Maailmankaikkeus, syntymänsä jälkeen noin 14 miljardia vuotta sitten, on ollut todistamassa monta tapahtumaa aina ensimmäisten atomien syntymästä galaksien muodostumiseen. Ihmiset ovat yrittäneet ymmärtää näitä varhaisen maailmankaikkeuden vaiheita jo pitkään, mutta ymmärryksellämme on rajansa. Jopa maailmankaikkeuden ensimmäinen sekunti on edelleen suurimmilta osin mysteeri. Kuitenkin vihjeet tämän mysteerin ratkaisemiseksi saattavat olla havainnoitavissa jäännegravitaatioaaltojen muodossa. Nämä gravitaatioaallot, jotka ovat lähteneet matkaan melkein 14 miljardia vuotta sitten, voisivat valaista näitä varhaisen maailmankaikkeuden vaiheita, jotka ovat muutoin saavuttamattomissa.
Gravitaatioaaltojen havaitsemisyritykset juontavat juurensa aina 1960-luvulle saakka, mutta ensimmäinen suora havainto saatiin vasta vuonna 2015, kun kaksi mustaa aukkoa törmäsivät ja sulautuivat yhteen. Nykyiset koejärjestelyt ovat kaikki tukevasti maanpinnalla, mutta tähän liittyy yksi iso ongelma: kaikki se taustamelu. Asiat kuten tektoniset liikkeet, liikenne ja jopa salaman iskut voivat aiheuttaa päänvaivaa. Havainnointilaitteiden tulee olla äärimmäisen tarkkoja, tuleehan niiden havaita muutoksia pituudessa, jotka ovat pienempiä kun protonin halkaisija, atomin rakennuspalikka. Ratkaisu on siis löytää hiljaisempi paikka kuin Maa: avaruus. Laser Interferometer Space Antenna eli lyhyesti LISA, on detektori, joka ampaisee avaruuteen 2030-luvulla ja avaa uuden ikkunan aikaiseen universumiin. Mitä LISA pystyisi mahdollisesti kuulemaan?
LISA voi havaita gravitaatioaaltoja mustista aukoista ja muista astrofysikaalisista lähteistä. Tässä blogitekstissä olemme kuitenkin kiinnostuneita kosmologisista lähteistä. Käännetään huomiomme hetkeen, jolloin sähköheikko faasitransitio tapahtuu noin yhden nanosekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä. Tämä niin sanottu sähköheikko faasitransitio (eli siis olomuodonmuutos) voisi saada aikaan häiriöitä aika-avaruudessa ja meidän toiveemme on, että LISA pystyisi kuulemaan ne. Jos nämä jäännegravitaatioaallot todella ovat havaittavissa, mitä uutta tietoa ne pystyisivät meille tarjoamaan?
Ennen kuin ryntäämme päättömästi eteenpäin, meidän täytyy ensin kerrata hieman perusasioita. Sana sähköheikko faasitransitio saattaa kuulostaa pitkähköltä ja vaikealta. Luonnossa on neljä perusvuorovaikutusta: painovoima, sähkömagneettinen, heikko ja vahva vuorovaikutus. Saadakseen sähköheikon vuorovaikutuksen tarvitsee vain yhdistää sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus yhdeksi. Sähkömagneettinen vuorovaikutus on meille tuttu jokapäiväisestä elämästämme sähkön muodossa. Heikko vuorovaikutus taasen on merkittävä atomia pienemmillä skaaloilla.
Faasitransitioita voidaan nähdä kaikkialla ympärillämme: veden kiehuminen, veden jäätyminen, huurre parvekkeesi ikkunalaseissa. Niin kuin vesi pystyy esiintymään eri olomuodoissa, sama pätee myös maailmankaikkeudelle, tosin hiukan abstrakteimmissa termeissä. On tärkeää saada selville, onko sähköheikko faasitransitio kosmologinen vastaavuus veden kiehumiselle vai huurteen muodostumiselle, koska ne ovat kaksi fysikaalisesti erilaista prosessia. Veden kiehuminen on jotain, mihin fyysikot viittaavat ensimmäisen kertaluokan transitiona. Huurteen muodostuminen, jossa vesi hyppää nestemäisen olomuodon yli suoraan kiinteäksi (härmistyminen), voidaan ajatella olevan tässä yhteydessä (ainakin jossain määrin) ylirullaus (eng. crossover). Tämän hetkinen tutkimus keskittyy ensimmäiseen oletukseen, sillä se voisi olla havainnoitavissa LISA:n avulla.
Kosmologisessa faasitransitiossa olomuodot ovat aitotyhjiö ja valetyhjiö. Veden kiehumista vastaavassa skenaariossa sähköheikon faasitransition seurauksena syntyy kuplia. Nämä kuplat ovat aitotyhjiö faasissa ja loppu maailmankaikkeus valetyhjiössä. Kun nämä kuplat laajenevat ja lopulta törmäävät toisiinsa, syntyy gravitaatioaaltoja. Tämä pystyisi tarjoamaan meille uutta tietoa maailmankaikkeuden aivan ensimmäisestä sekunnista ja auttaa löytämään osan vastauksesta erääseen kysymykseen, joka on askarruttanut fyysikoita jo kauan. Nimittäin miksi maailmassa on enemmän ainetta kuin antiainetta?
Onnistuneen LISA Pathfinder mission jälkeen vuonna 2015 itse päädetektori ampaisee avaruuteen vuonna 2034. LISA koostuu kolmesta avaruusaluksesta, jotka muodostavat tasasivuisen kolmion. LISA seuraa Maata sen radalla Auringon ympäri ja pystyy havainnoimana ohi meneviä gravitaatioaaltoja. Niin sanottu käsien pituus, eli se kuinka pitkä välimatka kahden avaruusaluksen välillä on, on 2.5 miljoonaa kilometriä. Se on karkeasti arvioituna noin kuusi kertaa matka Maasta Kuuhun ja antaa meille mahdollisuuden havainnoida matalampia taajuuksia. Voit ajatella tätä ikään kuin radiona, eri taajuuksilla kuulet eri kanavia. Maasta emme pääse käsiksi taajuuksiin, joita LISA voi kuulla. Tämä johtuu kahdesta pääasiallisesta syystä: maanpinnalla olevat detektorit eivät pääse eroon taustamelusta ja LISA on aivan liian iso mahtuakseen maanpinnalle.
Parhaassa tapauksessa LISA pystyisi siis havainnoimaan signaalin varhaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaalloista, jotka ovat lähteneet matkalle noin yksi nanosekunti alkuräjähdyksen jälkeen. Toinen vaihtoehto on tietenkin, että emme kuule mitään. Tämä saattaa kuulostaa hiukan pessimistiselle, mutta gravitaatioaaltojen puute voisi myös auttaa meitä rajaamaan teorioitamme aineen syntyyn liittyen. Seuraava vuosikymmen tulee tarjoamaan meille uutta tietoa retkellämme ymmärtää maailmankaikkeutta paremmin.
Haluaisitko tietää lisää aiheesta?
Olen tehnyt videon aiheeseen liittyen osana Tutkijoiden Yötä 2020, löydät sen tästä. Valitettavasti materiaalia löytynee muuten vain englanniksi. Tämän postauksen englannin kielisisestä versiosta löydät lisää linkkejä!
Kuvat on piirrttetty ibisPaintilla.