Gravitatsioonilained avastati mustade aukude ühinemisest

19. märts 2016

See teaduskirjanik Tiit Kändleri artikkel ilmus 10. märtsi Maalehes Järg 24. märtsil.

Täpselt 100 aastat hiljem, kui Albert Einstein ennustas gravitatsioonilained ja Karl Schwarzschild mustad augud, mõõdeti kahe musta augu ühinemisest Maale jõudnud lained. Gravitoni pole veel leitud.

 

Sõnad on mugavad vahendid, et varjutada nendega tähistatud nähtuse olemus. Põhikoolhariduse omandanud inimene teab, et gravitatsioon on külgetõmbejõud. Tavaelus piisab, et me peame gravitatsiooni all silmas Maa külgetõmmet asjadele ja olevustele. Vaid inimene on külgetõmbe üle mõtisklenud, teised olevused on selle tahes-tahtmata oma elu aluseks võtnud. Iga ahv teab, et puu otsast kukub alla, kuid alles Londonist 1665. aastal musta katku eest Linconshire’i pakku läinud 23-aastane Isaac Newton sõnastas gravitatsiooniseaduse: kõik massiga kehad tõmbavad ligi teisi massiga kehi jõuga, mis on võrdeline masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Gravitatsioon ulatub lõpmatusse!

See seadus korrastas inimese mõtlemist nõnda palju, et sai selgeks, kuidas toimib Päikesesüsteem ja kuidas universumi hiiglaslikud kehad omavahel liiguvad. Maal kinnitas Newtoni seaduse katsega kolmveerand sajandi pärast inglise füüsik Henry Cavendish, taevakehade liikumine erines Newtoni ennustatust siiski veidi. Miks erines, selle seletas ära Alberrt Einstein saja aasta eest oma üldrelatiivsusteoorias: massiga keha moonutab ruumi nagu kummikilel lebav raudkera kilet allapoole painutab. Aeg ja ruum on seotud ühtseks aegruumiks ning gravitatsioon ja inertsi põhjustav mass, mida ka Newton ennustas, on eristamatud.

 

Gravilainete teke

Siiamaani, ja kõik. Mis asi on gravitatsioon, seda ei tea me siiani. Ei teadnud 11. veebruarini kindlasti sedagi, kuidas külgetõmbejõud levib.  Tõsi, loogiline oli eeldada, et levib lainetena ja valguse kiirusega, kuid selle kinnituseks olid vaid kaudsed tõendid kahe pulsari mõõtmisest aastatel 1975–1982.

Me oletame, et ajahetkel  pärast universumi teket ehk suurt pauku, ehk nn Plancki aja hetkel olid kõik neli fundamentaalset jõudu – gravitatsioon, elektromagnetism, nõrk ja tugev tuumajõud – ühendatud üheks jõuks. Suure ühendteooria mudelit veel ei ole. Temperatuur oli hiiglaslik, kogu universum pakutud kümme miljonit miljardit pisemasse ruumi kui prooton. Seda teooriat toetab tollest ajast pärit taustkiirguse mõõtmine universumi avarustest 1965. aastal.

Seejärel toimunud ülikiire paisumise ehk inflatsiooni käigus paisus universum apelsinisuuruseks, eraldusid erinevad fundamentaaljõud ja hakkasid tekkima prootonid ning neutronid, veidi hiljem elektronid, footonid ja neutriinod.  Sekund pärast suurt pauku hakkasid tekkima lihtsamad aatomid. Maailm muutus läbipaistavaks 380 000 aastat pärast suurt pauku. Algsetest ebatasasustest ehk fluktuatsioonidest said tekkida galaktikad, neis omakorda tähed. Kui tähed said väga raskeks, tõmbusid nad kokku ja plahvatasid supernoovadena või said neist mustad augud, kust valgus välja ei pääse.

Kuna gravitatsioon on võrreldes teiste fundamentaaljõududega nii väike ja võibolla ka erakordne, ei ole seda õnnestunud siduda kvantfüüsikaga, kuigi enamuse oma elust Einstein ja tema järel paljud teoreetikud on seda teha püüdnud. Alates 1960. aastatest on üritatud gravitatsioonilaineid registreerida resonantsete massidetektoritega, ent edutult.

