Gravitaatio eli painovoima on luonnonilmiö, joka saa kaikki massalliset kappaleet vetämään toisiaan puoleensa. Mitä suurempi massa ja pienempi etäisyys, sitä suuremmalla voimalla kappale vetää esineitä puoleensa.

Mikään voima ei kuitenkaan synny tyhjästä. Gravitaation välittäjähiukkasena toimii (todennäköisesti) 1930-luvulla ennustettu hypoteettinen alkeishiukkanen, gravitoni. Gravitonilla ei ole massaa tai sähkövarausta, mikä tekee sen löytämisestä äärimmäisen haasteellista.

Fyysikko Albert Einsteinin näkemys painovoimasta poikkeaa Isaac Newtonin kuvailemasta näkymättömästä voimasta kappaleiden välillä. Suhteellisuusteoriassa painovoima on aika-avaruuden vääristymä.

Gravitaatioaaltoja voidaan havainnollistaa kolmiuloitteisesti ajatusleikillä, jossa avaruus on valtavan kokoinen pala paperia.

(Wikimedia Commons/Mysid)

Mitä suurempimassainen kappale on kyseessä, sitä suuremman painauman se aiheuttaa paperille. Kun pienempi kappale tulee tarpeeksi lähelle tällaista painaumaa, se putoaa kappaletta kohti ja alkaa kiertää sitä suurella nopeudella – samaan tapaan kuin ruletin pallo kiertää kehää.

Tähän ilmiöön perustuvat kaikkien avaruuden kappaleiden kiertoradat.

Aika-avaruus väreilee kappaleiden liikkeestä.(Massachusetts Institute of Technology/Youtube)

Gravitaatioaallot syntyvät toisiaan kiertävien kappaleiden liikkeistä. Niiden liike avaruudessa aiheuttaa värähtelyä, jonka voimme lopulta havaita Maassa.

Käsikynkässä toistensa ympärillä tanssivat ihmiset aiheuttavat väreilyä aika-avaruudessa massiivisten objektiivien tavoin, mutta siitä aiheutuva värähtely on käytännössä mahdoton havaita.

Gravitaatioaaltojen havaitseminen Maassa edellyttää siis valtavien kappaleiden aiheuttamia väreitä aika-avaruudessa.

Kun italialainen Virgo- ja yhdysvaltalainen Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)-laitteisto havaitsivat elokuun 14. päivä gravitaatioaaltoja, ne aiheutuivat kahden massaltaan kymmenien aurinkojen (31 ja 25 Auringon massaa) kokoisten mustien aukkojen yhdistymisestä noin 1,8 miljardia vuotta sitten.

Laskutoimituksesta jäljelle jääneen kolmen Auringon massa muuttui siis gravitaatioaalloiksi.

Ligo ja Virgo ovat maapallon herkimpiä mittalaitteita. Ne kykenevät havaitsemaan protonin tuhannesosan kokoisia muutoksia aika-avaruudessa.

Tutkimuslaitteistot perustuvat valon mittaamiseen, sillä valonnopeus on ainoa universaali vakio maailmankaikkeudessa. Me emme voi havaita gravitaatioaaltoja fyysisesti, sillä olemme osa aika-avaruutta, joka aaltoilee sen vaikutuksesta.

Jos kahden pisteen välinen etäisyys kasvaa, se voidaan havaita mittaamalla valon kulkemista pisteestä A pisteeseen B. Jos pisteiden välinen etäisyys lyhenee, myös tämä voidaan havaita valon avulla.

Havainnekuva neljä kilometriä pitkissä tunneleissa kulkevasta lasersäteestä. (BrunoTheQuestionable/Youtube)

Gravitaatioaallot venyttävät aika-avaruutta yhdessä suunnassa ja puristavat sitä kasaan toisessa. Tutkijat keksivät jo 1960-luvulla, että niitä voidaan todennäköisesti parhaiten havaita L-kirjaimen muotoon rakennettuissa tutkimuslaitteissa.

Ligo- ja Virgo -tutkimuskeskuksiin on rakennettu kaksi L-kirjaimen muotoon asetettua neljän kilometrin pituista tyhjiötunnelia. Tunneleihin ammutaan lasersäde keskitetystä paikasta. Lasersäteet kimpoavat takaisin tunnelin päähän asetetuista peileistä ja takaisin tullessaan säteet jälleen yhdistyvät kumoten toisensa.

Kun gravitaatioaalto aiheuttaa väreilyä aika-avaruudessa, toinen putkista pitenee ja toinen lyhenee. Aaltoliikkeen edetessä putkien pituudet vaihtelevat, jolloin peileistä takaisin kimpoavat säteet eivät enää kumoa toisiaan ja valoa pääsee sykäyksittäin vastaanottimeen.

Albert Einsteinin esitti teoriansa avaruudessa valonnopeutta etenevästä gravitaatiosäteilystä jo sata vuotta sitten. Teoria sai vahvistuksen viimein syyskuussa 2015, kun Ligon tutkijat onnistuivat havaitsemaan gravitaatioaaltoja laitteistollaan.

Elokuinen havainto on järjestyksessään neljäs kerta kun aaltoja havaittiin.

Virgo-observatorio