalta LIGO tekee hyvää jälkeä havainnointiensa osalta.

Onkohan tuossa vielä jotain, joka on jäänyt ajattelematta gravitaatioaaltojen osalta?

[xepheid]

Eipä taaskaan ole ihan omaa alaa, mut kommentoidaan silti...

No niin. Alustava ajatukseni on nyt todistettu.   Galaksien gravitaatio aiheuttaa punasiirtymää.
Tässä linkki aiheesta:
http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110928131758.htm

Se että gravitaatio aiheuttaa punasiirtymää on kyllä ollut tiedossa vaikka kuinka kauan 

Se mikä tuossa jutussa on niin merkittävää että se on päässyt oikein Natureen saakka on, että nyt gravitaatiopunasiirtymän on todettu noudattavan yleisen suhteellisuusteorian ennustetta, eikä esimerkiksi TeVeS-mallien ennustetta. Samalla tuo tutkimus osoittaa vahvan ekvivalenssiperiaatteen pätevän galaksijoukkojen mittakaavassa.

Juttu löytynee myös Nature lehdestä. (Koko tutkimus on maksullinen Naturen sivuilla...)

Löytyy joo. Ja nyt kun se on tullut Naturessa ulos, se löytyy nyt myös arXivista (ilmaiseksi) eli täältä. Koko juttua varten klikkaa oikeasta reunasta linkkiä PDF.

Gravitaatioaallon tulisi myös poikkeuttaa valoa hieman sen normaalista tulosuunnasta, koska gravitaatio kaareuttaa avaruutta.

Ei tämä ole merkittävä vaikutus, koska gravitaatioaallon energia on niin suunnattoman pieni. Myöskään tuo puna-/sinisiirtymä-ajatus ei oikein toimi, sillä kuten täällä jo huomautettiin, valon kulkiessa aallon läpi siirtymät kumoavat toisensa, koska energia säilyy. Tuollainen Nature-jutussa viitatun kaltainen gravitaatiopunasiirtymä havaitaan, koska valonlähde (eli noiden galaksien tähdet) itsessään sijaitsee tutkittavan gravitaatiokentän sisällä eikä ainoastaan kulje sen läpi.

LIGO, ja tietääkseni muutkin gravitaatioaalto-observatoriot, perustuvat ajatukseen, että kaksi valonsädettä kulkee niissä pitkän matkan (jotta kulkemiseen kuluisi jopa valolla jonkinverran aikaa) eri suuntiin ja säteet ohjataan lopuksi detektorille, jossa valoaaltojen välinen interferenssi kumoaa ne. (Detektori ei siis normalisti näe mitään.) Jos gravitaatioaalto sitten kulkee koejärjestelyn läpi, avaruus supistuu ja laajenee sen kohdalla hetkellisesti pikkuriikkisen. Tällöin toinen valonsäde kulkee pitemmän tai lyhyemmän matkan kuin toinen eivätkä valoaallot silloin tule detektorille enää tarkalleen samassa vaiheessa. Tällöin interferenssi ei kumoa aaltoja ja syntyy tietynlainen signaali. Syy miksi laitteiston on oltava LIGOn tapaan iso, on että tuo ero olisi ylipäänsä havaittavan suuruinen.


--
Samuli K.
Tuorlan observatorio

[Zatal]

Kiitoksia Xepheidille tyhjentävästä kommentoinnista ja erinomaisen kokonaiskuvan antamisesta.

Tuollainen Nature-jutussa viitatun kaltainen gravitaatiopunasiirtymä havaitaan, koska valonlähde (eli noiden galaksien tähdet) itsessään sijaitsee tutkittavan gravitaatiokentän sisällä eikä ainoastaan kulje sen läpi.

Vielä yksi ajatus. Voisiko supermassiiviseen mustaan aukkoon putoavan tähden säteilystä havaita gravitaatioaaltojen aiheuttamia punasiirtymän muutoksia? Tällöin tähti voisi hetkittäin olla gravitaatioaallon sisällä ja tilanne vastaisi sitä, että säteilylähde sijaitsisi galaksin gravitaatiokentän sisällä. Gravitaatioaallon tulisi olla jättimäinen ja riittävän pitkä jotta havaintoja voitaisiin tehdä nykylaitteilla. Kyseessä olisi vain erikoistapaus, joten varsinainen hyöty jää muutamiin havaintoihin...