Ajaloo irooniana õnnestus äsjane otsene gravitatsioonilainete registreerimine põhimõtteliselt sama seadmega, millega tehti kindlaks, et valgus levib igas taustsüsteemis ühe ja sama kiirusega. Albert Michelson ja Edward Morley tegid Eiunsteini relatiivsusteooriat kinnitava katse 1887. aastal andekalt lihtsal interferomeetril.

Valgusallikast tulev valgus jagatakse poolläbipaistva peegliga kahte omavahel risti kulgevasse harru ja kummagi haru otsas on peeglid, mis valguse tagasi peegeldavad. Poolläbipaistev peegel viib kaks eri teed kulgenud valguskiirt kokku. Kui mõlema kiire teed on olnud täpselt ühepikkused, siis kohtub valguslaine hari harjaga ja signaal kahekordistub, kui vahe on pool lainepikkust, siis üks laine kustutab teise. Meetod on väga tundlik, ent vajab eriti hoolsat isoleerimist mehaanilistest müraallikatest. 1887. aastal piisas veendumiseks, et ei ole olemas eetrit, valguskire teepikkusest 11 meetrit.

 

Imeväikese pikenemise mõõtmine

Gravitatsioonilainete püüdmiseks ehitati interferomeeter, mille ühe 1,2-meetrise läbimõõduga vaakumtorust õla pikkus on neli kilomeetrit. Sealjuures varustati mõlemad õlad veel resonantse optilise õõnsuse seadmetega, mis valguse teed pikendasid. Selliseid interferomeetreid ehitati USAs teadusühenduse LIGO ehk valguse interferomeetrilise gravitatsioonilaine observatooriumi tarbeks kaks tükki: Hanfordi Washingtoni osariiki ja Livingstoni Los Angelese osariiki, mille vahel valgus liigub 7 millisekundit. See oli tähtis, et mõlema seadme signaale omavahel võrrelda ja signaali saabumise suunda arvutada. Sel meetodil on püütud gravitatsioonilaineid püüda alates 1960. aastatest Jaapanis, Saksamaal ja Itaalias. Nüüd oli aeg küps: piisavalt tundlikud detektorid võtta ja osati seadet ka vibratsioonide eest kaitsta ja footonite loomulikku haavelmüra arvesse võtta.

Graafik.ML

Valgusallikaks oli infrapunane Neodüüm:YAG laser ja seadmel veel tuhat ja üks olulist pisiasja, mis ei muuda tulemust. Mõõdeti 16 päeva 2015. aasta septembrist oktoobrini ja registreeriti interferomeetri torupikkuste muutumine.

Signaal ei saabunud oodatud kahe pulsari kokkupõrkest, vaid 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel asuva kahe hiiglasliku, 36 ja 29 Päikese massiga musta augu ühinemisest, millest paiskusid välja kolme Päikese massiga võrdse energiaga gravitatsioonilaineid. Need tekkisid, kui miljoneid aastaid teineteise ümber pöörelnud mustad augud jõudsid kiiruseni 35 kuni 250 pööret sekundis ehk poole valgusekiiruseni. Mõõteseadmesse 14. septembril jõudnud värelused muutsid torude pikkust kujuteldamatult vähe: üks osa ühest miljardist triljonist (. Signaali sagedus suurenes alates 35 hertsist kuni 250 hertsini.

Tähestiku sunnil esimeseks sattunud Benjamin Abbott ja tema üle tuhande kaasautori LIGO kollaboratsiooni 150 liikmesorganisatsioonist kinnitavad 12. veebruaril ajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklis, et nende tulemuste eksimisvõimalus on 1 sündmus 203 000 aasta jooksul ning selliseid mustade aukude ühinemisi toimub universumi 1–100 valgusaasta suuruse servaga kuubis aastas üksainus.

Tunnustatud ameerika füüsik Kip Thorne California Tehnoloogiainstituudist oli 1980. aastatel üks mõõteseadme ehitamise plaanijaid ja algatajaid.  „Sel öösel, kui tulemusest teada sain, tähistasin ma saavutust naeratusega, sest ei tohtinud seda veel naisele ütelda,“ sõnas ta ajakirjale Nature. Mida toob avastus inimese maailmapildile, sellest mõtiskleme edaspidi.

Kommenteeri

Telli Teadus.ee uudiskiri