Gravitaatiosäteily

Yleinen suhteellisuusteoria

$G_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }\,$

Perusperiaatteet

• Erityinen suhteellisuusteoria
• Ekvivalenssiperiaate
• Maailmanviiva
• Riemannin geometria

Ilmiöt

• Musta aukko
• Tapahtumahorisontti
• Linssit
• Aallot
• Singulariteetti
• Gravitomagnetismi
• Geodeettinen ilmiö

Yhtälöt

• Newtonin jälkeinen formalismi
• Einsteinin kenttäyhtälöt

Muut teoriat

• Kaluza-Klein
• Kvanttigravitaatio

Ratkaisut

Schwarzschild · Kasner · Kerr
Milne · Reissner-Nordström
FLRW-metriikka

Tieteilijöitä

Einstein · Minkowski · Eddington
Lemaître · Schwarzschild
Robertson · Kerr · Fridman
Chandrasekhar · Hawking

Gravitaatiosäteily on eräs yleisen suhteellisuusteorian ennustama ilmiö. Säteily koostuu avaruudesta etenevistä gravitaatioaalloista, jotka kuljettavat energiaa valon nopeudella aika-avaruudessa. Gravitaatioaallot ovat suhteellisuusteoreettinen ilmiö, jota klassinen mekaniikka ei tunne. Aalto-hiukkasdualismissa gravitaatioaaltoja vastaa gravitoni. Suhteellisuusteorian gravitaatioaaltoja ei pidä sekoittaa hydrodynamiikassa esiintyviin painovoima-aaltoihin.

Albert Einsteinin kenttäyhtälöt kuvaavat matemaattisesti sitä, miten gravitaatioaallot syntyvät massan ollessa kiihtyvässä liikkeessä samalla tavoin kuin sähköopin Maxwellin yhtälöt kuvaavat sähkömagneettisen säteilyn muodostumista sähkövarauksen kiihtyessä.

Teho

Havaittavia gravitaatioaaltoja voi syntyä esimerkiksi pulsarien, neutronitähtien tai vastaavien suurimassaisten systeemien ollessa nopeasti kiihtyvässä liikkeessä.

Voidaan osoittaa että kun massat $m_{1}$ ja $m_{2}$ kiertävät toisiaan etäisyydellä $r$, systeemi säteilee gravitaatioaaltoja teholla

$P={\frac {\mathrm {d} E}{\mathrm {d} t}}=-{\frac {32}{5}}\,{\frac {G^{4}}{c^{5}}}\,{\frac {(m_{1}m_{2})^{2}(m_{1}+m_{2})}{r^{5}}}$ ,

missä $G$ on gravitaatiovakio ja $c$ valonnopeus tyhjiössä. Miinusmerkki ilmaisee, että kyse on nimenomaan menetetystä energiasta. Ilmiön havaitsemisen vaikeutta kuvastaa se, että esimerkiksi Maapallon ja Auringon muodostamassa systeemissä, gravitaatioaaltoja syntyy vain noin 200 watin teholla.

Havaitseminen

Gravitaatioaaltojen havaitseminen on äärimmäisen vaikeaa. Ensimmäinen koe, jolla aaltoja yritettiin havaita oli amerikkalaisfyysikko Joseph Weberin koe vuodelta 1968. Vaikka Weber itse uskoi havainneensa gravitaatiosäteilyä hänen tuloksiaan ei onnistuttu koskaan toistamaan. Koejärjestelyssä käytetty laite tunnetaan nykyään kuitenkin Weberin sylinterinä.

Nykyisistä koejärjestelyistä maininnan arvoisia ovat 1992 perustettu yhdysvaltalainen LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), saksalainen GEO600 sekä toukokuussa 2007 käyttöönotettu ranskalais-italialainen Virgo-interferometri. Nämä äärimmäisen herkät koejärjestelyt perustuvat pitkäkantaiseen interferometriin, joka havaitsee mahdollisen gravitaatioaallon aiheuttaman poikkeaman peilien asennossa. Tulevaisuudessa aaltoja tullaan havaitsemaan myös avaruudesta, aikataulun mukaan vuonna 2015 toimintansa aloittavalla LISA-satelliittijärjestelmällä.

Gravitaatioaaltoja ei aiemmin ole suoraan havaittu taustakohinan vuoksi, mutta vakuuttavia epäsuoria todisteita saatiin kaksoispulsarien käyttäytymisestä. Vuonna 1974 fyysikot Russell Alan Hulse ja Joseph Hooton Taylor Jr. havaitsivat kaksoispulsarin PSR B1913+16 lähettämän säteilyn vaihtelusta systeemin menettävän energiaansa täsmälleen saman verran kuin suhteellisuusteorian mukaan tällaisen kaksoistähden pitäisi lähettää gravitaatioaaltoja. Hulsen ja Taylorin tutkimus palkittiin Nobelin fysiikanpalkinnolla vuonna 1993.

11. helmikuuta 2016 julkistettiin tieto, että gravitaatioaalloista on tehty suoria havaintoja yhdysvaltalaisella LIGO-havaintolaitteella. Havainto voidaan käsittää uuden astronomian haaran eli gravitaatioaaltoastronomian alkuhetkeksi.

Lokakuussa 2017 julkistettiin tieto, että gravitaatioaaltoja on havaittu yhdessä valohavainnon kanssa. Ilmiön aiheutti kahden neutronitähden törmäys noin 130 miljoonaa vuotta sitten Vesikäärmeen tähdistön galaksissa NGC 4993.

Aiheesta muualla

• LIGOn kotisivut (englanniksi)
• GEO600-projektin kotisivut (englanniksi)
• Virgon kotisivut (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• LISAn esittely NASAn sivuilla (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• Näillä laitteilla gravitaatioaaltoja metsästetään (Arkistoitu – Internet Archive) (Arkistoitu – Internet Archive)