Syy miksi laitteiston on oltava LIGOn tapaan iso, on että tuo ero olisi ylipäänsä havaittavan suuruinen.

LIGOn tulee olla suuri, koska se sijaitsee alueella, jossa on vain pieniä gravitaatioaaltoja eli sen sijainti on aurinkokunnassamme.

Eipä taaskaan ole ihan omaa alaa, mut kommentoidaan silti...

Ei ole aivan omaa alaanikaan, mutta kunhan yritän selvittää kuinka hyvin ymmärrän asiaa...

[Kaizu]

Vielä yksi ajatus. Voisiko supermassiiviseen mustaan aukkoon putoavan tähden säteilystä havaita gravitaatioaaltojen aiheuttamia punasiirtymän muutoksia? Tällöin tähti voisi hetkittäin olla gravitaatioaallon sisällä ja tilanne vastaisi sitä, että säteilylähde sijaitsisi galaksin gravitaatiokentän sisällä. Gravitaatioaallon tulisi olla jättimäinen ja riittävän pitkä jotta havaintoja voitaisiin tehdä nykylaitteilla. Kyseessä olisi vain erikoistapaus, joten varsinainen hyöty jää muutamiin havaintoihin...

LIGOn tulee olla suuri, koska se sijaitsee alueella, jossa on vain pieniä gravitaatioaaltoja eli sen sijainti on aurinkokunnassamme.

Käytännössä tähti hajoaa joutuessaan mustan aukon vaikutuspiiriin ja virtaa sinne kaasuna. Ensin kertymäkiekkoon ja siitä sitten pikkuhiljaa mustaan aukkoon ja osa tähdestä karkaa kertymäkiekosta säteilynä ympäristöön.
Gravitaatioaaltojen havaitsemisrta vaikeuttaa juurikin pitkä aallonpituus sekä tietenkin heikko amplitudi. Aallonpituus tulee lähettävän systeemin keskinäisestä kiertoajasta ja valon nopeudesta. Aalto parhaiten havaittaisiin jos havaintolaite olisi aallonpituuden suuruusluokkaa. Jos havaitaan maapallon kokoisella LIGO:lla pitäisi lähettävän systeemin kiertää toisiaan n. 25 kertaa sekunnissa. Nykyisellään LIGO on 3 km kokoluokkaa ja on herkimmillään ottamaan vastaan gravitaatioaaltoja 100kHz taajuudella. Siinä joutuvat neutronitähdet ja mustat aukot pitämään kiirettä toistensa ympäri. Kahden törmäävän mustan aukon systeemistä voisi kuvitella tulevan riittävän taaja loppupäräys. Ehkä nämä laitteet havaitsevat aaltoja vaikkei antenni ihan resonanssissa olisikaan.

カイズ

[xepheid]

Itse asiassa ajatus gravitaatioaaltojen havaitsemisesta puna-/sinisiirtymää hyödyntäen ei muuten ole ihan uusi, joskaan ei toimi ihan niiiiin simppelisti.

Eli Braginskyn ja Menskiin 1971 julkaiseman koejärjestelyn "idea lyhyesti":

"Munkkirinkilän muotoisessa valokuidussa kiertää monokromaattisia sähkömagneettisia aaltoja. Gravitaatioaallot kohtaavat rinkilän kohtisuoraan sivulta. Jos sähkömagneettisen säteilyn aallot kiertävät rinkilän kahdesti yhden gravitaatioaallon jakson aikana, yksi gravitaatioaallon ympyräpolarisoitunut komponentti pysyy koko ajan samassa vaiheessa sähkömagneettisen aallon kanssa. Tuloksena syntyy resonanssi: yhdessä kohtaa kuitua gravitaatioaallon aiheuttama vuorovesivoima työntää sähkömagneettista aaltoa eteenpäin, jolloin syntyy sinisiirtymä ja toisessa kohtaa työntää sitä taaksepäin, jolloin syntyy punasiirtymä. Sähkömagneettisen säteilyn taajuus muuttuu ajassa lineaarisesti, kun vaihe muuttuu neliöllisesti."

Tämä siis kääntäen Misner, Thorne & Wheelerin legendaarisen teoksen "Gravitation" sivulta 1043.

Unettomina öinä voi sitten miettiä käytännön toteutusta...  

(Erilaisia hauskoja mekaanisia kokeita gravitaatioaaltojen havaitsemiseksi kyseinen kirja esittelee useita)

edit:linkki


--
Samuli K.